低液限粉土填料掺盐抑制冻胀效果研究

沈宇鹏， 汤天笑， 刘建坤， 田亚护， 蔡小培

(1. 北京交通大学 土木建筑工程学院， 北京 100044；2. 北京交通大学 北京市轨道交通线路安全与防灾工程技术研究中心， 北京 100044)

随着基础建设尤其是交通运输行业的蓬勃发展，季节性冻土地区出现的一系列工程病害得到越来越广泛的关注，其中最常见病害为土体的冻胀和融沉[1]。冬季冻胀会导致地基隆起，房屋建筑上表现为建筑物开裂、变形甚至倒塌；而在铁路上，路基冻胀会造成线路的不平顺，导致行车困难[2-3]；而春季土层上部积聚的冰晶体的融化，导致土中含水量大大增加，加之细粒土排水能力差，土体容易达到饱和状态，强度大大降低，在车辆反复碾压下，路基本体出现翻浆冒泥，线路不均匀沉陷，严重制约着行车速度，影响行车安全[4-6]。冻胀一般分为原位冻胀和分凝冻胀，大部分冻胀都属于分凝冻胀[7]。分凝冻胀的产生都伴随着水分的迁移，在温度梯度的作用下，土中水分由暖端向冷端迁移，在冻结缘凝结成冰；冻结后土体积增大，产生一系列冻胀问题[8-9]。因此，在季节性冻土地区，降低土体冻结温度是抑制冻胀的重要措施之一。

在季节性冻土区处理冻胀常用的办法有隔水、换填、提高压实质量、设置隔离层等措施[10-12]。许健[13]等采用A、B组填料换填处理沈哈线路基冻胀，结果表明此处理方法可明显减小路基的冻胀力和冻胀变形。田士军[14]采用级配碎石掺水泥的方法，填筑哈大高速铁路路基，使路基细粒土的冻胀敏感性得到了显著降低。在季节性冻土区高速公路改进方面，翟强[15]采用了土工格栅+塑料排水板与提高路堤高度相结合的方案进行处理，抑制了地基明显隆起和融沉现象的产生。李明霞[16]将EPS保温板铺设在秦沈客运专线涵洞路基中，使得路基中冻结深度减小，冻胀缓解。目前，减少冻胀措施研究主要集中在改变土体颗粒成分、降低土体含水率、提高压实度或采用隔温板阻挡土体内部温度降低等方面，而有关降低土体起始冻结温度的研究成果较少。本文通过掺盐降低土体内部起始冻结温度，达到减小冻胀的效果。

神(木)朔(州)铁路位于我国西北地区，入冬后气温较低，且低温持续时间长，季节性冻土分布广泛。对该铁路沿线路基冻害的统计分析表明，路基冻融病害主要表现为不均匀的冻胀和融沉。神朔铁路神池段(K223+300)路基为深路堑，填料为细颗粒粉土，冻害现象十分严重；由于该处路基临近隧道口，采用提高路堤高度以及铺设隔温板抑制冻胀均受限制。考虑盐对土壤冻结温度的影响，拟采用掺盐法抑制土体冻胀。通过对掺入不同盐分和盐含量下填料冻胀的敏感性分析，得到一种掺盐抑制冻胀的可行性措施。

1 加盐抑制冻胀的机理分析

1.1 盐分降低冰点的机理

土体温度降至冰点后，内部水分结晶，体积增大，从而出现冻胀现象，因此抑制冻胀的本质是抑制土体中水分冻结。土体中水分由于受土颗粒表面能和水中杂质的影响，其冰点即冻结温度会略低于纯水在标准大气压下的冻结温度(0 ℃)[17]。

水发生相变，变为冰的过程中，需经历不同阶段的变化，使得结冰温度比土中孔隙水的起始冻结温度略低，因此可以考虑降低土中孔隙水的冰点，抑制土体冻胀[18]。溶液化学势随温度的增加而减小，当减小到一定值时，溶液达到冰点。在水中掺入一定量的盐后，溶剂浓度降低，溶液化学势也随之降低[19]，因此掺盐可降低溶液冰点，见图1。

1.2 含盐量对降低冰点的影响

当盐溶液浓度较低时，溶液浓度是影响冰点降低值的主要因素[19]。当盐溶液浓度增大时，溶剂与溶质的相互作用增大，冰点降低值取决于溶质的性质[19]。当溶液浓度很低时，冰点降低值与溶液浓度和冰点降低常数呈线性关系，表达式为

ΔTF=KF·b·i

( 1 )

式中：ΔTF为冰点降低温度(纯溶剂冰点与溶液冰点的差值)，℃；KF为冰点降低常数，K·kg/mol；b为溶质质量摩尔浓度，mol/kg；i为溶质的离子数。

由式( 1 )可知，溶液的冰点随溶液浓度的增加而下降。式( 1 )没有体现溶质的性质，只适用于低浓度溶液中冰点降低的计算。当溶液溶度较高时，需要更准确的计算公式，Ge和Wang[20]提出的公式为

ΔTF=

( 2 )

2 试验方法

根据分析可知，在土中掺入一定比例的盐，可降低土中孔隙水的起始冻结温度，抑制土体冻胀。

2.1 试验材料

为研究神朔重载铁路路基填料掺盐抑制冻胀效果，试验土体采用冻害段(K223+300)路基填料，表1为试验土体的物理力学指标，图2为试验土体的颗粒级配曲线。

表1 试验土体基本物理指标

筛分结果为：砂粒56.4%，粉粒29.54%，黏粒14.06%，细粒含量为43.6%，填料属于细粒土质，根据其液塑限，参照铁路工程岩土分类标准[21]，填料属低液限粉土。

选取NaCl和Na2SO4为试验用盐，两者均符合试验用盐的规定。根据规范定义[22]，土体中易溶盐质量与干土质量的比值称为土的含盐量。结合盐渍土的定义和路基填料的基本性质，在试验土中加入不同掺入量的NaCl和Na2SO4，分别代表强、中、弱盐渍土，见表2。

表2 不同盐分的掺入量(质量分数) %

2.2 试验方法

(1) 试验设备

为测定不同盐成分及含盐量对土体冻胀的影响，在封闭条件下进行单向冻结试验，试验过程中保持土样的初始含水率相同。试验装置为高15 cm、直径15 cm的单轴冻结桶，桶侧面从上到下每隔2 cm设置小孔，用于插入温度传感器。冻结桶顶部和底部连接冷浴，冷浴精度为0.1 ℃，见图3。

(2) 试验过程

在试样制备前，对填料进行易溶盐清洗(洗盐)，过滤可溶性盐。在试样制备的过程中，按照表2中的掺入量将NaCl或Na2SO4掺入5 kg的土中，充分拌合，并加入900 g水搅拌，使试验开始前土样的初始含水率达到18%。待水、盐、土混合均匀后，装入保鲜袋中，确保保鲜袋密封良好，在冷冻室静置72 h后将土样盛放至试样桶中，压实度控制为0.97，分层压实。试验过程中冷端温度取-8 ℃，暖端温度取1 ℃。在冻胀开始前将冷端和暖端均调至1 ℃，待土样温度均降至1 ℃后，将冷端温度调整至-8 ℃，冻胀开始。在试样桶顶部放置电子位移计，试验开始后记录土样的冻胀量变化，连续冻胀48 h后，结束试验，在低温室拆样，并将土样按每3 cm为一层进行切片，测定土样各位置的含水率。

3 试验结果与分析

3.1 起始冻结温度

图4为掺入NaCl土体和掺入Na2SO4土体在含盐量不同时的冻结温度。根据图4可知，土体冻结温度随含盐量的增加而降低。当土体NaCl含量为0%、0.4%、1.5%、2.0%时，土体冻结温度分别为-0.26、-1.6、-6.2、-11 ℃，当土体掺入NaCl后，随着NaCl含量的增加，土体冻结温度急剧下降。当土体Na2SO4含量为0.4%、1.5%、3.5%时，土体冻结温度分别为-0.6、-1.6、-2.7 ℃，土体冻结温度随Na2SO4含量的增加也有下降趋势，但和掺NaCl土体的冻结温度下降量相比，其下降量很小，且下降趋势逐渐变缓。这是由于在土中掺入Na2SO4后，会与土中水结合，生成Na2SO4·10H2O，导致土中初始含水率降低，而土体冻结温度会随着含水率的降低而降低。NaCl不会改变土体含水率，冻结温度下降主要是由于NaCl性质对溶液冰点的影响。

3.2 冻结后土体温度

图5为掺入NaCl土体在冻结过程中其内部温度的变化，其中NaCl掺入量为0.4%。由图5可知，土柱不同位置处的温度随时间的增长而逐渐降低，同时在一些时间节点上会出现温度回升，这是因为此时土体中的水分发生相变，释放热量，土体内部温度出现跳跃现象。土体温度在冻结7 h后趋于稳定。

图6为试验土柱在温度稳定后不同位置处的温度，对试验温度结果进行拟合，得出温度与土柱高度的关系为

T=1.12-0.595H

( 3 )

式中：T为土柱不同位置处的温度，℃；H为土柱的高度，cm，暖端即土柱底部H取0 cm。

式( 3 )可以计算出土体不同位置在冻结稳定后的温度，根据测得的掺入不同类型盐的土体起始冻结温度，可以得出土体在不同含盐量条件下的冻结深度。

3.3 水分迁移

图7～图9为在温度梯度作用下土体内部的水分迁移，由图7、图8可知，在土中掺入NaCl或Na2SO4后，土体内部的水分迁移量减小。当NaCl含量为0%和0.4%时，不同位置处含水率最大值分别为24%和21%，土体内部水分在2%NaCl含量时不发生迁移，随着NaCl掺入量的增加，水分迁移量减小。当Na2SO4含量为0.4%和2.2%时，土体内部最大含水率分别为22.8%和21%，水分迁移量随Na2SO4掺入量的增加而减小。土体中最大含水率出现在冻结缘附近，由冷端至冻结缘，土体内部含水率逐渐增加，由冻结缘至暖端土体含水率逐渐减小。

由图9可知，当土体中NaCl和Na2SO4的掺入量均为1.5%时，相比于Na2SO4，掺入NaCl的土体最大含水率出现位置上升，土体冻结深度减小。由图4和图6可知，掺入NaCl可降低土体的起始冻结温度，使土体的冻结深度减小，冻结缘位置上升。土体最大含水率在掺入Na2SO4后位置无明显变化，冻结深度变化不明显，水分迁移量随着Na2SO4掺入量的增加而减小，主要因为Na2SO4与土中水结合生成Na2SO4·10H2O，导致土中自由水减少，水分迁移量减小。

3.4 土体冻胀变形

图10和图11为不同含盐量条件下土体在冻胀试验结束后的冻胀变化量。

由图10、图11可知，土体冻胀量随含盐量的增加而减小。冻胀前期(0～7 h内)，土体冻胀量较小，冻胀速率缓慢，土体内部冻胀类型主要为原位冻胀和部分分凝冻胀；冻胀量增长值在冻胀中期(7～16 h左右)时最大，约占整体冻胀量的50%，土体内部冻胀类型主要为分凝冻胀；冻胀后期(16 h以后)，冻胀速率减缓，且冻胀稳定时间随含盐量的增加而缩短。

图12为NaCl、Na2SO4掺入量不同条件下土体的最大冻胀量，当土体NaCl掺入量为0%、0.4%、1.5%、2.0%时，土体冻胀量分别为1.97、0.71、0.28、0 mm，冻胀率分别为1.79%、0.70%、0.62%、0%，在土体中掺入NaCl可有效抑制土体冻胀。当Na2SO4掺入量为0%、0.4%、2.2%、3.5%时，土体冻胀量分别为1.97、1.76、0.79、0.33 mm，冻胀率分别为1.79%、1.60%、0.74%、0.31%，NaCl抑制土体冻胀效果明显好于Na2SO4，且在试验过程中，加入Na2SO4的土体会产生一定的盐胀现象。

3.5 冻胀速率

单位时间的冻胀量定义为冻胀速率，具体计算为

V=(S1-S2)/2

( 4 )

式中：V为冻胀速率，mm/h；S1、S2为每隔两小时后的冻胀量，mm。

图13、图14为冻胀速率的变化曲线。

由图13、图14可知，在土体中掺入NaCl和Na2SO4后，冻胀速率减小，掺入NaCl后土体的冻胀速率减小量大于掺入相同质量Na2SO4的土体。0～7 h内冻胀速率随时间的增加先增大后减小，这是因为冻胀刚开始时，土中部分水分来不及迁移，发生原位冻胀；随后冻胀速率继续增大，并在12～16 h左右达到最大值，之后冻胀速率减小并趋近于0，这是因为水分不断从暖端迁移至冷端，土体上部水分趋于饱和，下部水分含量减小，水分迁移减少，冻胀速率降低，冻胀在24 h后趋于稳定。

4 结论

(1) 土体起始冻结温度随着土中含盐量的增加而降低，掺入NaCl土体的起始冻结温度下降程度大于相同掺入量条件下掺入Na2SO4的土体。

(2) 随着NaCl的掺入，土体内部的水分迁移量减小，最大含水率出现位置向冷端靠近，且冻结深度减小；随着Na2SO4的掺入，水分迁移量减小，最大含水率大致出现在同一位置，冻结深度无明显变化。

(3) 掺入NaCl和Na2SO4均能抑制土体冻胀的产生，且土体冻胀量随含盐量的增加而减小。当NaCl含量增至2.0%时，土体不产生冻胀，当Na2SO4含量增至3.5%时，冻胀量为0.33 mm。NaCl抑制土体冻胀效果强于Na2SO4，且掺入Na2SO4后土体出现盐胀现象，因此优先选取NaCl抑制土体冻胀。

(4) 土体冻胀速率随含盐量的增加而减小。0～7 h内冻胀速率随时间的增加先增大后减小，随后继续增大，并在12～16 h左右达到最大值，之后冻胀速率减小并趋近于0；这是因为水分不断从暖端迁移至冷端，土体上部水分趋于饱和，下部水分含量减小，水分迁移减少，冻胀速率降低，冻胀在24 h后趋于稳定。

通过封闭条件下的室内冻胀试验可知，掺入NaCl能有效抑制神朔铁路低液限粉土填料的冻胀；工程应用中，掺入过量的NaCl会造成盐分流失和环境污染；因此通过研究给出不发生冻胀的NaCl掺入界限值，将掺入量控制在1.5%～2%之间，不仅能有效抑制冻胀，而且经济环保。