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1、基于冻融循环试验对盐渍土盐胀性的研究摘要：当土壤中含有的盐碱成分达到一定程度时，土体的胶体性质恶化，致使土体的物理力学性质减弱，常常引起溶陷、盐胀、腐蚀等工程病害。本文为了模拟冬季降温较快，而来年春季升温较慢的温度变化环境，对土样进行冻融循环试验，探讨了盐胀量与冻融次数、含水率、降温速率等之间的关系。通过试验，发现土体盐胀量具有累增性，且盐胀量与冻融周期呈二次抛物线关系；同时，通过扫描电镜观察，对冻融循环试验中土体的微观结构变化进行探究，分析了土体盐胀的机理和土体强度变化过程。通过对盐渍土盐胀性的一些研究，以期能够对减少盐渍土病害尽一份微薄之力。关键词：盐渍土 盐胀性 冻融循环试验 含水率 降
2、温速率盐渍土广义理解系指盐土和碱土在内的，以及不同盐化、碱化土壤的统称。土的含盐量通常是用一定土体内含盐的重量与其干土重量之比，以百分数来表示。当土壤中含有的盐碱成分达到一定程度时，就会恶化土壤的物理性质，影响工程的正常使用。在公路工程中一般指地表下1.0m深的土层内易溶盐平均含量大于0.3%的土1，具有溶陷、盐胀、腐蚀等工程特性。盐渍土在我国分布很广，面积亦大，类型众多。在我国西北、华北、东北的西部、内蒙古河套地区以及东南沿海一带都有分布。土壤中易溶盐类主要可以分列为三大类：即氯化物盐类、硫酸盐类和碳酸盐类，不同类型的盐渍土对道路工程的危害不尽相同，我国盐渍土地区公路病害主要有盐胀、翻浆、溶
3、陷和腐蚀等类型。其中，控制土体盐胀动态特征的基本要素是水、盐、热、力2。水主要指土中水的含量及补给状况；盐主要指易溶盐的成分及含量；热主要指温度的高低及时空变化；力主要指土体膨胀产生的内部应力。本文就基于冻融循环试验，对盐渍土地基盐胀性进行了探讨，以期能够为减少或避免盐渍土地基的危害做出一些贡献。1.研究背景盐渍土与素土的根本区别就在于前者含有一定量的易溶盐，当这些盐类完全溶解于水中时，不增加液体体积，仅仅增大其比重；当不能完全溶解于土中水时，过饱和的盐分便以固体结晶赋存于土颗粒之间，起着骨架作用。此时，作为土的固相体则包含了盐粒，将这种随温度或水分而改变相态的易溶盐，称为“易溶盐相”这样，盐
4、渍土就成了四相土，即固相、液相、气相和易溶盐相2。由于易溶盐类的直接存在和盐分改变了土壤胶体的交换性阳离子，以及对土壤胶体物理的间接影响，从而改变了土壤的物理力学性质。盐渍土的性质取决于含盐类型、含盐量、土质结构、含水率以及所处环境的温度等。盐渍土对路基工程产生了很大的危害，不同类型的盐类盐渍土对公路工程的危害不尽相同。氯化物盐比其他盐易于溶解，在水的作用下，易使路基土壤过分湿化，出现翻浆等病害，引起路肩、路基、路面、边坡的湿陷、塌陷等；而硫酸盐易结晶析出，造成土体体积膨胀，在盐胀力的反复作用，使路基的土体结构遭到破坏，引起路基整体和稳定性下降，产生不均匀沉陷，导致路面网裂或裂缝，经行车荷载碾
5、压、冲击的反复作用，加速了路面的破坏程度3。另外，硫酸盐盐渍土对沥青材料的侵蚀性强，它可以促使沥青材料乳化，从而削弱了沥青与骨料之间的物理化学吸咐、化学吸附和选择性吸附，使沥青面层的强度降低，颗粒间联结力降低，甚至掉粒、破坏4。2.盐胀特性的研究盐胀是指土中盐类因温度、湿度改变而导致的土体体积变化。盐渍土的盐胀是指自然界中土体受气温周期变化产生体积膨胀的现象。硫酸盐渍土的盐胀与一般膨胀土的膨胀不同，一般膨胀土的膨胀主要是由于土中含有的强亲水性粘土矿物吸水后导致土体膨胀，而硫酸盐渍土的盐胀则是结晶膨胀，是指盐渍土因温度降低或失去水分后，溶于土中孔隙中的盐分浓缩并析出而结晶所产生的体积膨胀。盐渍土
6、地区的盐胀对工程的危害主要发生在含硫酸盐(硫酸钠)的地区。路基土盐胀的形成是土体内硫酸钠迁移聚积、结晶体胀和土体膨胀三个过程的综合结果5。是由于土中液态或粉末状硫酸钠在外界条件变化时吸水结晶而产生体积膨胀所造成，是在水分场、盐分场、温度场、变形场及应力场四场的综合作用下发生的。控制土体盐胀动态特征的基本要素是水、盐、热、力。影响硫酸盐渍土膨胀的因素除了硫酸钠含量、土体密度和粘土矿物等以外，对于相同性质的土，含盐量一定的土体来说其盐胀量决定于温度和含水量。与含水量也有着十分密切的关系。由无水或过饱和的硫酸钠结晶膨胀机理来看，硫酸钠结晶至少要吸收10个水分子，所以说水是硫酸钠结晶膨胀的必要条件。无
7、水或过饱和的硫酸钠，在低温条件下吸附10个水分子后，变成晶体硫酸钠，分子量由142增加到180，所需水的比率约为1.27（10H20/Na2S04=180/142=1.27)。可见，遇水结晶后硫酸钠的膨胀量也是非常可观的，表1中可以看出，硫酸钠结晶的体积膨胀率远远高于其他盐类的体积膨胀率6。表1 不同盐类的结晶膨胀率盐类吸水结晶膨胀率（%）CaCl22H2OCaCl24H2O35CaCl24H2OCaCl26H2O24MgSO4H2OMgSO47H2O145MgSO46H2OMgSO46H2O11Na2CO3H2ONa2CO310H2O148NaClNaCl2H2O130Na2SO4Na2SO
8、410H2O3113.冻融循环试验 为了模拟大自然变化，温度由室内采用开放式多次冻融循环实验来模拟，并适当的加以控制。为模拟自然界冬季的降温过程及来年春季的升温过程，由于通常降温速度较快，升温过程较慢，试验降温采用HC-2010低温恒温槽持续降温24小时，升温时，关闭低温恒温槽，采用自然升温亦持续24小时，此为一个周期7。冻融循环试验的试验设备如图1所示，试验的具体过程是：首先，按土工试验要求，将养生后的土样装入高60cm，内径为15cm的有机玻璃试模桶中，再通过制冷头将试件的上端温度控制在-20，底端温度控制在+5，以实现冬季温度降低时，土壤温度从上部向下部逐渐降低的现象。降温过程持续24小
9、时后，关闭低温恒温槽让温度自然回升以模拟春季土壤温度逐渐上升的现象，此过程也维持24小时，此即为一周期共48小时，共冻融循环7个周期，历时336小时。图1 冻融循环试验装置示意图3.1盐胀量的变化通过，多次冻融试验，试件的盐胀量变化过程图2所示7：图2 冻融循环周期中土体试件的盐胀量由图2可以看出，盐渍土在多次冻融循环的过程可以分为三个阶段4：随着温度的降低盐胀量急剧增加阶段；温度持续降低盐胀量保持稳定阶段；升温时盐胀量均匀下降阶段。起初六小时盐胀迅速增加，六小时后土体发生体缩现象，这是因为随着温度的降低，硫酸盐开始结晶，使土体积增大；当温度降低到一定程度时，土体的水开始冻结，结冰放热，土温急
10、剧增高，这时，结晶盐由于温度部分升高而溶化；若制冷头温度继续下降，继续析出弱结合水固化成冰的部分热量，使土温开始呈曲线型缓慢下降，这就使盐渍土中盐结晶的速度放缓。24小时后，自然升温，盐渍土中的结晶盐逐渐溶解，体积缩小，加上盐渍土在前六个小时的迅速结晶已破坏了土体原本的胶结结构，致使大孔隙结构部分破坏而出现体积缩小现象。同时还可以看出，盐渍土在多次冻融循环的盐胀变形，在温度回升时不能完全恢复，因此盐胀变形是残留性的，属于累增型的。选取同样的土样，配制不同含水率的试件，通过对含水率不同的多组试件所进行冻融循环试验的结果对比可以看出，盐胀量与冻融周期、土样含水率之间有一定的关系。将盐胀量与冻融周期
11、进行拟合，如图3所示，发现盐胀量与冻融周期的关系符合二次抛物线（上升段）变化规律，最后慢慢趋于稳定7。图3 冻融周期与盐胀量之间的关系3.2抗剪强度的变化为了分析盐渍土在在经历多次冻融后力学特性的变化。按冻融循环试验要求，制备不同的试件，多次冻融后，采用直剪试验方法分析冻融后试样每层土体的力学强度特性8。为了使试样的边界条件与自然条件下相似，在试样筒周围包以保温材料，以防止试样周围环境的热交换。将闷好的料在20条件下成型，即将准备好的土料分12次装入高60cm、内径15cm的有机玻璃筒中，单向击实到所需干密度，每个冻融循环周期为48h。直接剪切试验采用应变控制式直剪仪，环刀直径=61.8mm，
12、高为20mm。将冻融后的土体分5层，每层取4个环刀土样，并将每层的余土进行含水量的测定。采用不固结不排水试验，加荷等级依次为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，设定的剪切速度为0.8mm/min，使试样在35min破坏，应力无峰值时，则按规程破坏以位移变形量达到4mm，即形控制为15%时作为最大的偏应力；同时位移变形量进行到6mm，即应变达20%时停止。 图4 不同冻融循环周期粘聚力 图5 不同冻融循环周期内摩擦角 土的抗剪强度由两部分所组成，即摩擦强度stanj和粘聚强度c。从图4可以看出，冻融循环过程中试样粘聚力以上小下大分布，并且随着冻融循环次数的增加，各土层的粘聚力
13、不断降低。起初降低主要是因为含水量的变化引起盐渍土中溶盐量的变化。盐渍土中所含易溶盐或是以固体形态存在于土颗粒之间，或是以离子形式存在于土内孔隙水中，其中以离子形式存在的易溶盐在土孔隙中起不到骨架作用，而以固体形态存在的盐晶体在土中成为土骨架的一部分，起重要的胶结作用，从而使土的内摩擦角及粘聚力增大。冻融过程中水分不断向上迁移，当含水量增加时，土中的结晶盐被溶解，土颗粒的水化膜增厚，使土颗粒间联结力削弱，并且盐渍土中的固体颗粒减少而其密度降低，所以土体粘聚力下降。随着冻融循环次数的增大，含有硫酸盐的盐渍土，降温时硫酸盐吸水结晶、体积增大，促使土颗粒间发生错位、移动，使土体膨胀；温度升高时，硫酸
14、盐又脱水，体积变小，致使土体疏松。如此反复，使土体强度降低很快。距冷端面较近处土体粘聚力较低，这主要是冻融循环时冷端面附近水分迁移量较大。多次冻融循环后，顶端面土体含水量较大，已接近液限，强度很低。由图5可以看出，冻融循环过程中试样内摩擦角第一层和第四层较大，第三层和底层较小，呈S形分布。随着冻融循环次数的增加，各土层的内摩擦角先是增加然后不断降低。内摩擦的物理过程由两个部分组成：一是颗粒之间滑动时产生的滑动摩擦，另一部分是颗粒之间脱离咬合状态而移动所产生的咬合摩擦。滑动摩擦是由于颗粒接触面粗糙不平引起的，与颗粒的形状、矿物组成、级配等因素有关。3.3盐渍土冻融循环的微观机制分析用扫描电镜对冻
15、融后土体微观结构扫描，利用微观定量分析原理对冻融循环后土体的孔隙特征进行了分析，同时，结合土体中晶体析出位置的变化、土体微观结构以及土体中所含盐的性质，探讨了盐胀机理及冻融作用对盐渍土粘聚力的作用机理9。 （a）未冻融（100Top） （b）3周期（100Top） （c）5周期（100Top） （d）7周期（100Top）图6 不同冻融循环周期下土体电镜观察图示由图6（a）可以看出，修筑道路直接对地基进行压实后的粗粒盐渍土体微观结构主要呈现出微小粒集合成集粒包裹于大颗粒周围，土体结构较密实。粗粒盐渍土经冻融循环3周期后，除水结冰发生体胀外，Na2SO4本身结晶时生成Na2SO410H2O，使得
16、土体体积发生膨胀，增大土粒间距，使土颗粒发生错动，密实度减小，强度下降。温度回升后，晶体慢慢溶解，土颗粒之间失去了支撑形成空缺，因而部分土颗粒回落到孔隙间，另一部分土颗粒由于还受到其他土颗粒与其的相互作用，并不发生回落现象。扫描图见图6（b），粗粒之间的孔隙开始增大，部分大颗粒间由微小颗粒胶结连接。冻融5周期见图6（c），大颗粒间距继续扩大，土体结构破坏，部分大颗粒直接镶嵌接触，部分微小颗粒由盐类胶结充填于大孔隙之间。冻融7周期见图6（d），随着大颗粒间距进一步扩大，土体结构进一步破坏，大颗粒骨架被架空破坏，自然升温以后随着结晶体释放结晶水，结晶水溶化盐胶结，细小颗粒回落填充于大颗粒之间，大颗
17、粒在前期被扩大的孔隙部分被细小颗粒回填，部分孔隙塌落破坏。4.冻融循环试验下盐胀量的影响因素 盐渍土盐胀是土体内硫酸钠迁移聚积、结晶体胀和土体膨胀三个过程的综合结果，是土中硫酸钠在外界条件变化时结晶而产生体积膨胀所造成，是在水、盐、热、力等的综合作用下发生的。以下基于冻融循环试验，对这些影响因素对盐渍土盐胀量的影响程度进行了探讨。4.1含水率对盐胀量的影响通过击实试验，发现填料最大干密度的平均值为2.27g/cm3，最佳含水率的平均值为6.34%。称所需土量分别按4.5%，5.5%，6.34%，7%，8%的含水量配制试件，同时进行多次冻融循环试验，不同含水率的试件在冻融循环试验后的盐胀量分别如
18、610图所示10。图7 含水率为4.5%盐渍土盐胀量曲线图 含水率为5.5%盐渍土盐胀量曲线图8 含水率为6.34%盐渍土盐胀量曲线图9 含水率为7%盐渍土盐胀量曲线图10 含水率为8%盐渍土盐胀量曲线对不同含水率的土试件在冻融循环试验中的最大盐胀量进行了统计，如图11所示。发现含水率为4.5%时盐胀量与溶陷量均较其他含水率时低，在最佳含水率（6.34%）之前，随着含水率的增加，盐胀量增加，溶陷量也增长；过了最佳含水率之后，随含水率的增加，盐胀量减小，溶陷量继续增长；在最佳含水率时，盐胀量最大，溶陷量居中。在实际有关盐渍土工程中，建议采用的含水量应略小于最佳含水量可以不同程度的减小盐胀带来的危
19、害。图11 含水率与盐渍土最大盐胀量之间的关系4.2降温速率对盐胀量的影响由于温度变化，盐分在溶液状态和结晶状态之间相互转化，尤其是当温度升高，硫酸盐溶解度高，晶体溶化体积减小。当温度降低，硫酸盐溶解度减小，很容易形成过饱和溶液，盐分从中析出，成为含冰晶体，体积亦随之膨胀，如此反复循环胀缩，使土体松散，颗粒结构破坏，硫酸盐含量愈多，松胀愈严重。硫酸盐渍土中的硫酸钠在降温过程中吸水结晶膨胀，是形成盐胀的主要原因。对于一定含盐量和含水量的土样，其孔隙溶液中的结晶析出量与温度有关，但其结晶体的结构形状与降温速率有关。对于降温速率小，降温时间长的过程，其在初始晶核上的结晶生长充分，生成的晶体晶形完整，
20、具有明显的几何形状和较大的体积；而对降温速率大，降温时间短的降温过程，来不及充分组织其晶体结构，生成的晶体细碎而小。因而硫酸盐渍土的盐胀率随降温速率的减小有所增大。试验中采用模拟试验方法，即模拟自然界秋冬季节土体温度由上部到下部呈逐渐下降现象。试验中土体上下端保持一定的温度差（5），降温区间为25-15。采用全面试验方式，各参数取值范围：（1）.降温速率VT为1.0，0.7，0.5，0.3和0.1/h；（2）.含盐量P为1，2，3和5%，试验结果如图1211。图12 不同降温速率对盐渍土的盐胀量的影响通过对不同含盐量的盐渍土进行不同降温速率试验，观察盐胀率与降温速率之间存在着一定的关系，不同含
21、盐率的盐渍土在不同降温速率下的通式和相关系数分别如下：1. P=5% n=0.870VT-0.898 R=0.99962. P=3% n=0.517VT-0.514 R=0.9823. P=2% n=0.492VT-0.143 R=0.9524. P=1% n0.1 冻融循环试验中，降温速率与盐渍土试件的盐胀量之间的关系，可以用如下的式子来表示：n=AVT-B式中：n盐胀率，%；VT降温速率，/h。A、B系数。5.结论与展望 为了模拟季节交替多次冻融循环，在室内进行了多次冻融循环试验，在不同试验条件下观察土体盐胀量的变化规律，并通过扫描电镜观察，分析冻融循环下盐胀的形成机理：（1）盐渍土在多次
22、冻融循环的盐胀变形，在温度降低时先急剧盐胀，后延展平缓，在温度回升时结晶慢慢缓慢溶解，盐胀量略微减小，但不能完全恢复，仍有部分盐胀变形残留性。盐胀量与冻融周期的关系符合二次抛物线（上升段）变化规律，最后慢慢趋于稳定。因此，盐渍土的盐胀是属于累增型的。（2）通过冻融循环试验和直剪试验分析，发现随着冻融循环次数的增加，各土层的粘聚力不断降低，各土层的内摩擦角先是增加然后不断降低。（3）冻融循环试验表明，在降温期间的粗颗粒盐渍土的盐胀量是随着含水率的逐渐增大而增大，达到最佳含水率时为最大值，而后又随着含水率的增大，逐渐减小；在升温期间，粗颗粒盐渍土的溶陷量又随着含水率的增大，而逐渐增大。盐渍土作为路
23、堤填料时，应该在其达到所需压实度时，尽量控制其含水率，使其含水率在一个较小的范围内。（4）盐渍土的盐胀率随降温速率的减小有所增大，降温速率与盐胀量存在着指数关系。虽然，该冻融循环能反映盐渍土在多次冻融下盐胀量的及抗剪强度的变化，但该试验装置并未对土体试件的围压进行考虑，并不能很好地反映土体实际的受力方式。并且，由于在冻融循环试验中，温度已经达到了土体的冻结温度，土中含有的水分也开始结冰，也会使土体发生膨胀，因而该试验中所谓的“盐胀量”还包含了冻胀部分。因此，在今后的研究还应对试验条件进行进一步的探究，尽量使室内试验条件与路基土实际环境相近，并综合考虑其他因素对试验结果的影响，在试验数据处理时也
24、应对各种影响因素综合考虑。参考文献1 2004 J. 公路路基设计规范 SD. , 2004.2 曹福贵. 硫酸盐渍土地区路基水, 热, 盐, 力四场耦合效应的室内和现场试验分析及现场试验路数值模拟研究D. 长安大学, 2009.3 杨保存, 刘新荣, 贺兴宏, 等. 盐渍土路基盐胀性试验研究 3J. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2009.4 张莎莎. 粗颗粒硫酸盐盐渍土盐胀特性试验研究 D. 长安大学, 2007.5 黄立度, 席元伟. 硫酸盐渍土道路盐胀病害的基本特征及其防治J. 中国公路学报, 1997, 1
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