极旱荒漠区超氯盐渍土固化的试验研究

孙 婧，陈海洋，刘 畅，张 治 ，李玉龙，田夏晓

(1.河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室， 河北 张家口 075000;3.河北张家口三和路桥有限公司，河北 张家口 075000)

0 引言

盐渍土是指含盐量超过一定数量的土[1].在《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)中定义盐渍土为易溶盐含盐量超过0.3%的土[2].目前，关于盐渍土形成原因的说法有很多，但归结为一点就是“盐随水走，水去盐留”[3].在我国，盐渍土分布范围广、面积大，主要分布在西北以及沿海地区，约占国土总面积的9.6%[4].相较于一般的土，盐渍土的三相体固相中不稳定结晶盐的存在使得固相与液相随着外界条件的变化而相互转化[5]，该特性对铁路、公路等工程产生了极大的危害.

随着国家经济的快速发展,这一危害对西北及沿海地区的建设造成了巨大的阻碍.为了减少盐渍土对工程的危害,加快西北以及沿海地区的建设,研究人员对于盐渍土的改良提出了多种改良方案.王勇[6]等人以江苏海门地区典型的滨海盐渍土为研究对象，探讨了水泥/石灰对滨海盐渍路基土性能的影响；王琦[7]等人结合潍坊滨海地区的盐渍土的特性，利用水泥固化土、二灰碎石土以及石灰固化土对盐渍土的性能进行了改善；周永祥[8]等人以西北地区盐渍土作为研究对象，并用矿渣、粉煤灰和水泥作为固化剂，对其固化盐渍土的干缩与湿胀特性进行了研究.吕擎峰[9]进行了不同温度下改性水玻璃碱激发粉煤灰固化盐渍土试验，研究了温度改性水玻璃固化盐渍土的强度和冻融循环耐久性；还研究了水玻璃、粉煤灰和石灰联合固化盐渍土的最优配比.杨久俊[10]等人以氢氧化钠-水玻璃复合碱溶液激发制备盐渍土土质胶凝材料的强度为指标,探讨了盐渍土碱化学激发的效果.在水玻璃固化盐渍土研究方面，水玻璃多用作地聚物胶凝材料如粉煤灰等的碱性激发剂，很少有学者涉及单独使用水玻璃固化超氯盐渍土的研究.氯盐渍土中Cl-含量越高，固化的难度越大，在实际工程建设中，还必须考虑成本的问题.因此，固化效果和成本控制就成为首要的考虑因素；其次，还必须同工程建设相结合，原料易于取得.

本文针对西北极旱荒漠区生态环境极为脆弱，超氯盐渍土大量分布，对交通干线的建设产生极大危害的现象，以超氯盐渍土作为对象，选用廉价易得的水玻璃作为固化剂，分别对其抗折、抗压强度、吸湿性以及耐候性进行分析，以期为超氯盐渍土的改良提供一份可靠的资料.

1 原料与试验方法

1.1 土样

土样取自青海省柴达木盆地极旱荒漠区，要求试验土样颗粒粒径小于1.18 mm.经检测，以Cl-计算含盐量，土中含盐量高达30%，属超氯盐渍土.土样的物理性质见表1.

表1 土样的物理性质Tab. 1 Physical properties of soil samples

1.2 土壤固化剂

试验采用水玻璃作为土壤固化剂，购自张家口市意恒水玻璃厂.模数n=2.4，初始浓度34%，密度1380 kg/m3，固含量34%.

1.3 试验方法

根据试验需要，将土样粉碎，取颗粒粒径小于1.18 mm的备用.试块制备时采用水泥胶砂试条的试模的制作，试块规格为40 mm×40 mm×160 mm的长方体.由于在拌和的过程中，随着水玻璃浓度的增大，固化反应速度加快，则要求拌和、填模的速度要快，时间要短.填模后，在压力机上压实，带模在自然条件下养护24 h后脱模，继续养护24 h后测强.本研究选取的水溶液初始浓度为24%，比较黏稠，不利于物料的拌和与反应，故用水稀释到12%、14%、16%、18%，根据试块固化情况，研究不同浓度对试块的影响，同时为了研究在不加盐渍土情况下，数据玻璃和纯NaCl反应过程，课题组还进行了浓度为18%水玻璃溶液固化纯NaCl的试验.

1.4 性能表征

1.4.1 强度试验

抗压性能测试采用无锡新路达仪器设备的TYA-300型电液式压力试验机，参照《混凝土强度检验评定标准》(GB/T50107-2010)进行；抗折强度测试采用无锡市锡仪建材仪器厂WAY-600型电液式压力试验机，参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)进行.

1.4.2 吸湿性试验

模拟自然条件下毛细吸湿现象，在容器中铺放一定厚度的湿砂，使含水率达到20%，再于该面上平铺干砂，厚度50 mm.将养护好的试块称重后置于该面上，注意试块之间保持一定的间距，并用薄膜将其全部覆盖.放置24 h之后，测量吸湿高度，取平均值.再次进行风干并称其质量，分析质量损失，并测其抗折和抗压强度，分析强度损失情况.

1.4.3 耐候性试验

水玻璃在自然条件下受到光热辐射、氧化、雨淋等自然条件的影响，会产生性能的变化.由于张家口的气候环境与西北地区相似，为此，选择在张家口地区进行耐候性测试，在昼夜温差大、紫外线强烈的3～4月份进行.将硬化24 h后的试块，置于室外平整的露天场地上，接受风吹、日晒、雨淋，30 d后测试其强度变化和质量损失.

1.4.4 显微结构试验

试块养护结束后将其劈开，取中间段作为样品，采用FEI公司产Nova Nano450型场发射扫描电镜观察断面的显微结构.

1.5 试验配比

因为水玻璃浓度越大，固化时间越短，因此选用18%浓度的水玻璃溶液来做掺量调整试验.根据土样基本物理性能的测试，试验用盐渍土的最优含水率为10%，在固化试验块制备过程中，水玻璃的掺入质量百分比根据最优含水率是10%，但实际掺入量要通过拌和均匀程度、固化时间和脱模时间来确定.经试配当水玻璃溶液浓度为18%，掺入量为10%时，盐渍土物料比较干燥不易拌匀，因此逐渐调大掺量到12%,14%,16%,18%,20%.

2 结果与讨论

2.1 固化剂掺量的确定

表2 为配制的18%浓度的水玻璃溶液，以不同质量百分比掺量加入到盐渍土中，固化时间和脱模时间变化结果.脱模时间是指拆模时，时间保持一定形状，不会溃散.固化时间是指试块具有一定的硬度，可以测强，不包括脱模时间.

表2 水玻璃掺量对盐渍土固化的影响

从表2中的数据可知，水玻璃掺量越大，制备时越容易将物料混合均匀，过小12%的掺量不能充分润湿物料，过大到20%时，拌和物在压制时出现泌水.而脱模时间和固化时间，随水玻璃掺量增加明显延长.水玻璃的固化是一个生成的硅胶逐渐失水，逐渐干燥而硬化的过程，因此溶液越多，失水越缓慢，强度发展越慢；当掺量增大于20%是，还会出现试块表面形成硬壳，内部水分跑不出去，芯里松散的情况.因此，综合固化情况来看，把水玻璃掺量固定在18%，即可拌匀又可充分硬化，再进行后面的性能试验.

2.2 固化盐渍土的强度分析

图1为24 h后不同浓度水玻璃固化盐渍土的抗折、抗压强度变化曲线.由图1可知随着水玻璃浓度的增加，固化盐渍土的抗折、抗压强度逐渐增大.特别是水玻璃的浓度在16%及以上时，固化盐渍土的抗折、抗压强度增加明显.当水玻璃浓度超过18%以后，根据制备中的现象观察，由于水玻璃浓度过大，在搅拌过程中，局部盐渍土已经固化出现硬块，虽然仍有较高的强度，但大大影响了试件的匀质性，故而没有再增加掺量.

图2是水玻璃固化纯NaCl的SEM照片，从图片中的颜色对比可以看出，水玻璃固化之后只含有两种物质，颜色较浅的为NaCl，颜色较深的为硅酸盐凝胶，并且硅酸盐凝胶处于NaCl的交界处缝隙当中，将NaCl胶结起来，整体看上去结构较为密实.由此也可以断定在水玻璃对超氯盐渍土的固化过程中，水玻璃并没有与NaCl发生反应，所起的作用只是水玻璃与土样中的碱土金属发生反应形成硅酸凝胶，并堵塞空隙以及裂缝或者将土颗粒胶结，使其结构变得更加密实.这也是为什么随着水玻璃浓度的增加，固化盐渍土的抗压、抗折强度逐渐升高的根本原因.

图1 24 h后固化盐渍土的抗折、抗压强度变化曲线Fig. 1 Bending and compressive strength curve ofcuring saline soil after 24 h

图2 浓度为18%水玻璃固化NaCl的显微图片Fig. 2 Microscopy image of 18% sodium silicate hardened NaCl

图3是浓度为12%水玻璃固化盐渍土的显微结构，图4是18%水玻璃固化盐渍土的显微结构.

图3 12%浓度水玻璃固化盐渍土的显微结构Fig. 3 Microstructure of 12% concentrated water glass cured saline soil

对比图3、图4可以明显地看出，水玻璃浓度增大后，与土样中的碱土金属发生反应形成硅酸凝胶的量也增大，颗粒和颗粒之间填充硅胶越多，固化结构越密实，故而试块的固化强度提高.

图4 18%浓度水玻璃固化盐渍土的显微结构Fig. 4 Microstructure of 18% concentrated water glass cured saline soil

2.3 固化盐渍土的吸湿性能分析

荒漠区虽然其后条件极为干旱，但是地下水位却时常变化，当地下水位接近固化带时，就要考虑毛细吸水作用而产生的吸湿性.为了研究固化盐渍土的稳定性，本文在模拟自然条件下对固化盐渍土进行了吸湿试验.表3为不同浓度水玻璃固化盐渍土吸湿24 h之后质量损失.测试完质量损失之后将其干燥，对其进行抗折、抗压测试.

表3 固化盐渍土吸湿试验结果Tab. 3 Results of cured saline soil moisture absorption test

由表3可以看出，随着水玻璃浓度的增加，吸潮后的固化盐渍土的平均高度是逐渐增高的，相应的质量损失是逐渐增大的.由此也可以确定，水玻璃固化后的盐渍土的防水性是随着水玻璃浓度的升高而逐渐降低的.图5是不同浓度水玻璃固化盐渍土吸潮后的抗折、抗压强度变化曲线.由图5可以看出，随着水玻璃浓度的升高，吸潮后盐渍土的抗压、抗折强度先升高后降低.特别是当水玻璃的浓度达到16%时，其抗压强度下降的最为显著.当水玻璃的浓度达到18%时，盐渍土吸潮后的抗压、抗折强度达到最低.水玻璃本身具有亲水性，水玻璃浓度越高，固化后盐渍土的防水性能越差，强度有所降低.同时有文献[11,12]指出，水玻璃在固化土的过程中，期初会与土中Al3+反应生成大量的硅胶Si(OH)4，但是随着时间的延长，Al3+会替代一部分Si4+并且在凝胶结构中形成Si-O-Al键.然而Si-O-Al键会在潮湿的环境中发生断裂，从而影响水玻璃的固化效果.但在试验过程中发现，吸湿后试块在没有受到外力作用条件下，如果再次进入干燥的环境，失水后试块又可恢复到原来的强度，处于一个动态平衡的状态.

图5 固化盐渍土吸湿后的抗折、抗压强度变化曲线Fig. 5 Bending and compressive strength curveafter cured soil moisture absorption

2.4 固化盐渍土的耐候性能分析

由于西北荒漠地区具有日照时间长、早晚温差特别大等特点.因此，对固化试块进行耐候性能的分析是十分有必要的.将水玻璃固化后的盐渍土放在室外，让其在的风吹、日晒、雨淋、紫外线辐射等自然条件下测试其耐候性.放置30 d以后，将其干燥并测量质量的损失和抗压、抗折强度.

表4是不同浓度水玻璃固化盐渍土耐候性试验质量损失.

表4 不同浓度水玻璃固化盐渍土耐候性试验质量损失Tab. 4 Mass loss of different concentrations ofwater glass cured saline soil in the weathering test

由表4可以看出，随着水玻璃浓度的升高，在自然环境下放置30 d后固化盐渍土的质量损失是逐渐增大的.这种现象的出现可能有两方面的原因:一方面是由于张家口地区的风速比较大造成；另一方面是由于水玻璃的防水性较差，固化盐渍土吸收空气中的水分造成的.图6是不同浓度水玻璃固化盐渍土吸潮后的抗折、抗压强度变化曲线.随着水玻璃浓度的升高，耐候性试验后盐渍土的抗压、抗折强度逐渐升高.特别是抗压强度升高的速率明显增大.相对于2.1节中没有经过耐候性试验的固化盐渍土，在数值上抗压、抗折强度没有下降，反而升高，并且升高比例较大.在CO2中水玻璃的凝结固化与石灰的凝结固化非常相似[13]，而自然环境下CO2的浓度较高，CO2作为一种干燥性较强的气体，它可以加速水玻璃的干燥过程，并导致硅胶脱水而凝结固化.因此，水玻璃固化的盐渍土在室外放置的过程中，其虽然经受日晒、雨淋等，但其中硅胶的不断脱水、硬化，从而使得最终固化盐渍土的抗折压、抗折强度没有降低，反而升高.

图6 固化盐渍土耐候性试验后的抗折、抗压强度变化曲线Fig. 6 Bending and compressive strength curve ofcured saline soil after weathering test

3 结论

对于含盐量超过8%的超氯盐渍土，水玻璃的固化效果与水玻璃的掺量、浓度密切相关.当浓度为16%水玻璃溶液在盐渍土中的掺量是18%时，固化盐渍土的抗折、抗压强度增加明显，固化后显微结构越密实.固化盐渍土的吸湿性是反映水玻璃固化效果的重要因素.固化盐渍土的吸湿性是随着水玻璃浓度的升高而逐渐增加的，水玻璃浓度较高时，固化盐渍土的强度降低越明显；但再次失水后，试块又可恢复到原来的强度，处于动态平衡状态.耐候性是反映固化盐渍土的稳定性和耐久性的重要因素.水玻璃固化盐渍土经耐候性试验后，虽然质量有所损失，但抗压、抗折强度逐渐升高，并且升高的数值较为显著，耐候性能优异.在极旱荒漠区利用水玻璃作为固化剂，对超氯盐渍土来说是一种有效的土壤改良剂.水玻璃廉价易得，固化效果好，易于工程应用.