不同氯离子浓度对硫酸盐渍土盐冻胀特性的影响研究.pdf

第 22 卷 第 2 期2023 年 6 月宁 夏 工 程 技 术Vol.22 No.2Ningxia Engineering TechnologyJun.2023不同氯离子浓度对硫酸盐渍土盐冻胀特性的影响研究周鑫磊1，张卫兵1，2*，任亚军1，刘臻祥1，李晓1，雷过1（1.宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川750021；2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏 银川750021）摘 要：为探究不同氯离子浓度对硫酸盐渍土冻结温度和盐冻胀变形的影响，采用自制试验土柱，在硫酸钠质量分数为 3%、含水率为最优含水率条件下，对 7 组不同的氯硫比（氯离子与两倍硫酸根离子摩尔质量的比值）工况进行降温试验，研究了冻结温度和盐冻胀变形随氯离子浓度增加的变化趋势。结果表明：氯离子降低了硫酸盐渍土冻结温度，且随着氯离子浓度的增大，其降低幅度增大，同时土体达到冻结温度的时间延长；氯离子改变了盐冻胀变形的温度区间，氯硫比为 0.10.7 时，硫酸盐渍土盐冻胀变形的起始温度高于不含氯离子硫酸盐渍土的起始温度，且相应温度区间大于不含氯离子硫酸盐渍土的温度区间，氯硫比为 0.8 时，与不含氯离子硫酸盐渍土的温度区间接近；氯离子对硫酸盐渍土的盐冻胀变形有明显的抑制作用，且抑制作用随氯离子浓度增大而增强。关键词：含氯硫酸盐渍土；氯硫比；冻结温度；盐冻胀变形；温度区间中图分类号：TU448 文献标志码：A我国西北地区分布有大面积的硫酸盐渍土，随季节温度的变化，土中硫酸钠吸水结晶对道路工程、建筑物地基基础等产生盐胀和冻胀破坏，引发的工程问题时有发生1，因此开展温度变化条件下硫酸盐渍土的盐冻胀特性研究具有重要的工程意义。在盐冻胀变形研究方面，肖泽岸等2、曹亚鹏等3研究了不同质量分数的硫酸钠对土体盐冻胀变形的影响，结果表明，在含盐量较低时，土体只表现出融沉变形，在含盐量较高时土体才会表现出盐冻胀变形。张卫兵等4研究了单次降温条件下硫酸盐渍土的盐冻胀变形规律，并根据温度区间对硫酸盐渍土盐冻胀变形进行了划分。牛玺荣等5基于硫酸钠溶液，推导出了硫酸盐渍土体积变化关系式，给出了理论上计算盐冻胀量的方法。李炎等6研究发现，盐冻胀变形随冻融循环次数的增加而不断累加，经过 6次冻融循环后，盐冻胀量趋于稳定。在冻结温度研究方面，周家作等7研究了不同 NaCl 浓度下粉质黏土的冻结温度，得出冻结温度随着 NaCl 浓度的增加而降低。应赛等8分析了影响冻结温度的因素，给出了冻结温度的理论计算公式。万旭升等9对硫酸钠溶液和硫酸盐渍土土样进行了试验，发现在降温过程中两者的冻结温度存在一定差异。邴慧等10研究发现，土体冻结温度随含盐量的增加而降低。在NaCl 对硫酸盐渍土的盐冻胀特性及冻结温度的影响方面，赵天宇等11探究了含氯硫酸盐渍土中硫酸钠结晶量，发现氯化钠不仅对硫酸钠结晶有抑制作用，还表现出促进作用，具体影响取决于土体内的含盐量和含水率的组合条件。肖泽岸等12研究了在NaCl 和 Na2SO4两种盐作用下盐渍土的冻结温度及盐冻胀变形规律，解释了 NaCl 抑制 Na2SO4盐渍土盐冻胀变形的原因。此外，W.B.Zhang 等13对硫酸盐渍土的强度进行了研究，得到了内摩擦角和黏聚力随含盐量的变化规律。R.J.Flatt 等14对硫酸钠和氯化钠盐结晶压力进行了研究，为干湿循环过程中硫酸钠引起的破坏现象提供了力学支撑。影响盐冻胀的因素主要是土中硫酸钠溶液的浓文章编号：1671-7244（2023）02-0158-06收稿日期：2022-04-15基金项目：宁夏自然科学基金项目（2021AAC03067）；宁夏高等学校一流学科建设项目（NXYLXK2021A03）；宁夏大学研究生创新项目（GIP2021051）作者简介：周鑫磊（1997），男，硕士研究生，主要从事岩土力学及工程应用研究（）。*通信作者：张卫兵（1973），男，教授，博士，主要从事土力学与基础工程方面的教学与研究（）。第 2 期周鑫磊等：不同氯离子浓度对硫酸盐渍土盐冻胀特性的影响研究度发生变化，从而析出硫酸钠结晶，进而对硫酸盐渍土的外在宏观变形产生不同程度的影响，且硫酸盐渍土中主要盐分为硫酸钠。因此学者们对于土体中单一硫酸钠的影响有了较多的研究。通过工程勘察发现，硫酸盐渍土中同时含有少量氯化钠15，文献12中提出氯盐对硫酸盐渍土盐冻胀变形有抑制作用，但对于其抑制效果尚不明确，氯化钠和硫酸钠不同比例时的盐冻胀机理还需进一步探究。为此，本文在前述研究的基础上，通过试验进一步探究在硫酸钠质量分数一定的情况下，氯化钠浓度变化对硫酸盐渍土冻结温度、达到冻结温度所需的时间以及最终盐冻胀量的影响，为硫酸盐渍土地区地基处理提供参考与借鉴。1材料与方法1.1试验用土本次试验用土取自宁夏吴忠市红寺堡区，将取回的硫酸盐渍土进行土壤化学离子分析，土中离子的质量比见表 1，将其换算为物质的量，氯离子与两倍硫酸根离子物质的量的比值为 0.87，根据 岩土工程勘察规范（GB 500212018）16，确定本次试验用土为亚硫酸盐渍土。通过筛分试验，确定土颗粒粒径分布如表 2 所示，依据 土的工程分类标准（GB/T 501452007）17可 知，本 次 试 验 用 土 为 粉 质砂土。1.2试验方案为便于准确控制土中氯离子和硫酸根离子的浓度，先将试验用土用蒸馏水进行充分洗盐，风干后过2 mm 筛，通过击实试验可得洗盐后土体，其最大干密度为 1.64 g/cm3，最优含水量为 17%。为方便表述，本文将氯离子与两倍硫酸根离子摩尔质量的比值称为氯硫比。为便于观察明显的变化规律，试验中控制试验用土的硫酸钠质量分数为 3%、含水率为 17%、压实度为 90%，其他因素均保持不变，分别设置了 0，0.1，0.2，0.3，0.5，0.7，0.8 七个不同的氯硫比工况，各工况下 Cl-和 SO42-的浓度如表 3 所示。1.3试验方法本文将硫酸钠和氯化钠按设定的氯硫比配置成溶液加入土中，密封保存 24 h，然后将土按 90%压实度装入试验土柱模型（图 1a）中，分层压实，土柱外围用保温材料包裹放入高低温交变试验箱（图 1b）中进行单向降温试验。依据宁夏当地气象资料，宁夏地区冬季最低气温为-22，考虑极端情况，控制试验箱最大负温为-25，最大正温为 25，温度从 25 单向匀速降温至-25，降温过程历时48 h。试验过程中温度传感器分别在距土柱底端5，10，15，20 cm 处采集土柱内部温度，位移传感器在土柱顶部采集土柱变形数据。位移传感器为YHD 型位移传感器，温度传感器为 TEROS 12 传感器，如图 1 所示。每组试验进行两组平行试验，试验结果取平行组数的平均数。表1土中离子的质量比项目土样质量比/（g kg-1）CO32-0.036HCO3-0.161Cl-3.607SO42-5.608Ca2+0.612Mg2+0.455K+0.077Na+6.7表2土颗粒粒径分布粒径/mm百分比/%211.8620.256.370.250.07549.070.0750.0512.680.0520.02表3不同氯硫比下土中离子浓度氯硫比00.10.20.30.50.70.8c（SO42-）/（molL-1）0.0010.0010.0010.0010.0010.0010.001c（Cl-）/（molL-1）00.000 260.000 520.000 780.001 300.001 820.002 08a试验土柱模型b高低温交变试验箱c温度传感器d位移传感器图1试验仪器实物图159宁 夏 工 程 技 术第 22 卷2结果与分析2.1不同氯硫比对硫酸盐渍土降温过程的影响不同氯硫比条件下温度随时间变化的过程曲线如图 2 所示，为便于清晰观察冻结温度的变化规律，图 3 放大了 824 h 土体温度变化的过程。试验过程中土体温度是通过 TEROS 12 温度传感器测定，为距土柱底端 10 cm 处土柱内部的温度。由图 2 可知，不同氯硫比条件下土体温度随时间变化的趋势基本一致，在 8 h 之前土体温度降低幅度较大、在 816 h 土体温度基本保持稳定，16 h 之后温度又逐渐降低，且降低幅度趋于平缓。冻结温度是土中自由水开始冻结并保持稳定对应的温度18，为土体温度中的某一确定温度。由图 3 可知，氯硫比为 0 时冻结温度为-8，其他氯硫比下冻结温度均低于-8，且随氯硫比增大而逐渐降低。曲线整体符合土中水分冻结的过冷、稳定、递降 3 个阶段，并未出现明显的跳跃阶段。究其原因，出现跳跃阶段是由于硫酸钠结晶和冰水相变均放热，土体温度升高才有了温度的跳跃。本次试验土体的冻结温度都低于-8，试验过程中温度传感器采集的均是土样内部温度，而土体外界温度要低于相应冻结温度，此时结晶放热和相变放热使土体升高的温度未超过冻结温度，更未超过土体外界温度，因此未出现跳跃阶段。这证明只要外界环境温度足够低（-8），跳跃阶段就会消失，土样继续被冻结7。2.2不同氯硫比条件下土体冻结温度及达到冻结温度所需时间图 4 和图 5 分别给出了土体达到冻结温度的时间随氯硫比变化的曲线和土体冻结温度随氯硫比变化的曲线。由图 4 可知，随着氯硫比增大，土体达到冻结温度所需的时间呈现不同阶段的增长趋势。氯硫比在0.10.3 时，冻结时间增长相对较缓慢，整体较不含Cl-的硫酸盐渍土的时间增长了近 1 h；氯硫比在0.30.7时，增长幅度变大，所需时间增长了1.3 h；氯硫比在 0.70.8 时，增长幅度最大，冻结时间增长了2 h。可以得出，随着氯硫比的增大，达到冻结温度所需的时间增长。由图 5 可知，随着氯硫比增大，土体冻结温度降低且降低幅度逐渐增大。当氯硫比由0816243240483020100102030$/L h.=0.=0.1.=0.2.=0.3.=0.5.=0.7.=0.8图2土体温度随时间变化的曲线8162420100$/L/h.=0.=0.1.=0.2.=0.3.=0.5.=0.7.=0.8图3824 h土体温度随时间变化的曲线0.00.10.20.30.50.70.88910111213LK.图4土体达到冻结温度的时间随氯硫比变化的曲线0.00.10.20.30.50.70.816151413121110987$/.图5土体冻结温度随氯硫比变化的曲线160第 2 期周鑫磊等：不同氯离子浓度对硫酸盐渍土盐冻胀特性的影响研究0.1 增大到 0.5 时，冻结温度由-8 降低到-10.9，相邻氯硫比之间冻结温度的降低幅度相差 2%；氯硫比超过 0.5 之后，降低幅度超过 10%。由于 Cl-对冻结温度的影响要大于 SO42-的影响，当氯硫比大于0.5，Cl-含量明显增多，由此引发冻结温度降低幅度增大。此外，由于本次试验中 Na2SO4质量分数保持一定，氯硫比增大实质上是土体中所含盐分总量增加，而随着含盐量的增大，土体冻结温度降低。由图 4 和图 5 相互印证，在同样的降温速率下，随氯硫比的增大，土体冻结温度降低，达到冻结温度所需的时间增长。2.3不同氯硫比对含氯硫酸盐渍土盐冻胀率的影响不同氯硫比条件下盐冻胀率随温度变化的过程曲线如图 6 所示。由图 6 可知，当外界环境温度从24 开始下降，含氯硫酸盐渍土盐冻胀率随温度变化都表现为基本稳定显著增大趋于平缓 3 个阶段，且盐冻胀率随氯硫比的增大而有所降低。温度在 2510 时，盐冻胀率趋于 0，即盐冻胀变形基本未发生；氯硫比为 0.10.7 的土样在 10 时盐冻胀率开始发生变化，原因是随着温度的降低，硫酸钠的溶解度逐渐降低，当温度降低到 10 左右时，溶液中过饱和的硫酸钠结晶析出，从而盐冻胀率开始产生。需要指出，在 0 以上土体只发生盐胀变形，低于 0 后，土体的变形包含盐胀和冻胀变形，文中为统一表述，将 0 以上和 0 以下的变形统称为盐冻胀变形。从盐冻胀变形增大的温度区间可以看出，氯硫比为 0.10.5 的土样在 10-10（冻结温度附近）时盐冻胀变形基本完成，氯硫比为0.7 的土体在 10-10 时达到了整体盐冻胀率的80%，氯硫比为 0.8 的土体达到了 40%。可以看出，达到冻结温度后盐冻胀率仍有增加，根据文献19的研究结果，在降温过程中未冻区盐分会随水分向冻结区迁移，使冻结区盐分浓度增大，由于冻结区水分冻结盐分浓度增大，盐分有向未冻区扩散的趋势。由此认为，达到冻结温度后，在一定时期内还存在未冻水，土中硫酸钠仍会有结晶析出，导致土体继续产生盐冻胀变形。氯硫比为 0.1 的土体盐冻胀率最大，达到 1.6%，随着氯硫比增大，盐冻胀率降低，但降低幅度较小。在-10-25 时，氯硫比为 0.10.5的土体盐冻胀变形趋于稳定，氯硫比为 0.7 和 0.8 的土体继续发生盐冻胀变形，最终盐冻胀率趋于1.0%，与氯硫比为 0.10.5 的盐渍土表现出较大差异。达到-10 后，不含氯离子的硫酸盐渍土盐冻胀率开始急剧增长，最终盐冻胀率接近 1.6%。究其原因，-10 低于其冻结温度，在冻结温度后，土中水分开始冻结，使得土中 Na2SO4溶液浓度显著增大，溶液达到过饱和，在较小的温度范围内结晶析出较多的 Na2SO4 10H2O，且在冻结温度后有了冰晶产生，在 Na2SO4 10H2O 结晶和冰晶的双重作用下，土样体积膨胀率显著增加。表 4 给出了土样在降温过程中纯盐胀率与盐冻胀率的比例变化。由表 4 可知，氯硫比在 0.10.7时，纯盐胀变形占整个盐冻胀变形比例超过 50%，氯硫比在 0.8 和 0 时盐胀变形几乎为 0，全部表现为盐冻胀变形，随着氯硫比的增大，纯盐胀率逐渐减小且最终盐冻胀率逐渐减小。2.4不同氯硫比对含氯硫酸盐渍土最大盐冻胀量的影响不同氯硫比影响下土体最大盐冻胀量变化曲线如图 7 所示。由图 7 可知，随氯硫比增大，最大盐冻胀量呈折线下降趋势。氯硫比由 0.1 增大到 0.5 时，最大盐冻胀量由 4.13 mm 降低到 3.59 mm，最大盐冻胀量降低了 13.1%；当氯硫比由 0.5 增大到 0.7时，最大盐冻胀量呈现显著减小趋势，由 3.59 mm 减小为 2.64 mm，降低幅度为 26.5%；当氯硫比继续增大至 0.8 时，最大盐冻胀量减小幅度趋于平缓，由2.64 mm 减小到 2.57 mm，降幅仅为 2.7%。总体看来：最大盐冻胀量随着氯硫比的增加呈减小趋势，25201510505101520250.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8-6)%$.=0.=0.1.=0.2.=0.3.=0.5.=0.7.=0.8图6盐冻胀率随温度变化的曲线表4不同氯硫比下土样盐冻胀率氯硫比纯盐胀率/%最终盐冻胀率/%001.650.11.121.650.21.061.550.31.101.450.51.011.440.70.701.060.801.03注：表中纯盐胀率为0 以上时试样土体的变形率，最终盐冻胀率为试验结束时土样的变形率，变形率为盐冻胀变形量与原土柱高度的比值。161宁 夏 工 程 技 术第 22 卷与不含氯化钠的硫酸盐渍土中随硫酸钠质量分数增加所呈现的变化趋势20恰好相反；与不含氯盐的硫酸盐渍土相比，当氯硫比达到 0.8 时，最大盐冻胀量由 4.13 mm 降低到 2.51 mm，降低了 39.2%，表明氯离子浓度较高时对盐冻胀变形的抑制效果较显著。3结论与讨论3.1结论（1）氯离子可降低硫酸盐渍土冻结温度，延长土体达到冻结温度的时间，且冻结温度的降低幅度随氯硫比增大而增大。氯硫比为 0.8 时，冻结温度比不含氯离子的硫酸盐渍土降低了约 7，达到冻结温度所需时间增长了约 4 h。由于冻结温度过低（-8），土体降温曲线未出现明显跳跃阶段。（2）含氯盐与不含氯盐时硫酸盐渍土发生显著盐冻胀变形的温度区间存在较大差异，氯硫比为 0时的起胀温度接近-10，温度区间长度接近10。当氯硫比在 0.10.7 时，发生盐冻胀变形的起胀温度接近 10，温度区间长度接近 20，当氯硫比增大到 0.8 时，起胀温度降低为-10，温度区间长度减小为 10。（3）随着氯硫比的增大，纯盐胀变形逐渐减小，且最终盐冻胀变形逐渐减小，氯化钠对硫酸盐渍土盐冻胀变形的抑制作用随氯离子浓度增大而增强，氯硫比等于 0.8 时，最大盐冻胀量降低了 39.2%，氯硫比在 0.10.7 时，纯盐胀变形占整体盐冻胀变形的比例超过 50%，氯硫比为 0 和 0.8 时，纯盐胀变形几乎为 0，土体变形表现为盐冻胀变形。3.2讨论本文关于土体降温曲线的变化趋势和冻结温度的试验结果，与文献7的研究结果一致。综上分析，与不含氯离子的硫酸盐渍土相比，氯离子可降低土体冻结温度，当氯硫比达到 0.8 时，冻结温度降低了近 7，因此工程中可通过加入氯盐来降低硫酸盐渍土的冻结温度，进而达到抑制冻胀变形的目的。从本次试验结果分析来看，氯离子浓度较高时，对冻胀变形的抑制效果较好。从最终盐冻胀率来看，掺入氯盐的确可以抑制整体盐冻胀变形，但加入氯盐后起胀温度提前（由图 6 可知，氯硫比为 0.10.7 时起胀温度提前了近20），导致发生显著盐冻胀变形的温度区间延长，氯硫比为 0.10.7 时温度区间为 10-10，区间长度接近 20。原因是加入氯化钠后降低了土体的冻结温度，且加入氯化钠引起土中盐分总量增加，促使土中溶液饱和度增大，纯盐胀变形所占比例增加，从而导致这一现象的发生（不含氯盐时纯盐胀率几乎为 0，而加入氯盐后纯盐胀率超过整体盐冻胀率的 50%，尤其是在氯硫比小于 0.5 时，这一现象比较明显）。当氯硫比达到 0.8 时，引起盐冻胀的温度范围又明显减小，区间长度接近 10，纯盐胀率几乎为 0。因此，如果要利用氯化钠抑制硫酸盐渍土盐冻胀时，应尽量选取较大的氯化钠含量，可在一定程度上减小温度区间扩大带来的不利影响，且抑制效果显著，但也应注意氯离子增多带来的腐蚀作用，最终效果需综合考量而定。参考文献：1 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investigate the influence of different chloride ion concentrations on the freezing temperature and salt-frost heave deformation of sulfate saline soils，test soil columns were used.Under the condition of 3%sodium sulfate mass fraction and optimal moisture content，temperature reduction tests for 7 different sets of chloride to sulfur ratio（the ratio of chloride ions to twice the molar mass of sulfate ions）working conditions were conducted，and the variation of freezing temperature and salt-frost heave deformation with the increase of chloride ion concentration was obtained.The results show that chloride ion reduce the freezing temperature of sulfate saline soil.With the increase of chloride ion concentration，the reduction increases greatly and the time to reach the freezing temperature is extended.Chloride ion changes the temperature range of salt-frost heaving deformation.When the chloride to sulfur ratio is 0.1 to 0.7，the starting temperature of salt-frost heaving deformation is higher than that without chloride ion，and the corresponding temperature range is larger than that without chloride ion.When the ratio is 0.8，the temperature range is close to that without chloride ions.Chloride ions have a significant inhibitory effect on salt-frost heave deformation of sulfate saline soils，and the inhibitory effect increases with the increase of chloride ion concentration.Keywords：chlorinated sulfate saline soil；chlorine to sulfur ratio；freezing temperature；salt-frost heave deformation；range of temperature（责任编辑 王德平）163