硫酸盐渍土降温过程中的盐胀与冻胀特性

2021-06-12周凤玺汪时机曹亚鹏

长江科学院院报 2021年6期

应赛，周凤玺，文桃，汪时机，曹亚鹏

(1.兰州理工大学土木工程学院，兰州 730000； 2.长江师范学院建筑物全生命周期健康检测与灾害防治工程研究中心，重庆 408100； 3. 中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，兰州 730000)

1 研究背景

降温过程中，多孔介质材料的盐胀与冻胀变形行为是材料耐久性、寒旱区建筑与道路工程建设与安全运营、古文物保护等领域的热点问题。大量学者对土体的盐胀与冻胀进行了研究。牛玺荣等[1]认为盐胀与冻胀过程中的土体体积变化等于土体中盐溶液的体积变化，并以此为基础，给出了盐胀与冻胀变形的计算公式。肖泽岸等[2]认为硫酸盐渍土降温过程中的变形由3部分组成：冰结晶和盐结晶压力所引起的变形、冰盐结晶后密度变化所引起的变形及土体热胀冷缩所引起的变形。利用降温过程中的盐结晶量和冰结晶量推求盐胀力和冻胀力，若已知土体模量，可对盐胀与冻胀变形进行计算。也有许多学者以结晶动力学理论为基础，给出了晶体生长导致的结晶压力计算公式，继而建立了结晶变形模型[3-9]。

在上述的研究中，盐胀与冻胀的计算是彼此独立的，但盐胀发生在冻胀之前，必定对冻胀过程产生一定影响。Wan等[10]认为盐胀结晶减少了冻胀结晶时的孔隙尺寸，并给出了盐胀结晶与冻胀结晶在孔隙中的析出模型。Litvan[11]的研究表明，低浓度的变形主要由冻胀产生，高浓度的变形主要由盐胀导致，说明盐胀与冻胀变形二者之间存在联系，并非相互独立。在现有的相关研究中，对于盐胀与冻胀变形行为之间的差异与联系，缺乏深入的分析与探讨。这导致现有理论对降温过程中水盐相变机理认识不清，难以对盐渍土的盐、冻胀变形规律及混凝土的盐、冻胀破坏规律进行合理解释和准确预测。

本文开展了一系列盐渍土盐胀、冻胀试验，通过控制盐渍土中的水盐含量，改变降温过程中盐胀与冻胀变形的相对大小，在此基础上对水盐含量变化引起的盐渍土盐胀与冻胀变形规律进行了研究，旨在揭示盐胀与冻胀变形行为之间的差异与联系，以期对盐、冻胀变形的机理产生新的认识，为建立盐、冻胀变形计算模型和防治盐、冻胀病害提供依据和指导。

2 盐胀与冻胀的定义

主流的观点认为，土体的盐胀与冻胀应该根据引起土体膨胀变形的结晶种类进行定义，即盐结晶引起的土体膨胀为盐胀，冰结晶引起的土体膨胀为冻胀[12]。该定义意义明确，容易被理解与接受，但是存在一定的问题。从研究方法上来说，根据相关研究可知，在冻结温度以下，盐结晶与冰结晶同时产生，在该过程中盐结晶与冰结晶各自产生的膨胀，以现有的试验手段及理论知识无法进行划分，从而无法对该过程中的盐胀与冻胀进行计算。也有学者尝试对该定义下的盐胀与冻胀进行计算[1,13]，但其计算模型认为降温过程中的土体膨胀体积等于该过程产生的晶体体积与孔隙体积之差，该假设忽略了晶体未完全填充孔隙阶段产生的孔隙变形。从研究目的上来说，在冻结温度以下产生的晶体为盐结晶与冰结晶的混合物，研究目的应是弄清楚混合物的产生与土体膨胀的关系，而不是对混合物中盐结晶和冰结晶各自产生的膨胀进行划分。所以笔者认为，以引起土体膨胀变形的结晶种类对土体的盐胀与冻胀进行定义并不合理。应根据降温过程对土体的盐胀与冻胀进行定义，即整个降温过程，以冻结温度为分割点，冻结温度以上过程中产生的膨胀变形为盐胀变形，冻结温度以下过程中产生的膨胀变形为冻胀变形。该定义在研究方法上，可以非常方便地对盐胀与冻胀进行划分，从研究目的上，明确了在冻胀阶段，需要着重研究冰盐混合物的产生与土体变形的关系，是合理且可行的。

故本文中所采用的盐胀与冻胀的定义如下所述。盐渍土温度降至冻结温度以下时的结晶膨胀过程分为2个阶段：在冻结温度以上为盐胀阶段，该阶段的结晶为盐结晶；在冻结温度以下为冻胀阶段，该阶段的结晶为盐结晶和冰晶的混合物，且以冰晶为主[14]。

3 试验方案

3.1 试验材料

试验用土为兰州地区粉土，土的物理性质指标和易溶盐含量分别见表1、表2。试验中配制硫酸盐渍土采用的硫酸钠为有效成分含量≥99%的无水硫酸钠。将无水硫酸钠溶解于蒸馏水中，在室温下(20±3℃)配制成一定浓度的硫酸钠溶液。硫酸钠溶液与烘干后的土体拌和均匀后配制成土样。土样的含水量为盐溶液中水的质量与干土质量之比，控制为18%，土样中盐含量为盐溶液中盐的质量与干土质量之比，由盐溶液浓度控制。

表1 土的物理性质指标Table 1 Physical properties of soil

表2 土中的易溶盐含量Table 2 Contents of soluble salts in soil

3.2 试验仪器

试验采用自制的盐冻胀试验仪，仪器结构如图1所示，该仪器的位移传感器型号为YWD-50，灵敏度为200×10-6/mm，控温所用的高精度低温槽型号为DL2010，温控范围-20～100 ℃，精度±0.1 ℃。

图1 盐、冻胀试验仪示意图Fig.1 Schematic diagram of salt-frost heave apparatus

3.3 试验条件

3.3.1 冻结温度测定与温度控制

盐胀阶段与冻胀阶段的温度分割点为冻结温度，利用文献[15]的冻结温度测试仪器与方法，在盐、冻胀试验前对不同含盐量试样的冻结温度进行测定，结果如图2所示，试样冻结温度在-2 ℃左右波动，但波动范围较小。

图2 冻结温度随含盐量变化曲线Fig.2 Curve of freezing temperature varying with salt content

本试验中的含盐量变化区间为0.8%～4.0%，选定盐胀与冻胀的温度分割点为-2 ℃。由硫酸钠溶解度相图(见图3)计算，硫酸钠饱和溶液的温度由-1 ℃降至-1.4 ℃时，十水硫酸钠结晶量只增加了0.1%，可见在-2 ℃左右，冻结温度的偏差所导致的盐胀与冻胀变形的偏差十分微小，所以选定盐胀与冻胀的温度分割点为-2 ℃是可行的。

图3 硫酸钠溶解度相图Fig.3 Phase diagram of solubility of sodium sulfate

试验测定的土样温度变化如图4所示，温度变化过程分3个阶段：第1阶段为盐胀阶段，温度从24 ℃降至-2 ℃；第2阶段为冻胀阶段，温度从-2 ℃降至-12 ℃；第3阶段为升温阶段，温度从-12 ℃升至24 ℃。其中试验温度在-2 ℃保持了一段时间，以便根据试验得到的变形曲线对盐胀与冻胀变形进行划分。

图4 温度变化曲线Fig.4 Curve of temperature variation

3.3.2 变量控制

当试样中的水盐含量发生变化时，冻结过程中盐胀与冻胀变形的相对大小发生改变。试验中的控制变量为试样含盐量和含水量，分为3个部分，如表3所示。

表3 变量控制Table 3 Control of variables

4 试验结果分析

4.1 含盐量对盐渍土变形的影响

由试验Ⅰ得到的不同含盐量下降温-升温过程中的盐渍土变形曲线如图5所示。图5表明，在一次降温-升温过程中试样变形过程为冷缩(降温)-膨胀(降温)-融陷(升温)。以-2 ℃为分割点，可非常明确地将试验降温过程中的总变形分割为盐胀变形和冻胀变形。如含盐量为2%时，在104 min(4.6 ℃)时开始产生盐胀变形，在152 min(-1 ℃)至248 min(-2 ℃)时间段内盐胀变形保持稳定，104 min(4.6 ℃)至248 min(-2 ℃)时间段内产生的变形即为盐胀变形；248 min(-2 ℃)以后冻胀变形开始产生，在296 min(-5.5 ℃)至432 min(2.6 ℃)时间段内冻胀变形保持稳定，在248 min(-2 ℃)至432 min(2.6 ℃)时间段内产生的变形即为冻胀变形。可以看到，当含盐量≤1.2%时，降温膨胀过程只有冻胀没有盐胀，当含盐量≥1.4%，降温膨胀过程表现为盐胀与冻胀2个阶段。当含盐量为0.8%时，降温阶段未发生膨胀变形，故其变形曲线未在图5中绘制。

图5 不同含盐量下盐渍土降温-升温过程中的变形曲线Fig.5 Curve of deformation of saline soil in freezing and thawing process varying with salt content

将试验Ⅰ中盐胀变形、冻胀变形和总变形与含盐量的关系曲线绘于图6。

图6 降温过程中变形与含盐量关系曲线Fig.6 Relationship between salt content and deformation in cooling process

从图6可以看出：当含盐量>1.2%时，盐胀变形开始产生，且随着含盐量的增大而增大；冻胀变形随着含盐量的增大先增大后减小，且在含盐量0.8%～1.6%区间内大幅波动，在含盐量0.8%～1.2%区间内大幅增加，在含盐量1.2%～1.6%区间内大幅减小；当含盐量>1.2%时，盐胀变形开始产生，与此同时冻胀变形大幅减小。可见，盐结晶的产生和增加与冻胀变形的大幅增大是同步发生的，盐胀变形的产生和冻胀变形大幅减小也是同步的，这反映了盐胀过程对冻胀过程的影响。

随着含盐量的增大，总变形先增大后减小再增大，在含盐量1.2%处出现峰值，在含盐量1.8%处出现谷值。其中在含盐量由1.2%变化至1.6%时，总变形大幅减小了71%，这一现象十分值得关注，溶液浓度对材料盐冻变形及破坏的影响规律的问题，一直存在争议，各研究成果之间存在很大差异[16-19]，若该现象确实存在，则对解决溶液浓度对材料盐冻变形及破坏的影响规律的争议具有重要意义。为了确认该现象的存在，在试验 Ⅰ 条件下，对含盐量为1.2%和1.6%的试样再次进行了降温变形试验，且试验将图4所示的温度变化连续重复3次，即每个试样都经历了连续3次的降温-升温变形。试验结果如图7所示，从图7可以确认，当含盐量从1.2%变化至1.6%，降温总变形确实产生了大幅降低。

图7 盐渍土降温-升温过程中的变形曲线Fig.7 Deformation curves of saline soil in freezing and thawing process

对于硫酸钠溶液来说，当含水量不变，含盐量增加时，降温过程中溶液中的总结晶体积(盐结晶与冰晶体积之和)是减小的[20-21]，说明对于包含盐胀与冻胀的降温过程，总变形量与总结晶体积之间不满足正相关关系。而已有的试验数据及结晶填充理论表明，在只发生盐胀或只发生冻胀的情况下，变形与结晶体积之间满足正相关关系[1,3-9,21]。这里将降温过程中盐、冻胀总变形与总结晶体积之间不满足正相关关系的现象称为盐胀与冻胀的叠加效应。

从图6可以明显观察到，降温过程中的盐胀变形、冻胀变形和总变形随含盐量增大的变化规律存在一个特点，即在含盐量<1.8%区间内，总变形与冻胀变形的变化规律相似，在含盐量>1.8%区间内，总变形与盐胀变形的变化规律相似。这说明在整个降温过程中，盐胀与冻胀变形的主导地位随含盐量的变化而变化。在含盐量<1.8%区间内，冻胀占主导地位。在含盐量>1.8%区间内，盐胀占主导地位。所以在包含盐胀和冻胀的降温过程中，总变形随含盐量的变化规律将受盐胀与冻胀之间的强弱关系显著影响。

用盐胀比来表示盐胀与冻胀之间的强弱关系，定义降温变形过程中盐胀变形与总变形的比值为盐胀比。总变形和盐胀比的关系曲线如图8所示，当盐胀变形为0时，冻胀变形率在0%和峰值点6.8%之间变化，该过程发生在含盐量≤1.2%的区间，在含盐量1.2%时冻胀变形达到峰值，当含盐量不断减小至0.8%时，冻胀变形减小为0，该阶段发生在含盐量较小时。

图8 试验Ⅰ条件下总变形和盐胀比关系曲线Fig.8 Relationship between total deformation and ratio of salt expansion in testⅠ

当盐胀变形开始产生后，随着盐胀比的增大，总变形先减小再增大，在盐胀比50%左右出现最小值。盐胀比为50%时，盐胀变形与冻胀变形相等，此时总变形最小。说明当盐胀过程与冻胀过程处于均势，没有一方占主导地位时，总变形最小。此时，若水盐含量发生变化，打破盐胀或冻胀的均势，使其中一方在降温过程中变形行为占主导地位时，都会导致总变形增大，这里把该规律称为盐胀与冻胀的均势规律。

根据上述的均势规律可知，如果降温过程同时存在盐胀变形与冻胀变形，在盐胀比接近0%和100%时，即冻胀和盐胀分别占绝对主导地位时，总变形达到极大值，而当盐胀比为50%，即冻胀和盐胀处于均势状态时，总变形达到极小值，总变形与盐胀比之间满足“V”形变化规律。

通过进一步控制水盐含量，可以将总变形与盐胀比的关系曲线向含盐量极大时的极端情况推广。盐胀比接近100%时，盐胀处于绝对主导地位，如果含盐量继续增大，含水量不断减少，使孔隙溶液过饱和，未溶解的盐不断增加，盐胀和冻胀变形都将不断减小，直至溶液消失，盐胀和冻胀变形减小为0。

由上述分析可知，随着水盐含量的变化，盐、冻胀总变形与盐胀比之间满足“M”形变化规律，总变形随盐胀比变化的过程可分为3个阶段，如图9所示。可以看到，该曲线有3个特征点：当盐胀或冻胀占主导地位时，总变形达到极大值，即盐胀和冻胀峰值点；当盐胀与冻胀处于均势时，总变形达到极小值，即均势点。在阶段 Ⅰ，冻胀占绝对主导地位，此时含盐量较小，盐胀为0，冻胀在0到冻胀峰值点之间变化。在阶段 Ⅱ，随着盐胀比的增大，逐渐由冻胀主导向盐胀主导转变，总变形先减小后增大，当盐胀与冻胀均势时，总变形达到均势点。在阶段Ⅲ，盐胀占绝对主导地位时，此时含盐量较大，土体中有未溶解的盐，冻胀为0，盐胀在0到盐胀峰值点之间变化。

图9 总变形与盐胀比的M形变化规律示意图Fig.9 Schematic diagram of M-shaped curve relation between total deformation and ratio of salt expansion

4.2 高含盐量下含水量对盐渍土变形的影响

将试验Ⅱ中盐胀变形、冻胀变形和总变形随含水量变化的关系曲线绘于图10中。可以看到，随着含水量的增大，冻胀变形逐渐增大，盐胀变形先增大后减小，在含水量18%时达到最小值，在含水量≤16%区间盐胀变形远大于冻胀变形，在含水量达到18%时，盐胀变形与冻胀变形趋于相等。随含水量的增大，总变形先增大后减小，在含水量18%时达到最小值，其规律与盐胀变形随含水量变化规律相同，说明试验Ⅱ条件下，盐胀过程占主导地位。当含水量增大至18%时，盐胀与冻胀过程达到均势，总变形达到极小值，符合均势效应。

图10 高含盐量下变形与含水量的关系曲线Fig.10 Relationship between water content and deformation in high salt content condition

图11为试验Ⅱ条件下总变形与盐胀比的关系曲线，可以看到，在盐胀比为50%左右时，总变形达到最小值，在盐胀比达到94.44%时，总变形达到极大值13.45%，符合“M”形变化规律的阶段Ⅱ。当盐胀比进一步增大至100%时，总变形大幅降低，符合“M”形变化规律的阶段Ⅲ，该阶段发生在含水量<8%时，这时土样中盐溶液浓度过大，存在大量未溶解的硫酸盐，这符合对阶段Ⅲ产生原因的判断。

图11 试验Ⅱ条件下总变形与盐胀比关系曲线Fig.11 Relation between total deformation and ratio of salt expansion in test Ⅱ

4.3 低含盐量下含水量对盐渍土变形的影响

将试验Ⅲ中盐胀变形、冻胀变形和总变形随含水量变化的关系曲线绘于图12中。可以看到，随着含水量的增大，冻胀变形逐渐增大，盐胀变形不断减小，总变形先减小后增大，在含水量12%左右达到极小值，此时，盐胀变形与冻胀变形趋于相等。在含水量8%～10%区间内，总变形和盐胀变形随含水量变化的规律相似;在含水量12%～18%区间内，总变形和冻胀变形随含水量变化的规律相似。这说明在含水量8%～12%区间内，盐胀过程占主导地位；在含水量12%～18%区间内，冻胀过程占主导地位；在含水量12%时，盐胀与冻胀处于均势地位，总变形达到极小值。

图12 低含盐量下变形与含水量关系曲线Fig.12 Relationship between water content and deformation in low salt content condition

图13为试验Ⅲ条件下总变形与盐胀比的关系曲线，可以看到，在盐胀比为50%左右时，总变形达到最小值，在盐胀比为0%时，总变形达到极大值，总变形与盐胀比之间的关系符合“M”形变化规律的阶段Ⅱ。

图13 试验Ⅲ条件下总变形与盐胀比关系曲线Fig.13 Relation between total deformation and ratio of salt expansion in test Ⅲ

通过上述分析可知，当硫酸盐渍土含盐量不同时，盐、冻胀的总变形随含水量变化的规律并不相同。高含盐量时，含水量从6%增加至18%，总变形先增大后减小；低含盐量时，含水量从8%增加至18%，总变形先减小后增大。这说明降温过程中的盐胀和冻胀变形大小受孔溶液中的含水量与含盐量的共同影响，但无论孔溶液中的含水量与含盐量如何变化，盐胀与冻胀过程满足均势规律，即盐、冻胀总变形与盐胀比之间满足“M”形变化规律。这反映了盐胀与冻胀的强弱关系对盐、冻胀总变形的影响，本质上体现了盐胀与冻胀间的内在联系。