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第 29 卷 第 11 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.29 No.11 2007 年 11 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Nov., 2007 不同类型盐渍土固化体的干缩与湿胀特性 周永祥，阎培渝 （清华大学土木工程系，北京 100084） 摘 要采用三种固化剂对高含盐量的氯盐盐渍土和硫酸盐盐渍土进行固化，研究了它们的干缩和湿胀特性。结果表 明，用矿渣和粉煤灰取代部分水泥，随后又增加粉煤灰的比例，可以连续降低固化土的干缩应变和干缩系数。矿渣和 粉煤灰取代水泥后，水化活性减弱，产物减少，同时，体系内 Ca2的浓度降低，盐渍土中所含 NaCl 和 Na2SO4对化学 反应的促进作用减弱，化学反应程度以及由此引起的自由水到结合水的转化、孔隙特征的变化的差别缩小，因此，盐 分引起的固化土的干缩应变和干缩系数的差别缩小。 Na2SO4对固化土干缩应变和干缩系数的提高作用比 NaCl 明显。 在 低钙体系中，NaCl 的物理作用比化学作用更突出。含 NaCl 的固化土试件在吸湿阶段具有明显的吸潮特性，但并不引 起较大的膨胀。残存在土体中的 Na2SO4在吸湿阶段可能发生剧烈膨胀而导致土体发生严重开裂。 关键词固化盐渍土；干燥收缩；干缩系数；吸湿膨胀；盐分 中图分类号TU472.5；TU448；U419.5 文献标识码A 文章编号1000–4548200711–1653–06 作者简介周永祥1979– ，男，云南呈贡人，博士研究生，主要从事土壤固化及固化土的耐久性研究。E-mail xiangzizhou。 Investigation on dry shrinkage and wet expansion of solidified saline soil containing different salts ZHOU Yong-xiang, YAN Pei-yu （Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China） Abstract Dry shrinkage and wet expansion characteristics of saline soils containing rich chlorine and sulfate, solidified by three sorts of soil stabilizers were investigated. It was shown that dry shrinkage and shrinkage coefficient of specimens decreased if partial cement was replaced by fly ash and slag, and then further by more fly ash. Compared with cement, the chemical activity of fly ash-slag stabilizer was lower and thereby less reaction products were produced. Furthermore, less calcium ions were provided so that the promoting effect of chlorine and sulfate on chemical reaction in soil was weakened, resulting in the differences of chemical reaction degree and therefore the trans from free water to bound water and also the pore characteristics between the specimens with salt and those without salt were reduced. So the difference caused by salts in dry shrinkage and shrinkage coefficient of specimens was also reduced. The positive effect of sodium sulfate on the increase of dry shrinkage and shrinkage coefficient was stronger than that of sodium chloride. In low calcium system, physical effect of chlorine was more obvious than its chemical effect. In moist environment, moisture absorption of the specimens with chlorine was obvious but without huge expansion. However, much rudimental sodium sulfate in soil might cause serious cracks in specimens by huge expansion. Key words solidified saline soil; dry shrinkage; dry shrinkage coefficient; wet expansion; salt 0 引 言 无机结合料固化（稳定）土的一个明显缺点是抗 拉强度低、抗变形能力差。收缩因可能引起开裂而成 为土壤固化中一个普遍关心的问题。固化土体发生的 收缩，在养生期内主要是固化过程中化学反应引起的 自生收缩，在后期主要来自干燥收缩（简称干缩）和 温度收缩 （简称温缩） 。 干缩之所以作为收缩问题中的 一个重要内容来研究，是由于它具有如下特点①干 缩几乎不可避免。 固化土结构物/构筑物一旦养生结束 暴露在大气中， 都面临着水分散失而发生收缩的可能。 ②干缩在总收缩中所占比例较大。干缩通常要比温缩 严重得多， 半刚性材料的干缩系数是其温缩系数的 10 多倍[1-2]。干缩往往是引起开裂最常见的原因。③干缩 ─────── 基金项目国家 863 项目（2003AA33X100） 收稿日期2006–10–24 1654 岩 土 工 程 学 报 2007 年 在道路工程中引起的开裂危害严重。道路工程中大部 分的横向裂缝是由半刚性基层的收缩引起，例如水泥 固化土干缩会产生间距 3～10 m 的横向裂缝，裂缝宽 度 0.5～3 mm[3]。路面开裂将大大缩短道路的使用寿 命。④干缩的可控制性强。相对于温缩受到自然环境 温度变化的影响而难以控制而言，干缩则可以通过养 生、覆盖等措施加以改善，因此，控制干缩是控制收 缩的主要着眼点。 普通固化土的干缩问题向来为研究者所关注。对 于盐渍土这类特殊土壤，特别是在我国西北地区广泛 分布的具有较高的易溶盐含量的盐渍土，由于某些盐 分具有很大的吸湿性，还可能与固化材料发生化学反 应，其固化体的干缩与湿胀性能与普通固化土明显不 同，而固化盐渍土的干缩与湿胀问题迄今缺少系统的 研究。本文针对两类典型的盐渍土氯盐盐渍土和 硫酸盐盐渍土，采用三种固化剂体系，研究了在高含 盐量情况下，固化土体的干缩和湿胀特性。 1 原料与试验方法 1.1 土样 试验采用北京郊外粉土 （非盐渍土） ， 其物理性质 和化学成分分析见表 1 和表 2。根据试验需要，在土 样中加入干土质量的 0～4的 NaCl 或 Na2SO4，混合 得到不同种类的盐渍土。 表 1 土样的物理性质 Table 1 Physical property of soil 塑限/ 液限/ 塑性 指数 最优含 水率/ 易溶物 含量 19.0 24.2 5.2 18 0.22 表 2 原材料的化学组成 Table 2 Chemical composition of materials 化学成分含量/ 材料 SiO2 A12O3 Fe2O3 CaO MgO Na2Oeq SO3P2O5IL 土 60.42 12.43 4.35 7.26 2.77 3.19 0.15 0.30 7.14 水泥 22.80 4.55 2.82 65.34 2.74 0.55 2.92－3.90 矿渣 34.63 13.92 0.29 38.28 10.52 － 0.25－0.25 粉煤 灰 57.60 21.90 7.70 3.87 1.68 0.41 4.05－0.43 1.2 土壤固化剂 分别采用三组固化剂①普通硅酸盐水泥；②质 量比为水泥∶粉煤灰∶矿渣1∶1∶3，简记为（1∶ 1∶3） ；③质量比为水泥∶粉煤灰∶矿渣1∶3∶1， 简记为（1∶3∶1） 。表 2 给出了这些原材料的化学成 分。固化剂的掺量均为干土质量的 15。 1.3 试验方法 试验序列与试件的密度见表 3。在相同含水率 16.6（各组混和料的最优含水率的平均值）条件下， 将土壤混和料在钢模中压制成 40 mm40 mm160 mm 的试件每组各三条，并在试件两端各埋入一个圆 头铜制测头，采用 MNK1031 型水泥砂浆膨胀收缩测 量仪（精度 0.001 mm）测量其长度。试件在202℃ 环境中带模密封养生 7 d， 脱模后， 进入干缩试验的第 一阶段（Ⅰ）置于202℃、相对湿度605的恒 温恒湿室内。定期测量试件的质量与长度，直至长度 稳定。 第二阶段（Ⅱ），将试件在不同的温度（30，50， 70，90，105℃）下烘干 48 h，每次烘干后，冷却至 202℃，然后测量试件的质量与长度。 第三阶段（Ⅲ），将干燥试件放置在202℃的 环境中， 逐渐增加相对湿度直至达到 95～100， 在 此期间，定期测量试件的质量与长度。 表 3 试验序列与试件密度 Table 3 Test scheme and density of specimens 序 号 盐分 固化剂 脱模时湿密 度/gcm -3 脱模104 d 后干密度 /gcm -3 湿干密度 差 /gcm -3 1水泥 1.90 1.72 0.18 21∶1∶31.89 1.67 0.22 3 0 1∶3∶11.85 1.63 0.22 4水泥 1.92 1.73 0.18 51∶1∶31.93 1.72 0.21 6 2NaCl 1∶3∶11.94 1.71 0.23 7水泥 1.95 1.75 0.20 81∶1∶31.94 1.72 0.22 9 4NaCl 1∶3∶11.96 1.72 0.24 10水泥 1.91 1.71 0.20 111∶1∶31.91 1.70 0.21 12 2Na2SO4 1∶3∶11.92 1.70 0.22 13水泥 1.94 1.74 0.20 141∶1∶31.96 1.74 0.22 15 4Na2SO4 1∶3∶11.97 1.73 0.24 2 结果与分析 2.1 干缩应变 在试验的第一阶段，干缩主要发生在试件脱模后 的前 20 d 内，随后趋缓。对于同一种土壤，掺用不同 固化剂的固化土试件具有不同的干缩值。三种固化剂 中， 水泥固化土的干缩应变在试验的三个阶段都最大， （1∶1∶3） 体系次之， （1∶3∶1） 体系最小 （图 1） 。 固化盐渍土试件随时间的干缩应变规律与图 1 一致； 而且这个规律不随含盐的种类（NaCl 或 Na2SO4）及 其掺量（2或 4）的改变而改变。 对于同一种固化剂，不同种类的固化盐渍土的干 缩变化规律有所不同。在水泥固化土中，含 NaCl 盐 渍土试件的干缩应变比不含盐的试件有所增加，但幅 度不大，4与 2的含盐量引起的差别不大；而 Na2SO4盐渍土固化后的干缩应变则比不含盐的试件 大大增加，增加幅度达到 50以上（图 2）。在（1∶ 第 11 期 周永祥，等. 不同类型盐渍土固化体的干缩与湿胀特性 1655 1∶3）系固化土中，含 NaCl 试件的干缩应变降低， 且含盐量越大，干缩应变越小；Na2SO4盐渍土固化体 的干缩应变增大，且含盐量越大，干缩应变越大（图 3） 。在（1∶3∶1）系固化土中，干缩应变的变化规律 与（1∶1∶3）系类似，只是各组曲线之间的差别不大 （图 4） 。 图 1 固化剂体系对不含盐固化土干缩应变的影响 Fig. 1 Dry shrinkage strains of the soil specimens without salt solidified by different soil stabilizers 图 2 水泥固化盐渍土的干缩应变 Fig. 2 Dry shrinkage strains of different saline soil specimens solidified by cement 图 3 （1∶1∶3）固化盐渍土的干缩应变 Fig. 3 Dry shrinkage strains of different saline soil specimens solidified by stabilizer 1∶1∶3 值得注意的是，在图 3 和图 4 中，含 Na2SO4的 试件在第三阶段吸湿膨胀的速度加快， 特别是用 （1∶ 3∶1）固化的试件，出现了较大膨胀。 综合以上诸图，含 4Na2SO4的盐渍土经水泥固 化后干缩应变最大，第一阶段的最大值达到约 0.6， 第二阶段的最大值达到约 0.75；而含 4NaCl 的盐 渍土经（1∶3∶1）固化后干缩应变最小，第一阶段的 最大值约为 0.17，第二阶段的最大值约为 0.25。 其余各组的干缩应变值均在此范围内变化。 图 4 （1∶3∶1）固化盐渍土的干缩应变 Fig. 4 Dry shrinkage strains of different saline soil specimens solidified by stabilizer 1∶3∶1 2.2 干缩系数 除了干缩应变外，干缩系数也是评价固化土干缩 特性的一个重要技术指标。干缩系数 αd的定义为单 位含水率 w（）变化所引起的材料的干缩应变，即 αdεd/w，其中，εd为干缩应变。 盐分的种类和含量相同的固化土，其干缩系数随 失水率变化而变化的速率因固化剂而异。当失水率超 过 2～3后， 水泥固化土的干缩系数最先进入快速发 展阶段； （1∶1∶3）体系的试件，当失水率超过约 5 时，干缩系数开始快速发展，但发展速度较水泥固化 土的慢； 而 （1∶3∶1） 体系的试件， 当失水率超过 6～ 8后，干缩系数才出现发展加快的情况，但速度则比 （1∶1∶3）体系的试件慢。这种发展规律，导致后期 的干缩系数以水泥固化土最大， （1∶1∶3） 体系次之， （1∶3∶1）体系最小（图 5）。与干缩应变的情况相 同，上述规律在不同种类的固化盐渍土中一致。 图 5 固化剂对含 4Na2SO4盐渍土固化体干缩系数的影响 Fig. 5 Dry shrinkage coefficients of the saline soil specimens with 4 Na2SO4 solidified by different stabilizers 对于水泥固化土，与不含盐的试件相比，盐分的 存在提高了相同失水率下的干缩系数，且 Na2SO4的 提高效果比 NaCl 明显（图 6） 。 在（1∶1∶3）体系和（1∶3∶1）体系中（图 7， 图 8），盐分对固化盐渍土的干缩系数的影响已不似 水泥体系那样明显，其中含 4NaCl 的固化土试件的 1656 岩 土 工 程 学 报 2007 年 干缩系数在同体系固化剂中最小。在（1∶1∶3）体系 中，除 Na2SO4对后期干缩系数有所提高外，其余差 别不大；在（1∶3∶1）体系中，这种差别更加缩小。 图 6 水泥固化盐渍土的干缩系数 Fig. 6 Dry shrinkage coefficients of different saline soil specimens solidified by cement 图 7 （1∶1∶3）固化盐渍土的干缩系数 Fig. 7 Dry shrinkage coefficients of different saline soil specimens solidified by stabilizer 1∶1∶3 图 8 （1∶3∶1）固化盐渍土的干缩系数 Fig. 8 Dry shrinkage coefficients of different saline soil specimens solidified by stabilizer 1∶3∶1 2.2 湿胀系数 对于试验的第三阶段， 按照类似干缩系数的定义， 以第二阶段的最大干缩值以及相应的含水率为初始零 值，计算出吸湿过程中的湿胀系数（图 9）。 试件在干燥状态吸收水分， 起始时 （吸水率约1） 具有较高的湿胀系数，随后逐渐下降。NaCl 的吸湿特 性在干缩阶段不明显，而在吸湿阶段却十分明显。从 图 9（a）可以看到，在相同条件下，固化 NaCl 型盐 渍土试件的吸水率快速增加，但湿胀系数并不比不含 盐分的固化土试件大。在湿胀系数–吸水率关系曲线 中，NaCl 含量从 2增加到 4没有引起大的差别， 含 Na2SO4的固化土试件与不含盐的固化土试件类似。 值得注意的是，在（1∶3∶1）体系中，当吸水率超过 3后，固化 Na2SO4型盐渍土试件的湿胀系数迅速陡 升，并因剧烈的膨胀而导致严重开裂（图 10）。 图 9 固化盐渍土的湿胀系数 Fig. 9 Wet expansion coefficients of different solidified saline soil specimens 图 10 （1∶3∶1）固化的 Na2SO4盐渍土试件在吸湿后期严重 开裂 Fig. 10 Serious cracks in specimens containing Na2SO4 solidified by stabilizer 1∶3∶1 at the end of wet expansion stage 3 讨 论 3.1 干缩机理 对于多孔材料干缩机理的解释，曾提出过“毛细 孔张力理论” 、 “表面张力理论” 、 “拆开应力理论”以 及“层间水理论”[4-5]。这些理论从不同的角度描述了 干缩发生的机理，但至今未取得一致的看法，可见干 缩是一个十分复杂的物理化学过程。 然而， 归根结底， 干缩的发生是由于材料内部的水分向外逸出，同时引 第 11 期 周永祥，等. 不同类型盐渍土固化体的干缩与湿胀特性 1657 起材料内部的水分发生迁移，以致材料内部固体粒子 的受力平衡被打破，在不平衡力（内外压力差）作用 下固体粒子发生了相对位移。因此，只要水分迁移能 引起内外压力差，都可能导致收缩的发生。从这个意 义上说，上述理论并不矛盾，它们从不同的层次描述 了可能产生不平衡力的机制。 开始时，大孔中的自由水（仅受重力作用）蒸发， 一般不会引起作用力的失衡，所以也不会引起收缩； 随后，毛细孔中的水出现水–气界面，在水气界面的 表面张力作用下，弯液面形成，导致毛细孔内的压力 低于外界大气压，这种内外压力差是这一阶段促使材 料发生收缩的主要原因。而且，随着蒸发的进一步发 展，这种压力差越来越大。同时，在水对毛细管壁能 够完全润湿的情况下，毛细管半径等于弯液面的曲率 半径，因此毛细管越细，即弯液面的曲率半径越小， 毛细管内水分的饱和蒸汽压越低。 这说明毛细管越细， 管内的水分越难蒸发。而且，毛细管越细，引起的压 力差也越大。这就是干缩系数在第Ⅰ阶段随着失水率 增加而增加的一个原因。随后，胶粒表面的吸附水膜 减薄，凝胶之间的层间水和凝胶孔水也会蒸发，这些 在原状态下受力的水分子一旦失去，必然引起作用力 失衡而发生收缩。 散碎性土壤经化学反应固化后，就干缩而言，在 两个方面发生了变化一方面是化学反应消耗水分产 生胶结性产物的过程改变了原来水分的赋存状态，具 体而言，就是一部分自由水将转化为结合水（包括不 能蒸发的结晶水、存在于胶体中的凝胶孔水、存在于 凝胶之间的层间水以及吸附于凝胶粒表面的吸附水） ， 还有一部分进入了更加细小的孔隙中形成毛细孔水； 另一方面，固化后土体的强度增加，抵抗变形的能力 也在增强。前一方面有利于增加干缩，即化学反应越 充分，生成的产物越多，孔径越细化，转化为可蒸发 的结合水以及进入更加细小孔隙中的水分越多，越有 利于干缩；后一方面则有利于抑制干缩。干缩究竟是 增大还是减小，要看两方面的力量对比。例如，对于 多数土壤，经水泥固化后，其干缩开始随着水泥用量 的增加而减小，并达到某个最小值，然后又随着水泥 用量的增加而增加[6]，其道理就在于此。而在黏土中 加入粗粒料可以减小干缩[7]，其一是减小了小孔在材 料孔隙中的比例，其二是粗粒料的支撑作用能够抵抗 更大的变形。 3.2 盐分的影响 如果暂不考虑盐分的影响， 固化剂从水泥到 （1∶ 1∶3）系，再到（1∶3∶1）系，胶凝材料的水化活性 逐渐减弱。 在固化过程中， 特别是对于养生期仅有 7 d 的固化土试件，水化程度减弱和水化产物减少是干缩 率和干缩系数变化的一个重要原因。而盐分的掺入， 在某种程度上改变了化学反应程度，加剧了三类固化 土在干缩性能上的差别。以下讨论盐分对固化土干缩 性能的影响。 盐分除了对土壤的物理性能产生影响外，对固化 过程的化学反应也有不同程度的影响。 为了研究盐分对固化过程中化学反应的影响，我 们测量了土壤混和料的反应放热量。方法是在干土中 掺入 20的粉煤灰和矿渣（质量比为 1∶1） ，混合磨 细后，利用 Toni Technik-7335 型等温差分量热仪，在 液固比 0.35、25℃条件下测试试样的放热量（图 11） （CaOH2与 NaOH 的掺量均为胶凝材料的 15， NaCl 与 Na2SO4的掺量则按干土质量的百分比计） 。 图 11 盐分与 Ca2、Na离子对固化土放热量的影响 Fig. 11 Effect of salt, Ca2 and Na on evolution of heat in solidified soil 试验结果表明，单纯用 NaOH 激发的固化土试样 具有明显的放热量，而加入 NaCl 与 Na2SO4不但没有 提高放热量，也没有将反应的加速期提前，反而在一 定程度上抑制了化学反应。而以 CaOH2为激发剂的 固化土试样， NaCl 与 Na2SO4的加入， 在早期就有较高 的放热量产生，具有明显的加速化学反应的作用。由 此可见，在 Ca2不足时，氯盐与硫酸盐并未促进固化 土体系的化学反应，反而有抑制的作用；而当 Ca2大 量存在时，氯盐和硫酸盐对固化土体系的化学反应的 促进作用得以发挥。这就是氯盐和 Na2SO4可以作为水 泥早强剂的原因。正因为 NaCl、Na2SO4对早期水泥水 化的促进作用，所以在水泥固化土体系中，无论干缩 应变还是干缩系数，盐渍土试件都高于不含盐的试件。 对于 （1∶1∶3） 体系， 以粉煤灰和矿渣取代水泥， 除了粉煤灰和矿渣的活性低于水泥外，还有一个重要 1658 岩 土 工 程 学 报 2007 年 原因是低钙胶凝体系对高钙体系的取代，必然导致化 学反应过程中 Ca2减少， 以致 NaCl 与 Na2SO4的化学 激发作用不能有效发挥，所以盐分对干缩应变和干缩 系数的影响已不如水泥固化土那样明显。含 4NaCl 量的试件， 干缩应变和干缩系数均低于不含盐的试件， 原因是此时 NaCl 在土壤混和料中发挥的物理作用比 化学作用突出。高含量的 NaCl 会影响土壤的物理性 质，如降低土壤的塑限值和液限值[8]。 在（1∶3∶1）系固化土中，Ca2进一步减少，盐 分对化学反应的促进作用更加被削弱，加之，胶凝材 料的反应活性进一步降低，所以，干缩应变、特别是 干缩系数的差别更加缩小。从水泥到（1∶1∶3）系再 到（1∶3∶1）系，化学反应程度逐渐减弱，这从表 3 中湿密度与干密度的差值也可见一斑。该值越大， 说明逸出的水分越多，即参与化学反应的水分越少， 反应程度越低。虽然逸出的水分多，但引起的收缩变 形却小，可见化学反应对水分存在形式的转化，同时 也是整个孔系特征的改变，明显影响了固化盐渍土的 干燥收缩特性。 NaCl 和 Na2SO4在 （1∶1∶3） 系和 （1∶ 3∶1）系固化土中促进化学反应的作用越来越弱，以 致剩余的盐分越来越多。 NaCl 在吸湿膨胀阶段表现出 明显的吸湿特征，但不引起较大的膨胀率。而剩余的 Na2SO4一旦过量（如在（1∶3∶1）系固化土中） ，就 会使固化盐渍土在吸湿阶段后期发生较大膨胀，甚至 导致试件开裂。 4 结 论 （1） 对于盐分种类与含量相同的固化土， 干缩应 变和干缩系数因固化剂体系的不同而不同水泥固化 土的干缩应变和干缩系数最大， （1∶1∶3） 体系次之， （1∶3∶1）体系最小。 （2）从水泥到（1∶1∶3）体系再到（1∶3∶1） 体系，胶凝材料的水化活性减弱，水化产物减少。同 时，由于体系内 Ca2数量的减少，盐渍土中所含的 NaCl 和 Na2SO4对化学反应的促进作用逐渐减弱，化 学反应程度以及由此引起的自由水到结合水的转化、 孔系特征的变化的差别逐渐缩小。所以，盐分在三个 体系中对固化土干缩应变和干缩系数的提高作用依次 减弱，同体系内固化盐渍土的干缩应变和干缩系数的 差别逐渐减小。 （3）在各个体系中，Na2SO4对固化土干缩应变 和干缩系数的提高作用比 NaCl 明显；在低钙体系中， NaCl 的物理作用比化学作用更突出；在吸湿阶段， NaCl 的吸潮特性充分体现，但并不引起较大的膨胀； 而 Na2SO4如果不能被化学反应大量消耗而残存在土 体中，它可能使固化盐渍土在吸湿阶段后期发生较大 膨胀，甚至导致试件开裂。 参考文献 [1] 沈金安, 李福普, 陈 景. 高速公路沥靑路面早期损坏分 析与防治对策[M]. 北京 人民交通出版社, 2004 241. 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