冻融条件下应用粉煤灰改良盐渍土性能研究综述

程 卓 杨 政 李雨桐

(1.东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.长安大学，陕西 西安 710064)

盐土和碱土及盐化、碱化后的土壤总称为盐渍土。在公路工程中盐渍土一般指，地表下1.0 m深的土层易溶盐平均含量大于0.3%的土[1]，其具有融陷、盐胀以及腐蚀等工程特性[2]。盐渍土在我国分布广泛，但主要分布于西北、华北和东部沿海地区，其中西部六省(陕、甘、宁、青、蒙、新)分布最为集中，其盐渍土总面积约占全国盐渍土面积的66%以上[2]，见表1。

表1 中国部分省盐渍土面积

近年，我国的公路、铁路的建设蓬勃发展，随之公路和铁路穿越盐渍土区域所面临的问题愈发突出。含盐量较高地区，盐分会使路面强度降低、封层作用减弱，从而破坏路面。盐胀、翻浆、溶陷和腐蚀等是修建于盐渍土地区的公路最常面临的问题。路基遭受破坏后会出现不规则变形，沥青面层起皮、脱落和网裂等病害，严重削弱道路的耐久性和稳定性[3]。目前大量学者基于盐渍土开展了许多研究，在盐渍土病害机理、盐渍土路基的抗性、冻融循环作用对盐渍土特性的影响以及应用盐渍土对盐渍土特性改良方面较多，但多从工程效应出发，对于盐渍土病害产生机理以及改良后的综合特性研究较少，且研究所用的盐渍土具有一定的区域局限性[4]。本文尝试通过总结目前冻融作用对盐渍土特性影响以及粉煤灰对盐渍土特性改良情况，以期对相关盐渍土地区道路工程建设提供借鉴。

1 冻融循环作用对盐渍土特性影响

在冻融循环作用下，土粒间水分发生冻结与融化，盐分发生结晶与溶解，造成土体内部结构发生变化，导致土体强度下降，稳定性和耐久性降低。路基长期如此会导致其整体结构发生破坏，从而严重影响其工程性质。在微观上主要表现为，土粒间空隙发生不均匀变化，土体的整体密实度降低。冻融循环作用所导致的土体冻胀和盐胀会改变土体内部结构，在冻融过程中发生的水盐迁移在影响盐渍土工程性质的同时，也会在土体局部也加剧盐胀和冻胀[5]，从而对土体工程造成性质更大的影响。

盐胀大多发生在硫酸盐含量较高的盐渍土中，由于硫酸钠晶体吸水发生体积膨胀，导致土粒间孔隙增大，表现为土体松散，体积膨胀[7]。冻胀是由于土粒间水分在冻融循环的作用下，不断发生冻结融化，造成土粒粒间距离发生改变，其宏观表现为土体膨胀、地表出现不均匀隆起[8]。大量学者基于硫酸钠含量较高的盐渍土，在反复冻融条件下，开展大量研究土体变形规律。盐渍土发生冻融作用时的温度、颗粒级配、所受荷载大小、含盐量以及冻融循环次数均被证明影响盐渍土的盐胀和冻胀。

1.1 温度

温度的高低会影响盐渍土盐胀和冻胀的发生。牛玺荣等[6]研究发现冻融循环的温度会影响盐渍土的盐—冻胀，依据盐渍土体的变形情况划分其变形温度区间，在第一阶段10 ℃～20 ℃，盐渍土体积变化主要为盐胀；第二阶段-3 ℃～10 ℃，土体变形包括盐胀及冻胀；当土体位于温度低于-3 ℃的阶段，冻胀为其主要体积变化。并得出以下关系式，表达单位土体盐胀量。

(1)

其中，Δ为盐胀引起的体积变化；θ1为初始含水率；n为土体原始孔隙率；r1,r2分别为降温前后的溶解度。

杨鹏等[7]使用粒粒渍土开展试验，结果表明试样处于负温状态不会立即冻结，温度低于-0.2 ℃时，试样出现盐—冻胀现象，并且此时试样盐—冻胀力增长剧烈。张磊，吴亚萍等[8]，研究表明当盐渍土属于细粒土时，其盐胀临界温度相交较同条件下粗粒盐渍土更高，且细粒粘性土的盐胀临界温度明显高于同条件下其他类型土。类似的，万旭升等[9]试验发现，盐渍土硫酸盐含盐量小于4%时，在-4 ℃～13 ℃之间时土样更容易发生盐胀，在其他温度范围内盐胀现象不明显或者不发生盐胀。

1.2 含盐量

含盐量被认为是直接影响盐渍土的盐胀程度的因素，在一定条件下含盐量的增加会促进盐渍土盐胀现象的发生。李国玉等[10]试验发现在冻融循环过程中，含盐量较大时变形以盐胀为主；含盐量较小时，变形以冻胀和融沉为主，虽然可能存在盐胀，但其对土体变形影响远小于盐胀造成的影响。同样的结论也在张莎莎，杨晓华等[11,12]研究中得到证明。张莎莎等[5]进一步研究发现，在冻融循环工况下，含盐量3.0%的盐渍土试样冻融循环初期变形大于含量为1.5%的盐渍土试样。然而，在第五个周期之后结果则发生了翻转，含盐量1.5%的土样变形较大。方建红等[13]从微观上对盐渍土发生盐胀现象进行分析，建立了计算硫酸钠结晶量的理论公式，并推导得出了如下计算公式:

(2)

其中，ΔV为盐渍土体积膨胀量;hmax为土壤试样上边界高度;dy为试样y方向位移；R为试样横截面半径；x为试样横截面所求点到圆心的距离。

1.3 荷载

现有研究表明，荷载的施加可以对盐渍土的盐—冻胀起到一定的抑制作用。董晓明[14]，文桃[15]，刘凯[16]，Huang L等[17]研究均表明：在其他条件均恒定的情况下，荷载对盐渍土冻胀及盐胀具有一定的抑制作用，且抑制程度随荷载的增加呈现出递增的趋势。同时试验结果表明，盐渍土所受荷载的增减对于冻结温度的影响较小。Zhao Y等[18]应用硫酸钠盐渍土在动荷载条件下开展相关试验，进一步研究了动荷载作用对盐渍土的粘聚力、内摩擦角以及强度等参数的影响，并提出了考虑围压、加载动应力比和含盐量的动态临界状态函数。

1.4 冻融循环次数

很多学者对盐渍土在冻融循环条件下开展了大量试验，冻融循环次数被证明会影响盐渍土的粒间距离进而改变其工程性质。文桃[15]基于西北地区硫酸盐渍土开展的冻融循环次数单变量试验表明，在荷载一定的情况下，试样盐—冻胀量随冻融循环次数的增加呈现出先增加后减小的趋势，在此过程中试样的干密度呈现出逐渐减小趋势，并且取土深度的增加会削弱土样干密度的变化速率。董晓明等[14,19,20]研究发现，随着冻融循环次数的增加，早期盐渍化土壤迅速结晶，破坏了土体原有的胶结结构或点接触结构，从而部分破坏了大孔隙结构，导致盐渍化土壤盐膨胀率先增大后减小。Zhang S等[21]研究中也得到了类似关于冻融次数和盐膨胀率的结论。

综上所述，盐渍土在冻融循环条件下的盐—冻胀性质受温度、含盐量、所受荷载以及冻融循环次数等因素的影响，不同因素对于其影响程度的大小也各有不同。目前，在单因素影响的条件下的有关盐渍土冻胀和盐胀的研究，已经取得了较多的试验成果，可以较好地解释在该因素影响下盐渍土发生冻胀和盐胀机理。借助计算机软件建立的相关拟合计算公式可在单因素的条件下得到较好地拟合结果。但是在实际工况下，各因素很少单独影响最终盐渍土的性质，大多共同作用影响盐渍土的最终性质，而且不同因素共影响盐渍土性质的规律和作用机理相对复杂。一定情况下，不同影响因素间也存在着相互制约的关系，例如当荷载增加到一定程度，冻融次数的增加不会导致盐渍土试样冻—盐胀量增加。目前，对于多因素相耦合的盐渍土冻胀和盐胀性质试验研究仍是研究的重点。

2 冻融循环条件下盐渍土的水盐迁移

冻融循环作用会加剧路基土中水和盐分的迁移速率。水盐向上层路基土快速迁移会导致上层路基盐渍化速率加快，破坏道路的路基结构，增加后期道路运营维护成本，降低道路的安全性和使用寿命[22-24]。

Muyen等[25]结合澳大利亚西南部的土质特性，开展大量室内渗流实验，基于贝叶斯公式结合实验数据对所取试样的溶质迁移特性开展研究，并在已有研究基础上基于该地区土质进行了细化。张学飞等[26]基于吉林省农安地区盐渍土土样开展研究，实验结果表明：该地水盐迁移受季节影响，春季土体干旱，环境温度升高，土中水分已蒸发,可溶盐随水分迁移至地表并在地表聚集;夏季降水较多，可溶盐随雨水下渗，地表可溶盐含量降低。张彧[23]，张敬晓等[27]分别基于不同地区的盐渍土开展有关水盐迁移的实验，实验结果均表明盐渍土场地的水盐迁移情况会受到季节影响。季节改变，造成所在地区的降水量以及天气干事情可发生改变，土体的含水率也随之变化，盐渍土中水分的迁移方向发生变化，其中的可溶性盐也随之发生季节性迁移。在冬季环境温度低，盐渍土体发生冻融，其内部孔隙水由液相变为固相，同时体积也发生膨胀。由于冻融作用发生时，土体内部冻结带与未冻结带存在土水势差，当冻结时水盐由未冻结带迁移至冻结，反之则为融化时状态。

在计算机数值模拟方面，A Asgari等[28]使用Maple 计算软件应用理查兹方程，对非线性渗流问题进行求解。求解过程中大量使用非线性偏微分(或代数)方程，也被证明是符合实际工况可行有效。Swami D等[29]提出采用具有尺度依赖扩散函数的柔性多处理非平衡传输方程的方法，对层状多孔介质中反应溶质传输进行模拟，比较不同尺度相关分散性的模拟结果，实验发现对于分散性估计的场尺度，渐近和指数分散性函数有着较好的相合性。冯瑞玲等[30]均开展了大量有关盐渍土水盐热力四场耦合效应的相关试验研究。张军艳探讨了水分、盐分、温度以及荷载对盐胀的影响机理。冯瑞玲等在三场耦合的基础上，引入盐场方程，并确立了盐场与原有三场的关系方程，结合实际工况对理论方程进行修正拟合得到更加符合实际工况的方程。以下两式为拟合后的试验断面盐渍土剧烈相变区间分区方程。应用新的拟合方程，冯瑞玲等成功对当时在建的新疆的某地公路温度场和盐分场等进行拟合，对后续设计施工有极大指导意义。

H(T)1=fllc2hs(T+2.5,7.5)

(3)

H(T)2=fllc2hs(T+0.5,0.5)

(4)

其中，fllc2hs( )为二阶连续导数的阶跃平滑函数；T为温度变量。

综上所述，对于水盐迁移方面的研究，目前专家学者普遍认为盐渍土体所处环境的温度和湿度等其他因素变化导致土体内部水分发生迁移，溶解在水中的可溶性盐也随之发生迁移。在自然条件下，季节的改变通过影响环境温度、湿度和降水量等因素，导致土体内部水分发生迁移，可溶盐随之发生迁移。目前，对于一定条件下，影响因素较少的条件下水盐迁移已经可以通过计算机软件进行拟合，并且得到的结果有较好的拟合性，可以指导实际工程。目前对于盐渍土水盐迁移研究大多仍为单因素或者双因素，而关于多因素耦合的试验依旧是研究的重点。

3 粉煤灰改良盐渍土物理力学性质

粉煤灰一般为发电时燃烧产生的渣滓，粒径一般处于1 μm～100 μm之间，球形或微珠的集合体，SO2,Al2O3,Fe2O3三种成分占70%左右。粉煤灰掺入盐渍土后，会和盐渍土发生一系列化学反应和物理反应，实现改良盐渍土工程性能的目的。杨晓松[31]实验结果表明，粉煤灰掺入氯盐渍土后解离出的二价钙和镁离子会与盐渍土中原有成分发生离子交换，降低盐渍土分散性，从而提高盐渍土的强度。实际工程掺入一定量的粉煤灰后，盐渍土在各养护龄期内，融陷变形均得到较好的改善。吴廷荣等[32]对于盐渍土掺加粉煤灰开展大量实验，认为粉煤灰的掺加可以通过改变盐渍土内部的胶结情况，改变土体内部骨架结构，进而改变包括抗侧限压缩性能、抗压强度和抗压回弹强度等一系列工程性能指标，使盐渍土性能达到路用施工要求。李学德[33]开展双灰的实验，发现粉煤灰的掺入通过改变土体的微观结构，可以在一定程度上提升土体的抗冻性，有助于提升道路的耐久性。无独有偶，Bin-Shafique S等[34]在冻融循环条件下开展对掺入粉煤灰后盐渍土性质的研究，研究发现应用粉煤灰固化后的盐渍土较同条件下未掺加粉煤灰的盐渍土，经历相同冻融循环周期土体的强度至少是未稳定土壤强度的3倍，且稳定后土体的溶胀潜力也有75%左右的下降。Bin-Shafique S等通过配合比实验，确定了改良当地盐渍土抗冻胀性能的最佳粉煤灰掺量。Zhang S等[21]对硫酸盐渍土掺加固化剂进行微观试验，研究结果表明粉煤灰的掺入对原有胶结结构进行改良，骨架化学成分由硫酸铵变为硫酸钙和碳酸钙，使土体微观上层状结构明显减少，土粒更加容易聚集。盐渍土土体颗粒间连接更加紧密，土体骨架强度整体得到提高，因此盐渍土的饱和抗压强度等其他性能路用性能。同时其研究也发现，在一定范围内，随着粉煤灰等改良剂的掺入量增加，盐膨胀降低，无侧限抗压强度升高。

由以上研究可知，在盐渍土中掺入一定量的粉煤灰，可以将盐渍土中骨架成分变为硫酸钙和碳酸钙，提高盐渍土骨架强度。同时粉煤灰的掺入也可以通过减小土颗粒间距离和双电层厚度的方式，改良盐渍土原有的空隙结构，从而提高盐渍土在冻融循环条件下的强度和抗盐胀、抗冻胀等抗性。在一定范围内，随着粉煤灰掺入比例的改变，盐渍土的强度也会呈现出类似的改变趋势。有关不同工况下盐渍土掺量的配合比设计研究仍是目前对于改良盐渍土性能研究的一个方向。

在应用粉煤灰改良盐渍土路用性能方面，许多学者对于不同地区的盐渍土开展研究，得到大量工程路用粉煤灰改性的成功经验。例如，郭立叶[35]对于应用粉煤灰改良盐渍土处理方法和施工工艺进行研究，提出了相应的施工技法，应用该方法改性后的盐渍土路用性能良好。张永康等[36]对青海省海西州境内敦格铁路红柳站附近盐渍土路基土，开展掺加粉煤灰等配合比设计，在满足工程需求的基础上也降低了施工难度和造价；Zhang S等[21]就地取材在德伊沿线的路基土掺加当地出产的火山灰和粉煤灰，使路基盐渍土性质得到改良成果达到路用指标，并且压缩了工期。

4 展望

本文通过对近年相关学者关于盐渍土冻融循环条件下，盐—冻胀影响因素以及水盐迁移的相关研究进行总结，着重分析不同因素对于盐渍土体的影响，得出以下结论：

1)在冻融循环条件下，盐渍土温度、含盐量、所受荷载以及冻融循环次数均会对其盐—冻胀发生影响，各因素对于土体的影响均不是简单的线性关系，具体的影响机理仍需深入研究。不同因素之间也不是相互独立的，在一定程度上存在着复杂的相互影响的关系，具体的影响机理以及相互作用规律仍需深入研究。

2)冻融循环以及季节变化均被证明会对盐渍土中的水盐迁移造成影响。在一定条件下，具体的水盐迁移规律以及路径可以通过计算机相关软件进行模拟，且和实际工况具有较好相合性。对于盐渍土水盐迁移的作用机理仍有待深入研究，同时计算机模拟水盐迁移的路径具有条件局限性，适用范围更广，准确度更高的模拟算法仍有待深入研究。

3)在道路施工中粉煤灰的掺加，可以通过改变盐渍土的微观结构，提升土骨架的强度，提升其强度和抗冻融的能力，提高盐渍土的路用性能。目前对于盐渍土的特性和应用粉煤灰对盐渍土工程特性改良研究，已经得到了阶段性的成就，得出的很多结论以及可以很好地指导实际工程。

在某些地区，盐渍土中同时含有多种盐类。因此，目前对于盐渍土的研究，具有一定局限性。结合实际工程对于盐渍土特性和应用粉煤灰对盐渍土工程特性改良的试验研究工作，应该深入到不同地区，含盐类别不同的盐渍土和同时含有多种盐分的盐渍土中。为了更好地改良盐渍土路用性能，对于应用粉煤灰改良盐渍土路用性能的配合设计比研究，也有待深入研究。