盐岩在罗布泊干盐湖地区工程应用机理研究*

韩建文 何国杰 崔廉明

（陆军勤务学院 重庆 401331）

1 引言

盐岩是指经过长期强烈的蒸发作用使得饱和卤水中的盐份通过毛细作用逐渐浓缩析出，并通过一系列的物理化学作用，结晶所形成的一种特殊的岩土体［1］。天然盐岩在形成过程中，盐份结晶的同时夹杂胶结周围的岩土颗粒，从而使原有土体强度得以提高。从土质归类属性上来划分，盐岩仍属于盐渍土的范畴，是一种极为特殊的过盐渍土［1～4］。盐岩在蒸发作用剧烈的海盆或者湖盆等盐滩盆地地区尤为常见，像我国内陆干旱地区的新疆罗布泊、青海察尔汗盐湖等典型地区。我国关于盐岩的研究集中在20世纪70年代左右，主要以盐岩为基础在青海察尔汗盐湖地区修筑了著名的“万丈盐桥”，2005年修筑的新疆S235省道罗布泊干盐湖段为盐岩路面简易公路，但由于研究深度和技术所限，相关工程技术标准规范不够完善，随着使用时间的推移，部分工程病害问题亦逐渐凸现出来。因此分析研究盐岩工程应用的机理，把握质量控制的技术要点，有效规避和减轻工程病害，对盐岩在类似地区工程建设中更好资源化具有重要的意义。

2 盐岩的基本特性

2.1 盐份特征

通过采集多组不同位置盐岩试样进行化学分析，新疆罗布泊干盐湖地区的盐岩其含盐构成主要以 NaCl、KCl等氯盐，Na2SO4、K2SO4等硫酸盐为主，其中氯盐占据绝大部分，此外还有少量的其他盐份。含盐量见表1。

表1 罗布泊盐岩含盐分析表

根据盐岩试样盐份分析结果，因其含盐量超过60%，按照盐渍土分类标准［5］，该地区盐岩属于氯盐—超盐渍土。

2.2 力学特性

对罗布泊地区天然盐岩块体制备试样，测试盐岩的单轴抗压强度见表2，据试验结果，罗布泊地区天然盐岩的极限抗压强度为1.76MPa～6.79MPa，平均抗压强度为4.35MPa，可见盐岩具有较高的天然强度。

表2 盐岩单轴抗压强度

但盐岩在遇水后，其盐分构成中的可溶性盐类溶解，盐岩中所含土颗粒间的联结力下降，盐岩整体结构出现溶陷松坍，其强度会发生较大的损失。

2.3 其他特性

2.3.1 溶陷性

盐岩的含盐化学类型多由氯盐、硫酸盐以及少量碳酸盐等化学组成，其中大部分多为易溶氯盐。当处于干燥状态下，这些盐份起着胶结土体颗粒的作用，使盐岩具有较高的强度，并保证其完整性。但在遇水或潮湿环境下，盐岩中含有的易溶盐类发生溶解，在上部外加荷载或土体自重下，发生溶蚀塌陷。

图1 罗布泊盐岩块体

2.3.2 盐胀性

当温度降低时，盐岩所含的硫酸盐与自由水结合产生结晶时，其体积发生膨胀，尤其以组分中的Na2SO4为典型代表，当其吸水结晶形成芒硝（Na2SO4·10H2O）后体积会增大3倍左右，即产生盐胀。随着温度的升高，芒硝中的结晶水转换为自由水，芒硝又转变为无水的Na2SO4，其转换过程如式（1）。工程上，正是由于这种循环过程导致路基路面等出现膨胀破坏。

通过盐岩试验段路基现场试验表明：在温度降低时，压实度越高，其盐胀程度越小；含水率越高，盐胀量越大，且含水率对盐岩的盐胀起主导作用。

2.3.3 腐蚀性

腐蚀性是含盐岩土体一个主要特性，工程上主要表现为对水泥混凝土等构筑物产生一定的腐蚀性。盐岩高含盐量的特征，导致盐岩腐蚀性相对于一般盐渍土而言更强。水泥中的主要成分为硅酸盐 (3CaO·SiO2)和铝酸盐 (3CaO·Al2O3)其水化过程如式（2）。

以氯盐为例，氯盐中的Cl-与水泥水化产生的Ca(OH)2和水泥中的3CaO·Al2O3发生反应，从而生成比反应物体积大几倍的不溶性固相复合物质3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O 。因为 Ca(OH)2被盐岩中的Cl-不断消耗，加快了式（2）中的反应速率，从而使混凝土产生破坏。因此，在盐岩地区进行混凝土构筑物建设时应重点关注盐岩的腐蚀影响。

3 盐岩工程应用的基础

3.1 理论基础

3.1.1 强度生成机理

盐岩作为一种特殊的岩土材料，衡量其工程性质的指标主要为强度指标，通过对盐岩进行单轴压缩试验发现，盐岩在单轴压缩试验下主要破坏以剪切破坏为主［4，6］。根据摩尔-库仑理论：

式中：τ为抗剪强度，σn为法向应力，C为黏聚力，φ为内摩擦角。

通常评价岩土体抗剪能力的主要指标便是粘聚力C和土体内摩擦角φ。研究表明，粘聚力对土体强度的影响至为明显［7］。盐岩的黏聚力除土体颗粒间胶结作用外，还与盐份中离子的结晶作用有关［5］，由所形成的晶体的强度决定。这区别于普通土体和一般盐渍土的强度生成机理。

在微观视角下，晶体化合物的强度主要由离子键抵抗破坏的能力（即键强）决定，并影响着由晶体化合物所组成材料的强度。离子键的物理破坏主要表现为受最大轴向拉力所导致的变形而引起的破坏。对于晶体化合物，其晶格破坏大多沿平行于化学键的方向，对晶体进行力学模型简化，其理论抗拉强度即为某晶面上单位面积的化学键数目乘以化学键所承受的破坏前最大拉应力，罗布泊盐岩中的最主要盐份之一就是NaCl，据有关资料显示［6］，NaCl晶体中离子键的理论抗拉强度可达到3.9GPa，这与NaCl晶体的较高的强度和硬度相印证。因此基于上述分析，盐岩属于具有较高强度的岩土体，这一点和上一节中关于盐岩的力学特性分析相符。

3.1.2 再结晶自愈机理

盐岩中含有大量的易溶盐，在遇到淡水或低矿化度卤水时会发生溶蚀现象，使得盐岩内部发生较大的结构性损伤，尽管随着水分的降低和温度的升高，又出现盐份重新结晶析出的情况，但其再结晶作用难以对已有结构溶蚀损伤进行弥补。已有研究表明［8］，盐岩在饱和卤水的作用下同时呈现出溶蚀与再结晶的双进程，但其再结晶自愈合的效果大于溶蚀损伤的效果，相比于在淡水或不饱和卤水作用下，盐岩在饱和卤水条件下其再结晶能力得到大幅提高。盐岩工程应用时需对块体破碎重塑，破碎后其损伤的裂隙结构面在饱和卤水作用下，应力集中的损伤区或尖锐的棱角部位结构表面发生溶解，不同盐岩块体颗粒变得相对圆滑，且相互之间的接触面积变大［9］，同时饱和卤水为这些区域后续盐份重新结晶的提供了来源。再结晶时，充填于盐岩裂隙和孔隙里的饱和卤水中各类盐份大量析出并结晶生长，盐岩颗粒间在结晶作用下相互粘结融合，形成一个强度整体，进而使发生损伤的盐岩自愈恢复，力学性质得到增强。

3.2 现实基础

3.2.1 自然条件利好

新疆罗布泊地区降水稀少，年降水量仅28mm，而蒸发量却达3276.5mm以上，夏季气温高达45℃，地表温度甚至可达70℃，冬季最低气温-23.5℃，常年多风，最大风速20m/s～24m/s，气候极度干燥，属于典型的大陆性干旱气候。该地区地下富含饱和卤水，水位埋深大致分布在1.3m～6m左右，采集到的卤水样本检测其矿化度为349.75g/L。

图2 罗布泊地下卤水

罗布泊地区地下富盐的卤水和干燥的气候为盐份的高度积聚析出提供了必要的先决条件，使该地区天然形成质地坚硬的盐岩，并广泛分布于地表及一定地层深度范围内［6］。在这种干燥的气候环境条件下能较大程度保持其强度及工程稳定性。

3.2.2 工程可行性好

在超强盐渍土环境下进行工程建设，若采取换填方式进行地基处理则其换填工作量巨大，且换填料也难以就近获取，必须从场外拉运，势必导致工程造价剧增。基于对盐岩的工程特性分析，若采用压碎后的盐岩作为地基换填材料，以其较高的强度和原生环境下的稳定性，可以有效保证地基的稳定性，且盐岩重塑养护所需的饱和卤水就地易取。与传统地基处理方式相比，易于施工，极大减少了常规方式下地基换填所带来的工作量和填料运费。特别是像新疆罗布泊地区作为我国最大的钾盐开采制备地，可充分利用盐矿开发所开挖弃置的盐岩，以此降低因施工对自然环境所带来的破坏和污染，实现绿色施工。

4 盐岩在路基工程应用中的技术要点

4.1 工程技术要点

4.1.1 盐岩粒径要求

天然状态下的盐岩孔隙较为发育，大多呈不规则的巨块状或壳体，为达到提高承载力的目的，需先对盐岩块体进行破碎，以增加细颗粒含量，提高盐岩的压实度。研究发现，盐岩破碎后当细粒含量为20%，且最大粒径不得超过150mm，可以得到较好的压实质量［10］。因此在破碎盐岩时，需控制好破碎率，使破碎后的盐岩颗粒达到合适的粒径级配要求，以获取更加密实的填筑压实效果。

4.1.2 填筑技术措施

根据盐岩破碎后的再结晶自愈机理，盐岩经饱和卤水浸润后，在重结晶作用下相互粘结融合进而达到自愈恢复，可形成一个强度整体，力学性质得以改善。因此，以破碎后的盐岩颗粒作为填料修筑路基时，禁止喷洒淡水，而应以饱和卤水代之。

4.1.3 基底处理

原始地表的盐岩本身具备一定的强度，宜充分利用地表盐岩。填筑路基前，对表层盐岩进行破碎，再用推土机需对地表进行粗平后，喷洒少量饱和卤水碾压至满足设计要求的密实度（一般不小于90%），之后方可进行路基本体的填筑。

4.1.4 路基本体填筑

在全线填筑前，宜进行路基试验段修筑，验证和优化相关填筑的施工工艺和技术参数，以期获得更高质量的施工效果。通过现场试验段验证，在路基本体填筑时，应采取分层填筑，初平松铺厚度宜控制在180mm～200mm，此后各层松铺厚度不大于300mm。用推土机将盐岩料推铺开后，采用羊足碾压路机反复振压破碎大盐块，使盐岩破碎后的粒径不大于150mm［11］。初平碾压后，按最佳含水率均匀洒布饱和卤水，进行“闷料”，使盐岩充分吸水浸润，待充分晾晒后再次碾压。压实工艺按照“振压1遍、洒卤水、振压5遍、静压1遍”。当填至路基设计标高后，在铺筑沥青路面前，需定期对盐岩路基表面喷洒卤水养护，防止过干开裂，并采用“两布一膜”等隔离材料进行包裹覆盖，以阻断盐分迁移［12］。

4.2 不良工程问题预防处置

4.2.1 溶陷问题

盐岩发生溶陷是因其所含的易溶盐类发生溶解，而主要诱因是水。在填筑时要控制盐岩的天然含水率，特别注意芒硝等硫酸盐中所含的结晶水。尽管罗布泊地区年降水量不足28 mm，但可能集中在某短时间内，出现较强降雨，因此需预置相关隔水和排水措施。据孙自永、余绍文等在罗布泊地区开展的凝结水试验［13］，凝结水日生成量远大于平均降水量，凝结水的产生利于盐岩溶蚀问题的发生。因此，以盐岩为填料填筑时需对含水率进行测定，在路基中设置隔水层，避开雨天施工，同时对已填筑好的路基进行遮盖，防止凝结水入侵。

图3 盐岩路基填筑

4.2.2 盐胀问题

盐胀问题的关键在于盐岩中硫酸盐类吸水结晶体积发生膨胀，由此产生的张力使得路基出现盐胀破坏，伴随着硫酸盐的失水又出现松坍。基于对盐盐岩胀特性的分析研究，其盐胀程度受含水率、压实度、温度等因素影响［14］。温度降低时，压实度越高，其盐胀程度越小；含水率越高，盐胀量越大［15］。在温度一定条件下，硫酸盐发生盐胀对于水的因素最为敏感，因此在填筑时，宜选择硫酸盐占比和含水率较低的盐岩填料，并通过晾晒通风等措施降低天然含水率，提高压实度。

4.2.3 腐蚀问题

在盐岩富盐环境下，腐蚀问题主要表现为影响构筑物基础、排洪管涵等现浇混凝土构筑物的耐久性。在应对盐渍的腐蚀影响时，需加强防腐措施，尽量减少现浇。例如在设置排洪管涵时可采用经防腐处理后的预制管涵。如必须现浇施工，则可选用防腐性能优良的特种水泥、提高水泥标号、增加保护层和防腐层厚度等措施来降低腐蚀问题的影响。

5 结语

1）基于对盐岩的基本特性分析，盐岩含盐量远超一般盐渍土，且具有较高的天然强度，同时存在溶陷性、盐胀性、腐蚀性等不良特性，且水对其溶陷性、盐胀性影响十分突出。

2）盐岩的强度生成机理与普通岩土体存在较大区别，因其含盐量高，其强度生成除与土体颗粒本身的粘聚力相关之外，主要还与所含盐份中的离子结晶作用有关，由所形成的晶体的强度决定。

3）盐岩在饱和卤水作用下再结晶自愈能力得以加强，基于此特性，盐岩用作路基填料应用时，与传统筑路模式中喷洒淡水取向完全相反，宜喷洒饱和卤水，待盐岩充分吸水浸润后压实，通过再结晶作用可形成强度整体，达到较好的强度预期。

未来在提高盐岩资源化应用水平，优化盐岩环境下的技术工艺应是研究应把握的重点，以期尽快形成盐岩工程应用的技术标准和规范。