DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.027

含盐量对固化硫酸盐渍土抗压强度的影响

吕擎峰¹，贾梦雪¹，王生新²，周刚¹，王庆栋¹

(1. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州，730000；

2. 甘肃省科学院 地质自然灾害防治研究所，甘肃 兰州，730000)

摘要：对石灰粉煤灰固化不同含盐量硫酸盐渍土28 d试件进行无侧限抗压强度试验，探讨含盐量对石灰粉煤灰固化土抗压强度的影响。并采用界限含水率试验、X线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和物理吸附试验等方法研究石灰粉煤灰固化不同含盐量硫酸盐渍土的稠度特征、物相特征、化学成分和微观结构，分析含盐量对石灰粉煤灰固化硫酸盐渍土抗压强度影响的机理。研究结果表明：含盐量在0.3%~5.0%范围内，不同石灰粉煤灰固化硫酸盐渍土的强度随含盐量的增加先增大后减小，峰值强度对应的含盐量为1.8%；同一含盐量时，当含盐量低于2.8%时，固化土强度随石灰粉煤灰含量的增加先增大后减小，当含盐量高于2.8%时，固化土强度随石灰粉煤灰含量的增加而增大。

关键词：硫酸盐渍土；固化机理；含盐量；抗压强度

中图分类号：TU448        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)03-0718-07

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

L 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)

Abstract: 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%.

Key words: sulphate saline soil; solidification mechanism; salt content; compressive strength

盐渍土是易溶盐含量(质量分数)大于或等于0.3%的不同程度盐碱化土的总称，并具有溶陷性、盐胀性和腐蚀性^[1]。我国西北地区广泛分布着大量的内陆盐渍土，常见的类型有氯盐渍土、硫酸盐渍土和碳酸盐渍土，其中硫酸盐渍土分布最广，硫酸盐渍土通常指土中Cl^-和SO₄^2-物质的量比小于0.3的盐渍土^[2-3]。硫酸盐在温度、含水率等环境条件改变时造成土体膨胀变形，使公路等产生翻浆、盐胀、腐蚀、冻胀等病害^[4-5]。在硫酸盐含量超过设计标准的场地修建公路，当采用换填土、强夯等措施难以适用时，可以通过改性的方法加以解决。在传统无机固化剂中，多以石灰、粉煤灰等按比例组成胶凝材料固化盐渍土。由于分布地点、周围环境的不同而使得盐渍土含盐量有很大的不同。盐渍土中硫酸盐对固化反应的影响以及含盐量对固化效果的影响，是硫酸盐渍土采用石灰和粉煤灰固化处理所要涉及的研究内容。柴寿喜等^[6-7]进行了氯盐含盐量对石灰固化滨海盐渍土力学强度、物理及水理性质影响的试验研究，发现随着含盐量的增加，石灰固化滨海盐渍土的无侧限抗压强度和抗剪强度均降低，盐分不断结晶导致粗大颗粒越来越多，总比表面积越来越小，吸附水膜较薄，总体上导致液限、塑限和塑性指数越来越低，土悬液的电导率随固化土含盐量的增加在同步增加，氯盐没有参与石灰的固化反应。内陆硫酸盐渍土的物理力学性质显然有别于易吸湿软化的滨海盐渍土。因此，研究硫酸盐含盐量对石灰粉煤灰固化土强度的影响，对盐渍土地区工程的设计施工及安全运行评估有着十分重要的意义。为了研究内陆硫酸盐渍土地区因硫酸盐含量变化而引起石灰粉煤灰固化土物理力学性质的变化规律，本文作者进行了不同配比的石灰粉煤灰固化不同含盐量盐渍土的抗压强度测试，并对 破坏后的试件进行界限含水率试验、X线衍射(XRD)试验、傅里叶变换红外光(FTIR)试验和物理吸附试验，将宏观强度特性和微观结构特点相结合，探索含盐量对石灰粉煤灰固化硫酸盐渍土抗压强度影响的机理。

1  试件制备和试验方法

试验用盐渍土取自甘肃酒泉饮马农场附近，现场取土样的含盐量测试结果显示，取样区内多为含盐量1%~3%的硫酸、亚硫酸盐渍土。为利于分析盐分对石灰粉煤灰固化土强度的影响，按照取样区内硫酸盐渍土含盐量的变化范围，特采用洗盐素土(物理性质指标见表1)掺加纯度99%的无水硫酸钠人工制备含盐量分别为0.3%，0.8%，1.3%，1.8%，2.3%，2.8%和5.0%的盐渍土。试验所用石灰为有效钙镁质量分数90%的生石灰粉，试验所用粉煤灰取自兰州市西固热电厂，主要化学成分为SiO₂，Al₂O₃和Fe₂O₃等，在制样前均过2 mm标准筛。参考以往试验结果^[8]，石灰的掺入比为5%，7%，9%，11%，粉煤灰的掺入比是石灰的2倍，用于研究不同含盐量条件下石灰粉煤灰的固土效果，并得出石灰粉煤灰的最优掺入比，在石灰粉煤灰为最优掺入比条件下研究含盐量对固化土性质的影响。

无侧限抗压强度试件直径×高为5 cm×5 cm，根据击实试验得到的最优含水率和最大干密度按设计配比计算出每个试件所需素土、石灰、粉煤灰、水和无水硫酸钠的用量。配样时，将石灰、粉煤灰用内掺法与素土先拌和均匀，然后将无水硫酸钠溶于蒸馏水，用喷壶喷洒的方法使混合料拌匀后放置密封袋内闷料24 h后，按设计指标称取相应的质量并迅速制样。此方法旨在使固化盐渍土试件中的水分布均匀并与固化剂充分接触反应。制样时采用双向静力压实法将混合土料分层压入试模内，稳定压力维持3 min，以消减土样的回弹，再用脱模器械将土样脱出，迅速编号并用保鲜膜包好放入保湿器中以保持其含水率不变，在室内室温条件下养护28 d。养护至规定龄期的试件分别用于无侧限抗压强度试验、界限含水试验、X线衍射试验、傅里叶变换红外光试验和物理吸附试验。

2  无侧限抗压强度试验

固化土试件的无侧限抗压强度是其力学性能指标的集中反映，它不仅与试件材料的性质有关，而且与试件的其他物理力学性质密切相关。取28 d固化土圆柱体试件进行无侧限抗压强度试验，试验操作过程严格参照GB/T 50123—1999“土工试验方法标准”。本试验采用CSS-WAW300型电液伺服万能试验机，应变速率设定为1%/min，试验数据由计算机自动采集，应力应变曲线的峰值强度或者15%应变对应的强度为试件的无侧限抗压强度。

表1  盐渍土洗盐后的部分物理性质指标

Table 1  Basic physical parameters of saline soil after desalting

图1所示为不同石灰掺入比条件下固化盐渍土的无侧限抗压强度与含盐量的关系曲线。由图1可知：含盐量在0.3%~5.0%范围内，不同石灰粉煤灰固化硫酸盐渍土的强度与含盐量的关系曲线变化规律基本一致，无侧限抗压强度随含盐量的增加先增大后减小，峰值强度对应的含盐量为1.8%。当土体含盐量小于1.8%时，随着SO₄^2-含量的增加，石灰粉煤灰固化土的强度升高，但当含盐量超过1.8%时，随着SO₄^2-含量的增加，石灰粉煤灰固化土的强度又会降低。以上试验结果说明土中含有一定量的SO₄^2-有利于提高石灰粉煤灰固化土的抗压强度。

图1  固化土的无侧限抗压强度与含盐量的关系曲线

Fig. 1  Curves of unconfined compressive strength vs. salt content of solidified soil

图2所示为不同含盐量条件下固化盐渍土的无侧限抗压强度与石灰掺入比的关系曲线。从图2可以看出：当含盐量小于2.8%时，固化土的无侧限抗压强度随石灰掺入比的增加先增大后减小，峰值点位于石灰掺入比9%处，石灰粉煤灰最优掺入比分别为9%和18%；当含盐量大于等于2.8%时，固化土的无侧限抗压强度随石灰掺入比的增加而非线性增大。试验结果表明在低含盐量情况下，添加的石灰和粉煤灰并不是越多越好。过量的石灰堆积在孔隙中，不能与粉煤灰充分结合，使得粉煤灰的活性不能被充分激发出来，两者之间的火山灰反应不完全，导致固化硫酸盐渍土试件抗压强度降低^[9]。

图2  固化土的无侧限抗压强度与石灰掺入比的关系曲线

Fig. 2  Relationship between unconfined compressive strength and lime content of solidified soil

3  界限含水率试验

界限含水率的测定是一种评估各种固化剂固化土性能改善的快速简单的试验方法。界限含水率和改良土的其他物理化学性质相关^[10-11]。按照GB/T 50123—1999“土工试验方法标准”，取28 d固化土加水搅拌后装入调土杯，放进保湿缸中静置24 h，采用圆锥质量76 g，锥角为30°的JDS-2型数显式液塑限联合测定仪进行测试。圆锥下沉深度为17 mm所对应的含水率为液限，圆锥下沉深度为2 mm所对应的含水率为塑限。

图3所示为9%石灰和18%粉煤灰固化盐渍土界限含水率与含盐量的关系曲线。从图3可以看出：与含盐量为0.3%的二灰固化土比较，其他含盐量的二灰固化土的液塑限都增大；含盐量为0.3%~1.8%时，液限和塑限逐渐增大，且塑限增加的幅度较液限的大；含盐量为1.8%~2.8%时，液限保持稳定，塑限逐渐下 降。因此，固化土的塑性指数随含盐量的增加呈现先减小后增大的趋势，含盐量为1.8%时取得最小值(图4)。

液塑限取决于土的矿物成分、粒度组成、表面交换能力以及吸附水膜的厚度。一般情况下，土体液限和塑限是由土中黏土矿物含量决定的。对于石灰粉煤灰固化不同含盐量的硫酸盐渍土，黏土矿物的含量不会发生较大的改变，因此液塑限的增大不是黏土矿物含量增加的结果。由于石灰粉煤灰固化土反应可生成比表面积大、分散度高、吸附水能力较强的C—S—H等具有凝胶性能的产物，只有在较大的含水率条件下才能达到流动或可塑状态^[12]，所以含盐量为0.3%~1.8%时固化土液塑限随含盐量的增加而增大，说明固化土体系中C—S—H凝胶类物质增加。一方面，Na₂SO₄可与Ca(OH)₂反应生成NaOH，增加固化土的碱性，粉煤灰呈弱酸性，因而在碱性环境中其活性易被激发生成更多的C—S—H；另一方面，SO₄^2-能置换出C—S—H凝胶中的部分SiO₄^2-，被置换出的SiO₄^2-在外层又与Ca²⁺作用生成C—S—H^[13]。已有研究^[14]表明：低塑性指数材料通常拥有更好的性能，含盐量为0.3%~1.8%时，固化土塑性指数不断降低，说明含盐量在一定的范围内，石灰粉煤灰固化硫酸盐渍土的固化效果随着含盐量的增加越来越好，这与无侧限抗压强度试验得出的结论基本一致。

图3  固化土的液塑限与含盐量的关系曲线

Fig. 3  Curves of liquid limit & plastic limit vs. salt content of solidified soil

图4  固化土的塑性指数与含盐量的关系曲线

Fig. 4  Curves of plastic index vs. salt content of solidified soil

4  X线衍射分析

采用荷兰生产的PANalytical X’Pert Pro 型X线衍射分析仪对含盐量分别为0.3%，1.8%和2.8%的石灰粉煤灰固化土样进行X线衍射分析，以探讨不同含盐量固化土生成产物的化学成分、物相特征。图5所示为9%石灰和18%粉煤灰固化不同含盐量盐渍土的衍射谱图。从图5可以看出：土样主要矿物成分为石英、方解石、钙矾石和白云石等，不同含盐量固化土的衍射谱图基本匹配，部分矿物衍射强度发生变化。当含盐量从0.3%~1.8%，钙矾石的衍射强度增至最大。由于硫酸钠和石灰共同存在，SO₄^2-在Ca²⁺的作用下可与在粉煤灰颗粒表面的凝胶及溶解于液相中的AlO^2-反应生成具有较高强度的钙矾石Aft^[15]，钙矾石在粉煤灰颗粒表面形成纤维状或网状的包裹层，其紧密度小，有利于离子的扩散渗透，使石灰碱激发粉煤灰活性的反应得以继续进行^[16]，因此在含盐量为1.8%时，固化土的无侧限抗压强度最大。当含盐量为1.8%~2.8%时，钙矾石的衍射强度降低，说明随着含盐量的继续增加，钙矾石的含量减少，从而导致固化土强度降低。

图5  不同含盐量固化土的XRD谱图

Fig. 5  XRD patterns of solidified soil at different salt contents

5  傅里叶变换红外光谱分析

与XRD相比，FTIR可以测出不同类型的化学分子，并且对于同时出现的不同化学物质的鉴别效果非常好^[17]。FTIR可有效用于极性基团的鉴定，适宜确定结合水、Si—O和Al—O等有关特征峰的位置。本试验采用Nicolet NEXUS-670型傅里叶变换红外光测定仪进行化学成分分析。将不同含盐量的二灰固化土捣碎、研磨过孔径为0.075 mm筛，以KBr压片法测试土样的FTIR图。

图6所示为9%石灰和18%粉煤灰固化不同含盐量盐渍土的FTIR谱图。在3 436 cm^-1处吸收峰是由水分子O—H键的伸缩振动引起的，在1 445 cm^-1 附近铝氧四面体和硅氧八面体的Si—O或Al—O键产生的对称伸缩峰、在1 026 cm^-1处的Si—O伸缩振动峰、876 cm^-1处的Si—O—Si或Si—O—Al对称峰、528 cm^-1处的Si—O弯曲振动峰和469 cm^-1处的Si—O—Si键的对称振动峰等吸收峰均在含盐量为1.8%时峰强最强，这表明在含盐量为1.8%时固化土结构相对最完整，因此具有较高的强度。

图6  不同含盐量固化土的FTIR谱图

Fig. 6  FTIR of solidified soil at different salt contents

6  物理吸附试验

土的比表面积是固态物质的表面积与其质量的比值，是土重要的物理化学性质。已有研究表明，比表面积不仅与土的矿物组成和含量密切相关，同时也与土的基本力学和物理性质存在明显的联系^[18]。土的孔隙性质包括土的孔隙总量及孔隙分布，同样对土的物理力学性质有着重要的影响。使用美国麦克(Micromeritics)仪器公司生产的ASAP 2020M和TriStar II 3020 V1.04全自动比表面与孔隙分析仪对不同含盐量土样的微观结构进行了测试。

表2所示为9%石灰和18%粉煤灰固化不同含盐量盐渍土的BET比表面积和直径1.7~300 nm的BJH孔隙体积、BJH平均孔径。从表2可以看出：随着含盐量的增加，固化土的比表面积和纳米级孔隙体积先增大后减小，纳米级孔径先减小后增大，均在含盐量为1.8%处达到最值。比表面积和孔隙特征的变化取决于石灰与粉煤灰中活性氧化铝、氧化硅发生水化反应生成的C—S—H，C—S—H凝胶类物质具有发达的比表面积，孔表面的吸附水吸引外界其他离子以趋于平衡，构成空间网架结构，从而改善了孔隙结构，提高了强度^[19]。

表2  不同含盐量固化土的微观孔结构

Table 2  Micro-pore structure of solidified soil at different salt contents

图7所示为9%石灰和18%粉煤灰固化不同含盐量盐渍土的孔径小于100 nm的孔隙体积与孔径的关系曲线。从图7可以看出：含盐量0.3%，1.8%和2.8%的固化土孔隙体积分布基本相同，峰值位于小于5 nm范围内，但是相对于含盐量为0.3%和2.8%的固化土，含盐量为1.8%的固化土孔隙体积峰值更大，说明固化过程形成了更多的孔径小于5 nm的孔隙。孔径大于5 nm孔隙体积随着孔径增大而先增大后减小，但是对于1.8%含盐量的固化土，孔径大于50 nm的孔隙消失。说明当含盐量从0.3%到1.8%，固化土形成了较多的小孔径的介孔孔隙，改善了孔隙分布特征，因此无侧限抗压强度增大。

图7  固化土的孔体积与孔径的关系曲线

Fig. 7  Relationship between pore volume and pore size of solidified soil

7  结论

1) 同一石灰粉煤灰含量下，无侧限抗压强度随含盐量的增加先增大后减小，峰值强度对应的含盐量为1.8%。同一含盐量下，当含盐量小于2.8%时，固化土的无侧限抗压强度随石灰掺入比的增加先增大后减小，峰值点位于石灰掺入比9%处，石灰粉煤灰最优配比为9%和18%；当含盐量大于等于2.8%时，固化土的无侧限抗压强度随石灰掺入比的增加而非线性 增大。

2) 含盐量为0.3%~1.8%时，液限和塑限逐渐增大，且塑限增加的幅度较液限大；含盐量为1.8%~2.8%时，液限保持稳定，塑限逐渐下降。固化土的塑性指数随含盐量的增加呈现先减小后增大的趋势，含盐量为1.8%时取得最小值。

3) 不同含盐量固化土的衍射谱图基本匹配，钙矾石的衍射强度发生变化，是强度发生变化的原因之一。含盐量为1.8%时固化土结构相对最完整。

4) 随着含盐量的增加，固化土的比表面积和纳米级孔隙体积先增大后减小，纳米级孔径先减小后增大，均在含盐量为1.8%处达到最值。不同含盐量的固化土孔隙体积分布基本相同，峰值位于小于5 nm范围内。孔径大于5 nm孔隙体积随着孔径增大而先增大后减小，但是对于1.8%含盐量的固化土，孔径大于50 nm的孔隙消失。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2017-03-05；修回日期：2017-06-07

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51469001) (Project(51469001) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：王生新，博士，研究员，从事黄土地基处理与地质灾害研究；E-mail: wangshx@lzu.edu.cn