硅微粉改良盐渍土冻融循环试验研究
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摘 要：文章以双洮公路沿线碳酸盐渍土为研究对象，采用恒温箱和压力机测量碳酸盐渍土的冻融循坏耐久性。对盐渍土掺入2%、4%、6%的硅微粉进行改良，将试样分别进行0、3、5、7、10次冻融循环，通过无侧限抗压试验测量其冻融循坏耐久性。经试验研究，试样在经过5次冻融循环之后强度衰减程度基本平稳，普通盐渍土试样强度衰减71.22%，掺加硅微粉试样强度衰减约10%，硅微粉对盐渍土耐久性提升幅度较高。
关键词：碳酸盐渍土;硅微粉;改良试验;冻融循环耐久性
中图分类号：TU448 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）04-0098-03
Abstract： In this paper， the carbonated soil along the Shuangtao highway is taken as the research object， and the freeze-thaw cycle durability of the carbonated soil is measured by constant temperature box and press. The saline soil was improved by adding 2%， 4% and 6% silica powder. The samples were frozen and thawed for 0， 3， 5， 7 and 10 times respectively. The durability of freeze-thaw cycle was measured by unconfined compression test. After five freeze-thaw cycles， the strength of the sample decreased steadily， 71.22% of the ordinary saline soil sample， 10% of the sample mixed with silica powder， and the durability of the saline soil improved by silica powder.
Keywords： carbonate soil; silica powder; improvement test; freeze-thaw cycle durability
1 概述
鹽渍土是指土中易溶盐含量在0.3%～20%之间，而且随外界环境变化容易产生溶陷和盐胀等工程性质的土[1]。本文依托的双洮高速公路项目位于吉林省通榆县境内，该地区冬季寒冷温度较低，最低温度接近零下30℃，在低温情况下，盐渍土内的盐分会与水结合形成晶体，造成土体结构膨胀，同时土中自由水也会结冰;当温度升高时，土中水分融化，会溶解一部分盐晶体，这样往复的冻融循环过程中，盐渍土中的盐分在固态和液态之间来回转化，使土颗粒间孔隙率增大，土体整体结构变的松散[2]，土的工程性质在长期的冻融循环过程中就会变的越来越弱。尤其考虑实际的工程环境，作为高速公路路基土，长期承受自重及路面车辆的静-动荷载，很容易在若干次冻融循环之后发生破坏，一旦路基土体结构发生破坏，会产生翻浆、开裂等一系列危害[3]，因此对改良盐渍土路基的冻融循环耐久性研究至关重要。
2 试验土样选取
结合工程勘探资料及线路现场地形地貌，本试验取样地点位于双洮公路K130+720～K131+300标段内。取样点较为干旱，地形地貌为荒草地和盐碱地。取样点植被分布多为杂草，未见庄稼，盐渍土呈条状或块斑状分布，地表干旱且返盐现象明显，呈现有浅黄色或灰白色的易溶盐结晶。挖土时可见地下盐渍土体主要呈现黄褐色，局部穿插白色斑状，可见少量砂柱，有虫孔发育及少量残余根系，主要分布于地表下1.2m范围内。该范围内土体触感较散，多年冻融循环导致的土体裂隙使土体整体结构强度较低，裂隙渐渐发育导致贯通，形成蒜瓣土。本文选用60cm深度的盐渍土作为研究对象。其天然含水率为12.36%，天然密度为1.625g/cm3，液限为23%，塑限为16%，塑性指数为7，为含砂低液限粉土，最佳含水量为12.80%，对应的最大干密度为1.96g/cm3，PH值为10.51，呈弱碱性。土样的粒径组成及易溶盐含量见表1和表2。
3 试验方案
采用硅微粉对盐渍土进行改良试验研究，其掺量分别为2%、4%、6%，根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中T 0858-2009 无机结合料稳定材料冻融试验方法[4]。试样制作及养护参考无侧限抗压试验，养护完成后，将试件置于低温恒温箱中，调温度至-20℃，冰冻12h，待试样完全冰冻后取出，于20℃室温情况下融化12h，此为一次冻融循环。在此过程中将试样包裹聚乙烯薄膜，保证试样含水率不变。冻融循环次数设定为0、3、5、7、10次，试样达到冻融循环次数后，取出试件测量质量损失，如试件损失率超过5%，即停止其冻融循环试验。取出质量损失小于规范要求的试件，将其置于万能试验机上，以1mm/min的速率进行无侧限抗压试验。
4 试验结果分析
经历不同冻融循环次数的试件经无侧限抗压试验后结果如表3所示：
图1为素土试样与掺硅微粉试样在经历不同次冻融循环之后的无侧限抗压强度。从图中可以明显看出素土试样在经历冻融循环之后的无侧限抗压强度有大幅下降，素土试样在经历3次冻融循环之后强度损失55.09%，5次冻融循环之后强度损失71.22%，5次冻融循环以后试样无侧限抗压强度变化趋势基本保持平缓。掺加硅微粉试样整体强度下降范围较小，试样S1、S2、S3在经历3次冻融循环之后强度损失分别为10.21%、11.45%、10.14%，5次冻融循环之后强度损失分别为11.87%、12.53%、11.56%，强度损失较素土试样降低幅度较大，即硅微粉可以有效提升盐渍土的冻融循环耐久性。 图2为素土和硅微粉改良土试样的破坏形态图，在试验过程中，可以明显看出随冻融循环次数的增加，土样破坏的速度变得更快，即在应力增长的过程中，应变的增长要比未经历冻融循环的土样更大，也即是在应力应变弹性增长阶段的斜率变小，说明随着冻融循环次数的增加，不光降低了土样的无侧限抗压强度，也降低了土样的弹性模量。在冻融循环的过程中，土中水分和盐分状态的反复转变，改变了土体的结构性和渗透性。不仅仅是增大了孔隙率，而且使土体的孔隙率达到一个非常平衡的状态，即孔隙在土体内部非常均匀的分布，从而导致整个土体结构变的非常“松散化”，虽然表面上还是一块完整的试样，但是随着外界荷载的增大，土体结构破坏非常迅速，破壞形态也呈现出非常多的碎片。
如图3所示为硅微粉改良盐渍土试样的破坏形态图。试验过程中，硅微粉土样的应力增长速度也要快于未经冻融循环的硅微粉改良土试样，但是试件破坏形态较为完整，总体强于素土试样与水泥土试样，未见大量脱落的碎片。在实验过程中可以看到试样的顶部出现大量裂缝，相近的土颗粒之间相互粘聚，形成一块一块的“团聚体”，但是各个“团聚体”之间结合并不紧密，呈现出大大小小的裂缝。常规情况下，这种结构应该呈现出一种破碎的状态，但是结果恰恰相反。分析原因，在冻融循环的作用下，土体内部水力传导率加快，土中水在土中流动一方面使土体孔隙率变大，使土体变松散，另一方面带动细小的硅微粉粉末在土体中充分流动和粘结、填充，一部分的硅微粉粘结土颗粒形成团聚体，另一部分的硅微粉在团聚体之间粘结填充，使整体结构保持稳定。因此硅微粉改良土试样在应力达到峰值之后还能相互粘结在一起，这也是其在经过冻融循环后强度不会大幅度下降的主要原因。
5 结论
（1）该地区盐渍土冻融循环耐久性较差，5次冻融循环之后强度损失71.22%。
（2）硅微粉能有效提升盐渍土耐久性，掺加硅微粉的试样在5次冻融循环之后强度损失约为10%。
（3）硅微粉在土体内部通过粘结和填充使土体整体结构保持稳定，是其耐久性提升的主要原因。
参考文献：
[1]徐攸在，等.盐渍土地基[M].中国建筑工业出版社，1993.
[2]刘天宝.冻融循环作用下碳酸盐、硫酸盐及其含量变化对农安碳酸盐渍土抗剪强度影响研究[D].吉林大学，2017.
[3]黄立度，席元伟，李俊超.硫酸盐渍土道路盐胀病害的基本特征及其防治[J].中国公路学报，1997，10（2）：39-47.
[4]行业标准.JTGE51-2009.公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].北京：人民交通出版社，2009.
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