冻融循环下石灰硅灰改良盐渍土界限含水率研究

2022-10-20孟凡香付启阳王宗梁

吉林水利 2022年9期

张元，孟凡香，付启阳，王宗梁

（黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150080）

0 引言

盐渍土分为盐土和碱土，区别是盐土是含氯盐或者硫酸盐的土壤，土体含盐量较高，但是pH值并不算高。碱土主要含碳酸盐和重碳酸盐的土壤，pH值较盐土高，土壤整体呈现碱性[1]。我国盐渍土面积大概为3 630.53×104hm2，占全国可利用土地的4.88%[2]。松嫩平原是普遍的半干旱草原碳酸盐渍土区[3]，土壤盐分以NaHCO3和Na2CO3为主[4-6]。近几十年，随着气候的改变及人类对环境的影响，东北地区松嫩平原盐渍土面积不断扩大，盐渍化程度越来越严重。并且随着社会的发展工程建设问题已经涉及到盐渍土地区，所以研究盐渍土理化特性是很有意义的。由于研究区属于季节性冻土区，一年温差较大，所以冻融循环应为重点考虑的影响因素。

目前对于在冻融循环条件下盐渍土的界限含水率和改良剂改良盐渍土的研究，已经有很大程度的进展。郑金城[7]发现石灰可以降低盐渍土的液限塑限升高，粉煤灰降低盐渍土液限和塑限。柴寿喜等[8]通过对石灰改良滨海盐渍土界限含水率的研究，得出石灰对于盐渍土的液塑限有直接影响。马冰[9]在冻融循环的作用下用石灰改良界限含水率，研究发现随着石灰掺量的增加，液限减少塑限升高塑性指数降低，但是冻融循环对于界限含水率影响较小。钱程[10]用石灰改良红黏土，发现随着石灰掺量的变化，液限随着降低，而塑限随着升高。符策岭等[11]用石灰改良膨胀土的液限塑限，发现石灰掺量对界限含水率的改良有明显效果。陈宝等[12]发现石灰对液限的影响比塑限影响大。

从文献中可以知道，火山灰对于盐渍土界限含水率改良效果显著，但是对于东北地区碳酸型盐渍土用石灰硅灰混合改良研究较少，所以本次试验用石灰和硅灰来改良碳酸型盐渍土。为研究冻融循环作用下，石灰硅灰作为碳酸盐渍土改良剂的可行性，本文设置了不同石灰掺量和不同硅灰掺量改良盐渍土试样，对试样进行冻融循环前后的界限含水率进行分析，并且阐述石灰硅灰改良土在冻融循环作用下的变化规律及内在机理，以期为松嫩平原盐渍土地区工程设计和施工提供理论和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本文采用的盐渍土是从肇东地区取土，该地区盐渍化表现明显植被稀少，土体表面呈现盐白色并出现裂痕裂缝的现象，表现出较严重的盐渍化特征。经验可知5—40cm土样粒度成分理化特性突出，且受地表人为扰动和环境影响较小，具有很强的研究效果，因此选择5—40cm层位的土样进行试验。按照GB/T50123-2019《土工试验方法标准》进行基本特性试验[13]。具体土样的基本物理化学性质如下表1。

表1 土样基本物理化学性质指标

石灰是人们最早使用的一种无机胶凝材料，其主要成分为氧化钙，别名生石灰，此外还有氧化镁以及铝酸钙、硅酸钙、铁铝酸四钙等[14]。硅灰是工业冶炼的副产物，主要成分是二氧化硅而且火山灰反应强烈，颗粒粒径小改良效果好，并且价格低廉、环保、耐酸碱腐蚀性等优点[15]。具体成分含量如表2、表3所示。

表2 石灰主要成分表

表3 硅灰主要成分表

1.2 试验设计

本文设置冻融循环次数、石灰掺量及硅灰掺量作为试验变量，研究在冻融循环下石灰硅灰对界限含水率的影响，分析各影响因素间的关联度，为季节冻土区盐渍土改良提供参考意见。在对石灰和硅灰的掺量选择问题上，因考虑到石灰与粉煤灰最佳配比为1：2—1：4之间，但硅灰的火山灰反应比粉煤灰要剧烈因此石灰与硅灰的比为1：1—1：4之间。当土样经过5—7次冻融时，对土样的颗粒成分改变较小，并且前几次冻融循环对土样的颗粒成分改变较大，因此本文设计1、3、5、7次冻融循环次数。考虑到绥化肇东地区夏季平均温度13℃—24℃冬季平均温度-21℃—-10℃，所以冻结温度和融化温度分别为-20℃和20℃。

表4 改良材料掺量配比设计方案

1.3 试样制备

对从研究区的盐渍土先进行自然风干处理，然后粉碎土继续放入烘箱中等待6个小时。把烘干土按照GB/T50123-2019《土工试验方法标准》进行处理[13]，过0.5mm的筛子，石灰和硅灰均过筛子处理。根据经验可知压实度85%—95%更具有实际性意义，所以根据测定出的最优含水率和最大干密度90%为标准，加入提前设定好的石灰硅灰的掺量，配置出试样。

2 试验结果与分析

土的界限含水率能更实际地反映工程建设时土的稳定性、膨胀性和收缩性，粘性土的膨胀性和收缩性变化与塑性的改变是相同的。因此，对盐渍土的界限含水率进行室内试验研究。土的界限含水率是指黏性土从一个黏稠状态过度到另一个黏稠状态时的分界点的含水率，也称黏稠界限。界限含水率是土工试验粘性土基本指标之一，对工程建设提供参考意见。本次试验采用液塑限联合测定仪对石灰硅灰改良土进行界限含水率试验，选取的冻融循环次数为0、1、3、5、7次。

2.1 石灰掺量对界限含水率的影响

从图1可知，随着石灰掺量的增加，液限随着减小，掺入硅灰试样的液限比没有掺入硅灰试样的液限要低，而且硅灰掺量越大液限越小。从图2可知，随着石灰掺量的增加，塑限随着增加，掺入硅灰试样的塑限比没有掺入硅灰试样的塑限要低，而且硅灰掺量越大塑限越小。从图3可知，随着石灰掺量的增加，塑性指数随着减小，掺入硅灰试样的塑性指数比没有掺入硅灰试样的塑性指数要低，而且硅灰掺量越大塑性指数越小。综上说明，双掺对于塑性指数的影响效果比单掺石灰影响效果明显。

图1 不同冻融循环次数下石灰掺量与液限关系

图2 不同冻融循环次数下石灰掺量与塑限关系

图3 不同冻融循环次数下石灰掺量与塑性指数关系

从上述可以知道石灰使得盐渍土的液限和塑限指数减低，这是因为添加石灰后土中粘粒含量减小，比表面积减小，土体中细颗粒含量减少，土体亲水能力便弱，降低了土体的可塑性。由于毛细现象的作用，使得土颗粒间出现微弱大的凝聚力，从而使土颗粒凝聚起来，工程性质得到改善。此外，盐渍土与石灰之间发生的火山灰反应、石灰水解、离子交换作用、氢氧化钙结晶以及碳酸根反应。火山灰反应生成氧化物凝胶，土颗粒团聚形成较大颗粒，使得土体内部结构更稳定。离子交换作用使结合水膜变薄，土粒间距变小土体更密实。氢氧化钙结晶和碳酸根反应，生成碳酸钙结晶[16-18]。这一系列反应生成了稳定的结构，并改变了土颗粒之间原本的黏聚方式，从而降低其塑性。

2.2 硅灰掺量对界限含水率的影响

从图4可知，随着硅灰掺量的增加，液限随着减小，掺入石灰试样的液限比没有掺入石灰试样的液限要低，而且石灰掺量越大液限越小。从图5可知，随着硅灰掺量的增加，塑限随着减小，掺入石灰试样的塑限比没有掺入石灰试样的塑限要高，而且石灰掺量越大塑限越大。从图6可知，随着硅灰掺量的增加，塑性指数随着降低，掺入石灰试样的塑性指数比没有掺入石灰试样的塑性指数要低，而且石灰掺量越大塑性指数越大。综上说明，双掺对于塑性指数的影响效果比单掺硅灰的影响效果明显。

图4 不同冻融循环次数下硅灰掺量与液限关系

图5 不同冻融循环次数下硅灰掺量与塑限关系

图6 不同冻融循环次数下硅灰掺量与塑性指数关系

图8 各掺灰量下冻融循环次数与塑限关系

图9 各掺灰量下冻融循环次数与塑性指数关系

硅灰导致塑限指数改变的原因是硅灰表面高价阳离子与盐渍土表面的钠离子钾离子发生离子交换，使土粒间形成团聚体。并且硅灰颗粒较小，加入硅灰后填充土粒间孔隙，使土样更密实达到了降低塑性指数的效果[19]。而掺入石灰后，石灰与硅灰发生火山灰反应更加剧烈，生成大量氧化物凝胶形成稳定的结构，使得双掺后改良土的塑性指数比单掺石灰硅灰的塑性指数更低，这也说明了双掺比单掺降低塑限指数效果好的原因。

2.3 冻融循环对界限含水率的影响

从图7、8、9可知，随着冻融循环次数的增加，液限和塑性指数随着减小，而塑限随着增加，但单掺硅灰的塑限有小幅度的降低。从整体看冻融循环对于界限含水率的影响远不如石灰和硅灰对界限含水率的影响程度。主要是因为冻融循环对土壤的粒径组成影响不大，对土颗粒和水之间相互作用的影响程度是不够的。改良土粘粒含量随冻融次数的变化很小，粘粒含量原本就很少，因此土颗粒与水的相互作用的影响程度基本上没有很大变化。

图7 各掺灰量下冻融循环次数与液限关系

2.4 基于灰色关联分析法对盐渍土界限含水率相关性分析

灰色关联分析通过对系统中一些已知信息的处理，可以实现对系统中未知信息的预测。它是一种多因素统计分析方法，根据各因素之间发展趋势的相似性或差异性，灰色关联度被用来衡量各因素之间的关联度。灰色关联系数经过下列公式处理，确定各因素直接对抗剪强度的相关性，各子因素与母因素之间的灰色关联系数通过式1可以算出。

本文采用均值化无量纲处理，为了防止数据数值过大导致相关系数确定性下降，引入分辨系数p，分辨系数p取0.5。而灰色相关度采用下面式2可以算出。

式中n为数列长度即数据个数。

从表5可知液限灰色相关度排名从大到小为硅灰掺量、石灰掺量、冻融循环次数，说明各因素对液限关联度影响关系大小为硅灰掺量＞石灰掺量＞冻融循环次数。从表6可知塑限灰色相关度排名从大到小为石灰掺量、硅灰掺量、冻融循环次数，说明各因素对塑限关联度影响关系大小为石灰掺量＞硅灰掺量＞冻融循环次数。从表7可知塑性指数灰色相关度排名从大到小为石灰掺量、硅灰掺量、冻融循环次数，说明各因素对塑性指数关联度影响关系大小为石灰掺量＞硅灰掺量＞冻融循环次数。