改良盐渍土强度变形及其微观特性试验研究

色麦尔江·麦麦提玉苏普，陶士超

(喀什大学 土木工程学院，新疆 喀什 844006)

1 研究背景

随着“一带一路”倡议的逐渐深入开展，大量公路铁路等工程广泛建设在盐渍土分布区域，盐渍土作为特殊土，具有盐胀、冻胀、溶陷、腐蚀等不良的工程地质性质，从而导致大量的工程病害[1-2]。因此，研究多种材料联合改良盐渍土的强度变形性能，在推进“一带一路”倡议，加强交通强国建设实践中具有重要理论指导和工程应用价值。

目前，国内外许多学者针对盐渍土进行改良取得了大量的研究成果，如：李敏等[3]利用石灰和粉煤改良滨海地区石油污染盐渍土，得出了满足高速公路、一级公路、二级公路上下路堤及地基土置换的抗压强度要求的改良石油污染盐渍土材料的百分含量。刘诚斌等[4]利用矿渣复合胶凝材料对滨海盐渍土进行改良，并分析其固化机理，结果表明：28～90 d改良盐渍土的强度及水稳性满足一般地基固化处理要求。柴寿喜等[5-6]研究盐渍土在石灰、水泥、粉煤灰及改性的聚乙烯醇(SH)固土剂不同配合比下的无侧限抗压强度试验，得出了SH固土剂为1%和石灰为6%时满足路堤填筑的质量要求的结论，并进一步研究了6种改良方案的固化效果。Min等[7]利用改性聚乙烯醇处理麦秸秆，研究处理前后麦秸秆-石灰改良滨海盐渍土的强度特性，分析了麦秸秆及石灰固化机理。范礼彬等[8]通过无侧限抗压强度试验，研究了氯盐含量对普通硅酸盐水泥改良盐渍土的应力-应变曲线特征的影响规律。宫经伟等[9]研究含盐量对全固废材料改良硫酸盐盐渍土的强度和微观特性，分析了火山灰反应产物及其数量对改良硫酸盐盐渍土强度的影响。Zhang等[10]利用熟石灰、粉煤灰及火山灰等无机材料研究了粗粒盐渍土的盐胀性、溶陷性、无侧限强度及微观结构，得出了最优配合比。吕擎峰等[11]、LV等[12]、吕擎峰等[13]对水玻璃进行加热改性，通过强度、X射线、扫描电子镜像(SEM)及核磁共振试验研究了改性水玻璃石、灰及粉煤灰改良盐渍土效果、固化机理及改良盐渍土的耐久性。王琦[14]在不同的纤维掺量、石灰掺量及纤维强度条件下研究改良盐渍土的固化效果，得出了石灰-纤维的最优配合比。贺生云等[15]以超盐渍土为研究对象，利用粉煤灰-镁渣改良盐渍土进行三轴试验，研究了其强度参数的变化规律，结果发现粉煤灰、镁渣加固盐渍土的机理主要表现为物理加固。于新等[16]以无侧限饱水抗压强度为标准，研究石灰和水泥复合改良盐渍土，考虑强度及经济性，推荐了5%石灰+3%水泥的改良方案。上述研究成果揭示了各种固化剂对土体的改良效果和固化机理，但大部分研究成果集中在硫酸盐盐渍土改良问题，另一部分集中在滨海地区氯盐渍土的改良，针对南疆地区盐渍土成果甚少。

在以上研究成果基础上，本次研究将南疆地区的干旱气候条件与工程实际紧密结合，综合考虑多种材料联合改良盐渍土的强度和变形性能的影响，针对南疆地区氯盐渍土进行改性固化，开展了不同龄期改良盐渍土两种试验方案(方案1和方案2)的无侧限抗压强度试验及SEM-EDS(扫描电镜-能谱仪)试验，研究水玻璃、水泥、石灰、粉煤灰及纤维等多种材料联合改良盐渍土的机理及其微观特征，提出了相应的盐渍土改性固化方案，该研究成果不仅丰富了盐渍土改良技术，而且为盐渍土在路基处理中再循环利用提供了技术参考。

2 试验方案

2.1 土样选取

试验用土样取自喀什至阿图什的铁路沿线某路段(39°39′26″N，76°6′49″E)。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)，获得土样液限为29%，塑限为20%，塑性指数为9，液性指数为0.54。通过轻型击实试验,获得最大干密度为1.66 g/cm3，最优含水量为19.9%。

利用Bettersize 2600型激光粒度仪，采用干法测定经历洗盐后的3份盐渍土土样的粒径分布，比表面积0.553 m2/g，表面积平均径4.020 μm，体积平均径34.26 μm，粒径<0.075 mm颗粒质量为总质量的84.65%，不均匀系数Cu=13.317,曲率系数Cc=0.692。综合上述指标可知，该盐渍土属于粉土。通过化学分析可得在埋深1 m范围内土壤离子含量如图1所示，盐渍土总盐含量高达8.651%(下文的含量均指质量百分比)，其中SO2-4含量为0.391%，Cl-含量为4.892%，Cl-与SO2-4的比值为12.51，比值>3，1 m范围内土壤平均含盐量为4.95%，属于中盐渍土(1%≤含盐量<5%)。

图1 易溶盐含量随深度的变化Fig.1 Variation of soluble salt content with depth

利用TD3500型X射线衍射仪测定取自4个不同深度的典型天然盐渍土拌合物的主要成分，其中石英SiO2含量为34.2%,石膏Ca(SO4)(H2O)2含量为17.1%,碳酸钠钙石Ca2Na2(CO3)3含量为5.2%,高岭土Al2(Si2O5)(OH)4含量为15.4%，滑石Mg3(Si4O10)(OH)2含量为0.2%,钠长石NaAlSi3O8含量为21.8%，氯化钠NaCl含量为6%。

2.2 试验材料

试验用材料包括素土、无水氯化钠、水泥、石灰、粉煤灰、水玻璃、聚丙烯纤维。

(1)试验用素土：对前述典型天然盐渍土进行洗盐，直至含盐量符合《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)的规定。

(2)氯化钠：采用粉状无水氯化钠，等级为分析纯，有效NaC1含量≥99.5%。

(3)石灰：采用生石灰粉，有效氧化钙和氧化镁含量为60%。

(4)水玻璃：采用新疆当地水玻璃厂产品，液体状，化学式为Na2O·nSiO2，二氧化硅SiO2含量为28.1%，氧化钠Na2O含量为9%,模数为3.12，浓度为39°～40°Bé，密度为1.394 g/mL，试验用水玻璃将用蒸馏水1∶1稀释。

(5)纤维：类型为聚丙烯，束状单丝，直径18～48 μm，相对密度为0.91，抗拉强度>458 MPa，弹性模量>3.5 GPa，拉伸极限>150%，抗酸碱性及抗低温性高。

(6)水泥：采用喀什当地水泥厂P·O 42.5级水泥，水泥主要的化学成分当中CaO含量为57.99%，SiO2含量为24.23%，Al2O3含量为6.11%，SO3含量为2.71%，Fe2O3含量为2.69%，MgO含量为2.45%。

(7)粉煤灰：一级粉煤灰，细度为43 μm，密度为2.4 g/cm3，含水量为0.4%，粉煤灰的主要化学成分当中SiO2含量为54.94%，Al2O3含量为34.86%，CaO含量为2.63%，Fe2O3含量为2.52%，K2O含量为1.76%。

2.3 试验方案

选用水泥、石灰、粉煤灰、水玻璃和聚丙烯纤维等无机材料作为固化材料对氯盐渍土进行改良，并开展改良氯盐渍土的无侧限抗压强度试验及SEM-EDS试验，研究采用水泥/粉煤灰+石灰+纤维+水玻璃方案条件下改良盐渍土的改良效果及其机制，选出最佳改性固化方案。本次试验采用五因素四水平正交试验，按照L16(45)进行试验方案设计，共设计了2种试验方案(以下简称“方案1”及“方案2”)如表1、表2所示。

表1 正交试验方案1Table 1 Orthogonal test scheme 1

表2 正交试验方案2Table 2 Orthogonal test scheme 2

2.4 试样制备

本试验按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行试样的制作，无侧限抗压强度试验采用Φ5 cm×H5 cm的圆柱体试样。以击实试验得到的最优含水率19.9%和最大干密度1.66 g/cm3为标准，按正交试验方案设计配比计算出每个试样所需素土、水泥、石灰、粉煤灰、水玻璃、无水氯化钠的用量。配样时，按照不同方案下的材料用量，将各个材料用量与素土先拌合均匀，然后用配置好的试验用水玻璃，采用喷壶喷洒的方法使混合料拌匀；采用双向静力压实法，迅速制成压实度为96%的Φ5 cm×H5 cm圆柱体样，维持稳定压力2 min，以消减土样的回弹，每个龄期(选定7、14、28 d共3个龄期)制作3个试样，每组配比制作9个试样，共32组试验，288个试样。成型后将其置于温度(20±2)℃、相对湿度95%以上的标准养护室分别养护7、14、28 d，其中最后一天24 h浸水处理。

对比组试样为人工配制盐渍土，其组成成分为素土、无水氯化钠及水，含盐量设置为1%、3%、5%、7%，以最优含水率19.9%和最大干密度1.66 g/cm3为标准，闷料24 h，按照上述方法双向静力压实制成，每个含盐量制作3个试样，共4组12个试样，制作完毕后迅速进行无侧限抗压强度试验。

扫描电镜试验试样取自28 d龄期的无侧限抗压强度试验试样破坏断口上不同典型部位；一个破坏断口上中下取3个切片进行电镜扫描，试样尺寸约为10 mm×10 mm。

2.5 试验方法

2.5.1 无侧限抗压强度试验

采用250D微机控制电子万能试验机进行无侧限抗压强度试验，加载速率为1 mm/min；两种试验方案共288个试样，32组试验，对每个相同龄期的3个试样进行测试，并取平均值作为该组试验结果。

2.5.2 SEM-EDS试验

采用Phenom ProX型电镜能谱一体机，对取自无侧限抗压试验破坏断口上不同典型部位的试样进行扫描，分析固化后试样的结构形貌、颗粒排列特征及接触方式，并对水化产物进行SEM-EDS微观结构分析。

3 试验结果与分析

3.1 无侧限抗压强度试验

正交试验各组试样7、14、28 d龄期的无侧限抗压强度试验结果如表3、图2所示。

表3 方案1和方案2改良盐渍土试验结果Table 3 Test results of unconfined compressive strength of improved saline soil in scheme 1 and scheme 2

图2 无侧限抗压强度试验结果直方图Fig.2 Histogram of unconfined compressive strength

含盐量1%、3%、5%、7%对应的对比组试样无侧限抗压强度分别为0.34、0.23、0.19、0.11 MPa，随着含盐量的增大抗压强度呈下降趋势。由图2可以看出，两种方案后期28 d抗压强度均高于早期7 d和中期14 d抗压强度；方案1中第2组至第8组的7 d 抗压强度相比14 d抗压强度明显偏大，由此可知，随着龄期的增大，抗压强度整体上变化规律不显著；方案2中随着龄期的增大，抗压强度整体上呈增大趋势；方案1和方案2中7 d抗压强度最大值分别在第8组、第4组，14 d抗压强度最大值分别在第16组、第3组，28 d抗压强度最大值分别在第4组、第2组。相比对比组，两种方案抗压强度改良效果较明显。

3.2 极差分析

针对两种方案在不同的养护龄期条件下，5种因素对抗压强度影响程度进行极差分析，分析结果如图3所示。极差R表示5种因素各水平变化对抗压强度变化幅度的影响，若R越大，对应试验因素对试验结果的影响越大，反之越小。

根据图3极差分析结果，在方案1中，5个因素对不同龄期试样抗压强度的影响程度最大的是水泥含量，其次为含盐量，石灰含量的影响程度随龄期的增大而呈越来越不显著的变化趋势，纤维含量和长度影响程度规律性不显著；在方案2中，5个因素对不同龄期试样抗压强度的影响程度从大到小依次为含盐量、粉煤灰含量、石灰含量、纤维含量，随着龄期的增大，纤维长度影响程度逐渐增大。

图3 无侧限抗压强度极差分析Fig.3 Range analysis of unconfined compressive strength

3.3 方差分析

针对两种方案在不同的养护龄期条件下，5种因素对抗压强度的影响程度进行方差分析，分析结果如图4所示。若F>Fα，则该因素显著，否则不显著，其中α=0.05作高度显著的临界值，α=0.10作一般显著的临界值。

图4 无侧限抗压强度方差分析Fig.4 Analysis of variance of unconfined compressive strength

由图4可知，方案1中水泥含量对各龄期试样抗压强度的影响显著；含盐量对7 d和28 d抗压强度影响显著，对14 d抗压强度影响不显著；其余因素影响不显著。方案2中含盐量对各龄期抗压强度影响显著，其他因素影响不显著。

以抗压强度作为评价标准，根据正交试验无侧限抗压强度的极差分析结果，统计各龄期试样最优组合，统计结果如表4所示。

表4 方案最优组合统计Table 4 Optimal combinations of improvement schemes

由表4可以看出，方案1中最优组合含盐量均为3%，方案2中最优组合含盐量均为1%，以28 d抗压强度作为评价标准，方案1最优组合为A2B4C4D2E4，

即含盐量3%+水泥8%+石灰12%+纤维0.2%-纤维长度18 mm；方案2最优组合为A1B4C2D2E2，即含盐量1%+粉煤灰20%+石灰6%+纤维0.2%-纤维长度12 mm。此外，方案1的28 d抗压强度均大于方案2的28 d抗压强度，根据盐渍土的工程分类，方案1适用于中盐渍土(1%≤含盐量<5%)改性固化处理，且适用范围较大；方案2适用于弱盐渍土(含盐量<1%)改性固化处理。

3.4 试样应力-应变曲线及破坏形态分析

根据抗压强度极差分析，含盐量、水泥含量、粉煤灰含量是影响抗压强度的主要因素。为研究改良盐渍土的应力-应变曲线特性，在无侧限抗压强度试验结果中选取典型应力-应变曲线，如图5所示。

图5 无侧限抗压强度试验应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of unconfined compression strength test

图5(a)为水泥含量8%不变时，随着试样含盐量增大而变化的应力-应变曲线；图5(b)为含盐量3%不变时，随着水泥含量的增加而变化的应力-应变曲线。由极差分析结果可知，含盐量对抗压强度影响最大，其次为水泥含量。由图5(a)可知，当水泥含量为8%时，随着含盐量的增大，试样抗压强度逐渐降低，应力-应变曲线呈应变软化型，试样呈脆性破坏；由5(b)可知，当含盐量保持3%不变时，随着水泥含量的增大，试样抗压强度逐渐增大，峰值应变变化规律不显著，应力-应变曲线仍为应变软化型，试样呈脆性破坏。

图5(c)为粉煤灰含量20%时，随着试样含盐量增大而变化的应力-应变曲线；图5(d)为含盐量1%时，随着试样粉煤灰含量增大而变化的应力-应变曲线。由极差分析结果可知，含盐量对抗压强度影响最大，其次为粉煤灰含量。由图5(c)可知，当水泥含量20%时，随着含盐量的增大，试样抗压强度逐渐降低，峰值应力附近出现小范围内波动，表明试样内部出现微小裂缝，但未呈现出显著的规律性。应力-应变曲线呈应变软化型，试样破坏呈脆性破坏；由图5(d)可知，当含盐量为1%时，随着粉煤灰含量增大，抗压强度逐渐增大，应力-应变曲线呈应变软化型，试样破坏呈脆性破坏，当试样所受应力越过峰值后，相比方案1，方案2试样应力-应变曲线下降较为缓慢，脆性破坏特性减弱。

图5(e)为含盐量不同时的对比组试样应力-应变曲线。由图5(e)可知，随着含盐量增大，抗压强度逐渐降低，试样破坏由脆性破坏逐渐转化为塑性破坏，峰值应变出现在3%附近。2种改良方案试样峰值应变出现在2%附近，由此可知，2种方案改良盐渍土抵抗变形能力有所提高。

试样无侧限抗压强度试验破坏形态如图6所示。由图6可以看出，对比组试样破坏时呈碎块状，均出现完全贯通裂缝(见图6(a))；当掺和一定量的纤维之后(见图6(b))，破坏时不出现碎块，出现竖向或近似于竖向的多个较细裂缝(见图6(c)、图6(d))。

图6 无侧限抗压强度试验破坏形态Fig.6 Failure patterns of specimens undergone unconfined compressive strength test

根据选取的对比组和掺和纤维试样的应力-应变曲线(见图5)可知，掺和纤维不仅可提高试样抗压强度，还有助于提高试样的抵抗变形能力；由图5可知，改良盐渍土应力-应变曲线具有明显的峰值，而对比组应力-应变曲线无明显峰值，改良盐渍土越过峰值以后，仍能保持较高的抗压强度值。

3.5 SEM-EDS微观结构分析

选取含盐量为1%、3%、5%、7%，养护28 d的典型破坏试样，均在4 000倍数下观察其矿物颗粒形貌、连接方式、盐结晶以及空隙发育情况，其中对比组采用340、4 000倍两种放大倍数(编号为DZ)，扫描图像如图7所示。

图7 对比组及28 d固化盐渍土SEM图像Fig.7 SEM images of control group and 28 d age solidified saline soil

对试样部分胶结区域进行EDS面扫描，分析其元素成分及含量，图7中矩形标注区域为面扫区域，分析结果如表5所示。

表5 面扫区域元素质量百分比Table 5 Content ratio of elements in surface scan area

在2种放大倍数下观察对比组SEM图像发现，对比组矿物颗粒多为碎片状， 分布较为松散， 胶结物呈蜂窝状， 其结构疏松程度显著， 粒间孔隙较大， 粒间孔隙主要以受力作用下粒间滑移形成为主。根据表5结果， 观察1G4至1G16-1的SEM图像发现大部分矿物颗粒较大， 颗粒完整性较好， 小颗粒呈碎片状， 颗粒间孔隙主要以受力破坏形成为主， 胶凝由絮状水化硅酸钙和针状钙矾石构成， 其微观结构较致密， 颗粒间接触方式以面-面接触方式为主； 观察2G4至2G16-1的SEM图像发现， 因水玻璃加速凝结而未来得及反应的粉煤灰球状颗粒， 嵌入在胶凝当中， 接触方式为球-面， 球颗粒间距疏松， 其他颗粒无序面-面方式接触， 可以明显区分胶凝， 胶凝结构疏松， 结合2G16-2、 2G16-3 SEM图像发现大量蜂窝状和流体状胶凝， 通过EDS分析发现， 蜂窝状胶凝中的主要元素为O、 Ca、 Si、 Al，其质量百分比分别为48.73%、 9.67%、 25.18%、 8.28%；流体状胶凝中主要元素为O、 Si、 Na、 Cl， 其质量百分比分别为22.37%、 14.52%、 23.37%、 26.74%。 由此可见， 方案1内部结构排列致密， 完整性好， 相比方案2，强度性能优越； 此外， 通过EDS分析试样中Na、 Cl元素含量可知， 人工配置盐渍土中氯化钠晶体分布不均匀且分布较离散， 如图8所示， 此时出现晶体遇水溶解产生孔洞降低内部结构致密性。

图8 面扫区域Na、Cl元素质量百分比与配置含盐量Fig.8 Percentage content ratio of Na and Cl elements and configured salt content in surface scan area

4 结 论

由无侧限抗压强度试验及SEM-EDS试验结果可知，将水玻璃、粉煤灰、石灰、水泥、水玻璃及纤维混合使用作为改良材料，得出如下结论:

(1)可选取粉煤灰20%、石灰6%、纤维0.2%、纤维长度12 mm作为弱盐渍土的改良材料，可选取水泥8%、石灰12%、纤维0.2%、纤维长度18 mm作为中盐渍土的改良材料。

(2)2种方案改良盐渍土越过应力峰值后仍能保持较高的抗压强度值，改良盐渍土应力-应变曲线为应变软化型，试样呈脆性破坏。

(3)根据微观结构及EDS分析，改性固化盐渍土的矿物颗粒较大，颗粒完整性较好，小颗粒呈碎片状，颗粒间孔隙主要因受力破坏引起，胶凝物由絮状水化硅酸钙和针状钙矾石构成，其微观结构较致密，颗粒间接触方式以面-面接触方式为主；方案1内部结构排列致密，完整性好，相比方案2，强度性能优越。