呂擎峰，賈夢雪，王生新，周剛，王慶棟

含鹽量對固化硫酸鹽漬土抗壓強(qiáng)度的影響

呂擎峰1，賈夢雪1，王生新2，周剛1，王慶棟1

(1. 蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州，730000； 2. 甘肅省科學(xué)院 地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，甘肅 蘭州，730000)

對石灰粉煤灰固化不同含鹽量硫酸鹽漬土28 d試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探討含鹽量對石灰粉煤灰固化土抗壓強(qiáng)度的影響。并采用界限含水率試驗(yàn)、X線衍射儀(XRD)、傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)和物理吸附試驗(yàn)等方法研究石灰粉煤灰固化不同含鹽量硫酸鹽漬土的稠度特征、物相特征、化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)，分析含鹽量對石灰粉煤灰固化硫酸鹽漬土抗壓強(qiáng)度影響的機(jī)理。研究結(jié)果表明：含鹽量在0.3%~5.0%范圍內(nèi)，不同石灰粉煤灰固化硫酸鹽漬土的強(qiáng)度隨含鹽量的增加先增大后減小，峰值強(qiáng)度對應(yīng)的含鹽量為1.8%；同一含鹽量時(shí)，當(dāng)含鹽量低于2.8%時(shí)，固化土強(qiáng)度隨石灰粉煤灰含量的增加先增大后減小，當(dāng)含鹽量高于2.8%時(shí)，固化土強(qiáng)度隨石灰粉煤灰含量的增加而增大。

硫酸鹽漬土；固化機(jī)理；含鹽量；抗壓強(qiáng)度

鹽漬土是易溶鹽含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于或等于0.3%的不同程度鹽堿化土的總稱，并具有溶陷性、鹽脹性和腐蝕性[1]。我國西北地區(qū)廣泛分布著大量的內(nèi)陸鹽漬土，常見的類型有氯鹽漬土、硫酸鹽漬土和碳酸鹽漬土，其中硫酸鹽漬土分布最廣，硫酸鹽漬土通常指土中Cl?和SO42?物質(zhì)的量比小于0.3的鹽漬土[2?3]。硫酸鹽在溫度、含水率等環(huán)境條件改變時(shí)造成土體膨脹變形，使公路等產(chǎn)生翻漿、鹽脹、腐蝕、凍脹等病害[4?5]。在硫酸鹽含量超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的場地修建公路，當(dāng)采用換填土、強(qiáng)夯等措施難以適用時(shí)，可以通過改性的方法加以解決。在傳統(tǒng)無機(jī)固化劑中，多以石灰、粉煤灰等按比例組成膠凝材料固化鹽漬土。由于分布地點(diǎn)、周圍環(huán)境的不同而使得鹽漬土含鹽量有很大的不同。鹽漬土中硫酸鹽對固化反應(yīng)的影響以及含鹽量對固化效果的影響，是硫酸鹽漬土采用石灰和粉煤灰固化處理所要涉及的研究內(nèi)容。柴壽喜等[6?7]進(jìn)行了氯鹽含鹽量對石灰固化濱海鹽漬土力學(xué)強(qiáng)度、物理及水理性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著含鹽量的增加，石灰固化濱海鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均降低，鹽分不斷結(jié)晶導(dǎo)致粗大顆粒越來越多，總比表面積越來越小，吸附水膜較薄，總體上導(dǎo)致液限、塑限和塑性指數(shù)越來越低，土懸液的電導(dǎo)率隨固化土含鹽量的增加在同步增加，氯鹽沒有參與石灰的固化反應(yīng)。內(nèi)陸硫酸鹽漬土的物理力學(xué)性質(zhì)顯然有別于易吸濕軟化的濱海鹽漬土。因此，研究硫酸鹽含鹽量對石灰粉煤灰固化土強(qiáng)度的影響，對鹽漬土地區(qū)工程的設(shè)計(jì)施工及安全運(yùn)行評估有著十分重要的意義。為了研究內(nèi)陸硫酸鹽漬土地區(qū)因硫酸鹽含量變化而引起石灰粉煤灰固化土物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，本文作者進(jìn)行了不同配比的石灰粉煤灰固化不同含鹽量鹽漬土的抗壓強(qiáng)度測試，并對破壞后的試件進(jìn)行界限含水率試驗(yàn)、X線衍射(XRD)試驗(yàn)、傅里葉變換紅外光(FTIR)試驗(yàn)和物理吸附試驗(yàn)，將宏觀強(qiáng)度特性和微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相結(jié)合，探索含鹽量對石灰粉煤灰固化硫酸鹽漬土抗壓強(qiáng)度影響的機(jī)理。

1 試件制備和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用鹽漬土取自甘肅酒泉飲馬農(nóng)場附近，現(xiàn)場取土樣的含鹽量測試結(jié)果顯示，取樣區(qū)內(nèi)多為含鹽量1%~3%的硫酸、亞硫酸鹽漬土。為利于分析鹽分對石灰粉煤灰固化土強(qiáng)度的影響，按照取樣區(qū)內(nèi)硫酸鹽漬土含鹽量的變化范圍，特采用洗鹽素土(物理性質(zhì)指標(biāo)見表1)摻加純度99%的無水硫酸鈉人工制備含鹽量分別為0.3%，0.8%，1.3%，1.8%，2.3%，2.8%和5.0%的鹽漬土。試驗(yàn)所用石灰為有效鈣鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%的生石灰粉，試驗(yàn)所用粉煤灰取自蘭州市西固熱電廠，主要化學(xué)成分為SiO2，Al2O3和Fe2O3等，在制樣前均過2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩。參考以往試驗(yàn)結(jié)果[8]，石灰的摻入比為5%，7%，9%，11%，粉煤灰的摻入比是石灰的2倍，用于研究不同含鹽量條件下石灰粉煤灰的固土效果，并得出石灰粉煤灰的最優(yōu)摻入比，在石灰粉煤灰為最優(yōu)摻入比條件下研究含鹽量對固化土性質(zhì)的影響。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件直徑×高為5 cm×5 cm，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最優(yōu)含水率和最大干密度按設(shè)計(jì)配比計(jì)算出每個(gè)試件所需素土、石灰、粉煤灰、水和無水硫酸鈉的用量。配樣時(shí)，將石灰、粉煤灰用內(nèi)摻法與素土先拌和均勻，然后將無水硫酸鈉溶于蒸餾水，用噴壺噴灑的方法使混合料拌勻后放置密封袋內(nèi)悶料24 h后，按設(shè)計(jì)指標(biāo)稱取相應(yīng)的質(zhì)量并迅速制樣。此方法旨在使固化鹽漬土試件中的水分布均勻并與固化劑充分接觸反應(yīng)。制樣時(shí)采用雙向靜力壓實(shí)法將混合土料分層壓入試模內(nèi)，穩(wěn)定壓力維持3 min，以消減土樣的回彈，再用脫模器械將土樣脫出，迅速編號并用保鮮膜包好放入保濕器中以保持其含水率不變，在室內(nèi)室溫條件下養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的試件分別用于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、界限含水試驗(yàn)、X線衍射試驗(yàn)、傅里葉變換紅外光試驗(yàn)和物理吸附試驗(yàn)。

2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

固化土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是其力學(xué)性能指標(biāo)的集中反映，它不僅與試件材料的性質(zhì)有關(guān)，而且與試件的其他物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。取28 d固化土圓柱體試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)操作過程嚴(yán)格參照GB/T 50123—1999“土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”。本試驗(yàn)采用CSS?WAW300型電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，應(yīng)變速率設(shè)定為1%/min，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動采集，應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值強(qiáng)度或者15%應(yīng)變對應(yīng)的強(qiáng)度為試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

表1 鹽漬土洗鹽后的部分物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1所示為不同石灰摻入比條件下固化鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含鹽量的關(guān)系曲線。由圖1可知：含鹽量在0.3%~5.0%范圍內(nèi)，不同石灰粉煤灰固化硫酸鹽漬土的強(qiáng)度與含鹽量的關(guān)系曲線變化規(guī)律基本一致，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含鹽量的增加先增大后減小，峰值強(qiáng)度對應(yīng)的含鹽量為1.8%。當(dāng)土體含鹽量小于1.8%時(shí)，隨著SO42?含量的增加，石灰粉煤灰固化土的強(qiáng)度升高，但當(dāng)含鹽量超過1.8%時(shí)，隨著SO42?含量的增加，石灰粉煤灰固化土的強(qiáng)度又會降低。以上試驗(yàn)結(jié)果說明土中含有一定量的SO42?有利于提高石灰粉煤灰固化土的抗壓強(qiáng)度。

圖1 固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含鹽量的關(guān)系曲線

圖2所示為不同含鹽量條件下固化鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與石灰摻入比的關(guān)系曲線。從圖2可以看出：當(dāng)含鹽量小于2.8%時(shí)，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰摻入比的增加先增大后減小，峰值點(diǎn)位于石灰摻入比9%處，石灰粉煤灰最優(yōu)摻入比分別為9%和18%；當(dāng)含鹽量大于等于2.8%時(shí)，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰摻入比的增加而非線性增大。試驗(yàn)結(jié)果表明在低含鹽量情況下，添加的石灰和粉煤灰并不是越多越好。過量的石灰堆積在孔隙中，不能與粉煤灰充分結(jié)合，使得粉煤灰的活性不能被充分激發(fā)出來，兩者之間的火山灰反應(yīng)不完全，導(dǎo)致固化硫酸鹽漬土試件抗壓強(qiáng)度降低[9]。

圖2 固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與石灰摻入比的關(guān)系曲線

3 界限含水率試驗(yàn)

界限含水率的測定是一種評估各種固化劑固化土性能改善的快速簡單的試驗(yàn)方法。界限含水率和改良土的其他物理化學(xué)性質(zhì)相關(guān)[10?11]。按照GB/T 50123—1999“土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”，取28 d固化土加水?dāng)嚢韬笱b入調(diào)土杯，放進(jìn)保濕缸中靜置24 h，采用圓錐質(zhì)量76 g，錐角為30°的JDS?2型數(shù)顯式液塑限聯(lián)合測定儀進(jìn)行測試。圓錐下沉深度為17 mm所對應(yīng)的含水率為液限，圓錐下沉深度為2 mm所對應(yīng)的含水率為塑限。

圖3所示為9%石灰和18%粉煤灰固化鹽漬土界限含水率與含鹽量的關(guān)系曲線。從圖3可以看出：與含鹽量為0.3%的二灰固化土比較，其他含鹽量的二灰固化土的液塑限都增大；含鹽量為0.3%~1.8%時(shí)，液限和塑限逐漸增大，且塑限增加的幅度較液限的大；含鹽量為1.8%~2.8%時(shí)，液限保持穩(wěn)定，塑限逐漸下降。因此，固化土的塑性指數(shù)隨含鹽量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，含鹽量為1.8%時(shí)取得最小值(圖4)。

液塑限取決于土的礦物成分、粒度組成、表面交換能力以及吸附水膜的厚度。一般情況下，土體液限和塑限是由土中黏土礦物含量決定的。對于石灰粉煤灰固化不同含鹽量的硫酸鹽漬土，黏土礦物的含量不會發(fā)生較大的改變，因此液塑限的增大不是黏土礦物含量增加的結(jié)果。由于石灰粉煤灰固化土反應(yīng)可生成比表面積大、分散度高、吸附水能力較強(qiáng)的C—S—H等具有凝膠性能的產(chǎn)物，只有在較大的含水率條件下才能達(dá)到流動或可塑狀態(tài)[12]，所以含鹽量為0.3%~1.8%時(shí)固化土液塑限隨含鹽量的增加而增大，說明固化土體系中C—S—H凝膠類物質(zhì)增加。一方面，Na2SO4可與Ca(OH)2反應(yīng)生成NaOH，增加固化土的堿性，粉煤灰呈弱酸性，因而在堿性環(huán)境中其活性易被激發(fā)生成更多的C—S—H；另一方面，SO42?能置換出C—S—H凝膠中的部分SiO42?，被置換出的SiO42?在外層又與Ca2+作用生成C—S—H[13]。已有研究[14]表明：低塑性指數(shù)材料通常擁有更好的性能，含鹽量為0.3%~1.8%時(shí)，固化土塑性指數(shù)不斷降低，說明含鹽量在一定的范圍內(nèi)，石灰粉煤灰固化硫酸鹽漬土的固化效果隨著含鹽量的增加越來越好，這與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得出的結(jié)論基本一致。

圖3 固化土的液塑限與含鹽量的關(guān)系曲線

圖4 固化土的塑性指數(shù)與含鹽量的關(guān)系曲線

4 X線衍射分析

采用荷蘭生產(chǎn)的PANalytical X’Pert Pro 型X線衍射分析儀對含鹽量分別為0.3%，1.8%和2.8%的石灰粉煤灰固化土樣進(jìn)行X線衍射分析，以探討不同含鹽量固化土生成產(chǎn)物的化學(xué)成分、物相特征。圖5所示為9%石灰和18%粉煤灰固化不同含鹽量鹽漬土的衍射譜圖。從圖5可以看出：土樣主要礦物成分為石英、方解石、鈣礬石和白云石等，不同含鹽量固化土的衍射譜圖基本匹配，部分礦物衍射強(qiáng)度發(fā)生變化。當(dāng)含鹽量從0.3%~1.8%，鈣礬石的衍射強(qiáng)度增至最大。由于硫酸鈉和石灰共同存在，SO42?在Ca2+的作用下可與在粉煤灰顆粒表面的凝膠及溶解于液相中的AlO2?反應(yīng)生成具有較高強(qiáng)度的鈣礬石Aft[15]，鈣礬石在粉煤灰顆粒表面形成纖維狀或網(wǎng)狀的包裹層，其緊密度小，有利于離子的擴(kuò)散滲透，使石灰堿激發(fā)粉煤灰活性的反應(yīng)得以繼續(xù)進(jìn)行[16]，因此在含鹽量為1.8%時(shí)，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大。當(dāng)含鹽量為1.8%~2.8%時(shí)，鈣礬石的衍射強(qiáng)度降低，說明隨著含鹽量的繼續(xù)增加，鈣礬石的含量減少，從而導(dǎo)致固化土強(qiáng)度降低。

圖5 不同含鹽量固化土的XRD譜圖

5 傅里葉變換紅外光譜分析

與XRD相比，F(xiàn)TIR可以測出不同類型的化學(xué)分子，并且對于同時(shí)出現(xiàn)的不同化學(xué)物質(zhì)的鑒別效果非常好[17]。FTIR可有效用于極性基團(tuán)的鑒定，適宜確定結(jié)合水、Si—O和Al—O等有關(guān)特征峰的位置。本試驗(yàn)采用Nicolet NEXUS?670型傅里葉變換紅外光測定儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。將不同含鹽量的二灰固化土搗碎、研磨過孔徑為0.075 mm篩，以KBr壓片法測試土樣的FTIR圖。

圖6所示為9%石灰和18%粉煤灰固化不同含鹽量鹽漬土的FTIR譜圖。在3 436 cm?1處吸收峰是由水分子O—H鍵的伸縮振動引起的，在1 445 cm?1附近鋁氧四面體和硅氧八面體的Si—O或Al—O鍵產(chǎn)生的對稱伸縮峰、在1 026 cm?1處的Si—O伸縮振動峰、876 cm?1處的Si—O—Si或Si—O—Al對稱峰、528 cm?1處的Si—O彎曲振動峰和469 cm?1處的Si—O—Si鍵的對稱振動峰等吸收峰均在含鹽量為1.8%時(shí)峰強(qiáng)最強(qiáng)，這表明在含鹽量為1.8%時(shí)固化土結(jié)構(gòu)相對最完整，因此具有較高的強(qiáng)度。

圖6 不同含鹽量固化土的FTIR譜圖

6 物理吸附試驗(yàn)

土的比表面積是固態(tài)物質(zhì)的表面積與其質(zhì)量的比值，是土重要的物理化學(xué)性質(zhì)。已有研究表明，比表面積不僅與土的礦物組成和含量密切相關(guān)，同時(shí)也與土的基本力學(xué)和物理性質(zhì)存在明顯的聯(lián)系[18]。土的孔隙性質(zhì)包括土的孔隙總量及孔隙分布，同樣對土的物理力學(xué)性質(zhì)有著重要的影響。使用美國麥克(Micromeritics)儀器公司生產(chǎn)的ASAP 2020M和TriStar II 3020 V1.04全自動比表面與孔隙分析儀對不同含鹽量土樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試。

表2所示為9%石灰和18%粉煤灰固化不同含鹽量鹽漬土的BET比表面積和直徑1.7~300 nm的BJH孔隙體積、BJH平均孔徑。從表2可以看出：隨著含鹽量的增加，固化土的比表面積和納米級孔隙體積先增大后減小，納米級孔徑先減小后增大，均在含鹽量為1.8%處達(dá)到最值。比表面積和孔隙特征的變化取決于石灰與粉煤灰中活性氧化鋁、氧化硅發(fā)生水化反應(yīng)生成的C—S—H，C—S—H凝膠類物質(zhì)具有發(fā)達(dá)的比表面積，孔表面的吸附水吸引外界其他離子以趨于平衡，構(gòu)成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，從而改善了孔隙結(jié)構(gòu)，提高了強(qiáng)度[19]。

表2 不同含鹽量固化土的微觀孔結(jié)構(gòu)

圖7所示為9%石灰和18%粉煤灰固化不同含鹽量鹽漬土的孔徑小于100 nm的孔隙體積與孔徑的關(guān)系曲線。從圖7可以看出：含鹽量0.3%，1.8%和2.8%的固化土孔隙體積分布基本相同，峰值位于小于5 nm范圍內(nèi)，但是相對于含鹽量為0.3%和2.8%的固化土，含鹽量為1.8%的固化土孔隙體積峰值更大，說明固化過程形成了更多的孔徑小于5 nm的孔隙?？讖酱笥? nm孔隙體積隨著孔徑增大而先增大后減小，但是對于1.8%含鹽量的固化土，孔徑大于50 nm的孔隙消失。說明當(dāng)含鹽量從0.3%到1.8%，固化土形成了較多的小孔徑的介孔孔隙，改善了孔隙分布特征，因此無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大。

圖7 固化土的孔體積與孔徑的關(guān)系曲線

7 結(jié)論

1) 同一石灰粉煤灰含量下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含鹽量的增加先增大后減小，峰值強(qiáng)度對應(yīng)的含鹽量為1.8%。同一含鹽量下，當(dāng)含鹽量小于2.8%時(shí)，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰摻入比的增加先增大后減小，峰值點(diǎn)位于石灰摻入比9%處，石灰粉煤灰最優(yōu)配比為9%和18%；當(dāng)含鹽量大于等于2.8%時(shí)，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰摻入比的增加而非線性增大。

2) 含鹽量為0.3%~1.8%時(shí)，液限和塑限逐漸增大，且塑限增加的幅度較液限大；含鹽量為1.8%~2.8%時(shí)，液限保持穩(wěn)定，塑限逐漸下降。固化土的塑性指數(shù)隨含鹽量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，含鹽量為1.8%時(shí)取得最小值。

3) 不同含鹽量固化土的衍射譜圖基本匹配，鈣礬石的衍射強(qiáng)度發(fā)生變化，是強(qiáng)度發(fā)生變化的原因之一。含鹽量為1.8%時(shí)固化土結(jié)構(gòu)相對最完整。

4) 隨著含鹽量的增加，固化土的比表面積和納米級孔隙體積先增大后減小，納米級孔徑先減小后增大，均在含鹽量為1.8%處達(dá)到最值。不同含鹽量的固化土孔隙體積分布基本相同，峰值位于小于5 nm范圍內(nèi)。孔徑大于5 nm孔隙體積隨著孔徑增大而先增大后減小，但是對于1.8%含鹽量的固化土，孔徑大于50 nm的孔隙消失。

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(編輯 趙俊)

Effect of salt content on compressive strength of solidified sulphate saline soil

Lü Qingfeng1, JIA Mengxue1, WANG Shengxin2, ZHOU Gang1, WANG Qingdong1

(1. Key Laboratory of Mechanics on Western Disaster and Environment Mechanics of Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China; 2. Geological Hazards Research and Prevention Institute, Gansu Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

To discuss the effect of salt content on compressive strength, the unconfined compressive strength test for sulphate saline soil solidified by lime and flyash was performed after curing 28 d. Also, limit moisture content, X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FTIR) and physical adsorption tests were carried out to reaearch the consistency characteristics, phase characteristics, chemical composition and microstructure of the sulphate saline soil with different salt contents solidified by lime and flyash and analyze the mechanism of the effect of salt contents on compressive strength. The results indicate that the strength of solidified sulphate saline soil with different content of lime and flyash increases firstly and then decreases with the increase of salt contents within the scope of 0.3%?5.0% , and peak strength corresponds to the salt content of 1.8%. Under the condition of the same salt content, the strength of solidified soil increases firstly and then decreases with the increase of the content of lime and flyash when the salt content is lower than 2.8%, but the strength of solidified soil increases with the increase of the content of lime and flyash when the salt content is higher than 2.8%.

sulphate saline soil; solidification mechanism; salt content; compressive strength

TU448

A

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.027

1672?7207(2018)03?0718?07

2017?03?05；

2017?06?07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51469001) (Project(51469001) supported by the National Natural Science Foundation of China)

王生新，博士，研究員，從事黃土地基處理與地質(zhì)災(zāi)害研究；E-mail: wangshx@lzu.edu.cn