水泥土加固盐渍化软土的强度影响因素与机理分析

2023-12-25彭志皓张武东高长军

四川水泥 2023年12期

彭志皓张武东高长军田磊

（1.中铁城市发展投资集团有限公司，四川成都 610000；2.中铁三局集团有限公司，山西太原 030001；3.中铁三局集团第四工程有限公司，北京 102300；4.长安大学，陕西西安 710064）

0 引言

在我国盐渍土种类繁多，其广泛分布于内陆与滨海的干燥地区[1]，当其含水率超过一定界限，则成为具有盐渍土与软弱土双重工程性质的盐渍化软弱地基。盐渍化软弱地基在处治过程中，大多以借鉴软土的处治方法为主，治理效果依地理地质环境而各有不同。目前评价水泥土处治盐渍土路基效果的研究[2-3]已屡见不鲜，盐渍化水泥土强度影响因素的研究也逐步深入[4-5]，但将水泥土强度影响因素与固化机理相结合的研究还相对较少。因此，本文针对水泥土加固盐渍化软土强度的影响因素与机理进行分析，为相关课题的研究提供参考。

1 试验检测

新疆若羌至民丰高速公路建设之初，现场取样对其项目所在区域路基土体的基本物理力学性质进行检测；针对地基特有的盐渍化软弱问题，在考虑经济、便捷、有效提高地基承载力与控制盐胀变形的基础上，提出采用半刚性水泥土板层处治技术方案（见图1所示），并对水泥土加固盐渍化软基强度的影响因素与机理进行分析。

图1 水泥土处治盐渍化软基示意图

在工程现场选取两个坑位取土，分别标记为1号取样点与2号取样点，在室内对其易溶盐含量、液塑限指标、级配组成进行检测，相关试验结果如表1～表3所示。

表1 易溶盐含量与分类

表2 液塑限指标

表3 颗粒级配试验

2 试验方案与结果分析

2.1 盐分含量对水泥土强度的影响

2.1.1 含盐量对水泥土强度影响机理

有关水泥与盐渍土的作用机理，已有不少学者对其进行了深入研究[6]。根据水泥水化反应的化学方程式，可知实际参与反应的离子主要包括：Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-、SO4

2-、OH-、Al3+等，因此可将盐分含量较高时水泥土处治效果减弱的机理归纳为3个原因，分别为：硫酸盐的反应、镁盐的反应、氯盐的反应。

（1）硫酸盐的反应。

盐渍化软弱地基中含有的硫酸盐会与水泥中的钙离子反应生成石膏，石膏在孔隙中往往会产生体积膨胀，进而产生膨胀力，其会对处治完成的地基土产生破坏作用。此外，反应生成的石膏还会与水化铝酸钙反应生成三硫水化硫铝酸钙，减少土体中所含自由水分的同时，使得体积进一步膨胀，产生的膨胀力亦会对地基土体产生破坏作用。因此，当硫酸盐含量适宜时，由于膨胀会使得土体更加密实与紧凑，但硫酸盐含量过多时，就会产生过度的膨胀破坏。

（2）镁盐的反应。

当土体中含有硫酸镁与氯化镁时，易与水泥产生的氢氧化钙反应生成石膏（硫酸钙）与氢氧化镁，其中，石膏的膨胀作用在前已有阐述，氢氧化镁则因其本身材质的柔软与弱胶结性而使得加固土强度减弱。因此，可知镁盐对盐渍化软弱土的加固存在双重侵蚀作用。

（3）氯盐的反应。

若土体中含有较多的氯化物时，易与水泥产生的氢氧化钙反应生成氯化钙，因此也会使得加固土的强度减弱。但另一方面，由于反应生成的氯离子会溶解硫铝酸钙，一定程度上也会减弱膨胀，从而减少对地基土的破坏作用。

2.1.2 试验方案

为探究盐分含量对水泥加固硫酸盐类软土强度的影响，以32.5级水泥掺量10%（质量比）为不变因子，设计盐分含量为1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%（质量比）的水泥硫酸盐渍加固土，养护龄期分别为7d、14d、28d，对养护后的试样进行无侧限抗压强度试验。

2.1.3 结果分析

通过对不同含盐量、不同龄期水泥硫酸盐渍土的无侧限抗压强度试验，可以得到如下的对应关系图，见图2所示。

图2 无侧限抗压强度与含盐量关系图

由图2可以看出，随着龄期的增加，其强度逐渐增加，但其强度增长速率逐渐减弱；在龄期与水泥掺量相同的情况下，水泥硫酸盐渍土的无侧限抗压强度随着含盐量的增加呈现先增加后减小的变化趋势，具体从初值→峰值→末值的强度趋势来看：当其为7d龄期时，从1.07MPa→1.27MPa→1.15MPa；当其为14d龄期时，从1.77MPa→2.23MPa→2.01MPa；当其为28d 龄期时，从2.22MPa→2.78MPa→2.52MPa；其均存在峰值点，且峰值点均为3.5%的含盐量处。这一发现对于水泥土处治硫酸盐渍化软弱地基意义较大，意味着采用水泥处治硫酸盐渍化软弱地基方案时，原地基土体盐分含量不宜太高，否则难以取得预期效果。如若盐分确实较高，可选用一些抗硫酸盐水泥、矿渣类水泥、外掺剂等提高水泥土强度。

2.2 水泥含量对水泥土强度的影响

2.2.1 试验方案

为探究水泥含量对水泥加固硫酸盐类软土强度的影响，以天然盐分含量为不变量，设计水泥含量为6%、8%、10%、12%、14%（质量比）的水泥硫酸盐渍加固土，养护龄期分别为7d、14d、28d，对养护后的试样进行无侧限抗压强度试验。

由于水泥遇水会立刻发生水化反应，其强度逐渐增加，因此在掺配不同比例的水泥并拌合后，立刻进行击实试验而不考虑龄期的影响，可以得出如下关系图，见图3所示。

图3 击实试验曲线图

2.2.2 结果分析

根据击实试验曲线图可以看出，随着水泥掺合比的不同，水泥硫酸盐渍土的最大干密度与最佳含水率呈现上下摆动趋势，并无明显规律，但其波动数值都较小。其中水泥掺和比为10% 时，最大干密度值最大，为1.95g/cm3；水泥掺和比为8%时，最佳含水率最高，为12.6%；综合上述条件，可考虑采用水泥掺和比为10%进行盐渍土软基处治，此时最大干密度最大，但需水量较小。

通过对不同水泥掺量、不同龄期水泥硫酸盐渍土的无侧限抗压强度试验，可以得到如下的对应关系图，见图4所示。

对图4进行分析可知，随着龄期的增加，其强度逐渐增加，且其强度增长速率也逐渐增加；在龄期与含盐量相同的情况下，水泥硫酸盐渍土的无侧限抗压强度随着水泥掺量的逐渐增加，呈现出先快速增加后缓慢增加最后又快速增加的变化趋势，对其不同的三个增长速度阶段进行划分，可选择三个重要的“代表点”进行分析，如图中28d处的A、B、C三点，即：A→B→C；当其为7d龄期时，从1.09MPa→1.8MPa→2.7MPa；当其为14d龄期时，从1.23MPa→2.08MPa→3.12MPa；当其为28d 龄期时，从2.33MPa→4.73MPa→5.63MPa。此外，同一龄期对比谷值A点与峰值C点（即6%水泥掺量与14%水泥掺量），可知：7d龄期的水泥土无侧限抗压强度共增加1.61MPa；14d龄期的水泥土无侧限抗压强度共增加1.89MPa；28d龄期的水泥土无侧限抗压强度共增加3.3MPa；7d龄期与14d龄期的水泥硫酸盐渍土无侧限抗压强度增长量相近，28d龄期的增长量较前两者更大，这表明采用32.5级水泥在硬化初期起到了缓慢凝固的作用，即为现场水泥土处治盐渍化软弱地基提供了较为宽裕的作业时间。