CN109580908A - 一种基于新型材料改善硫酸钠盐渍土的方法 - Google Patents

一种基于新型材料改善硫酸钠盐渍土的方法 Download PDF

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万旭升
龚富茂
钟昌茂
汪祾海
邓世磊
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    • G01N33/24Earth materials

Abstract

本发明公开了一种基于新型材料改善硫酸钠盐渍土的方法,S1、对硫酸钠盐渍土的含盐量进行检测:S2、改良配方:平均含盐量为大于3%,采用掺量2%含量纳米碳酸钙或2%含量相变材料PCM对硫酸钠盐渍土进行改良;平均含盐量为0‑3%,采用掺量2%含量的纳米二氧化硅对硫酸钠盐渍土进行改良;S3、选择配方对实施对盐渍土进行改良;S4、改良检测及结果确认:在对盐渍土进行改良过程中,对改良的盐渍土进行取样检测其含盐量,并计算其盐胀率进行分析,确认改良结果。本发明提供的一种基于新型材料改善改善硫酸钠盐渍土的方法,通过新型材料(纳米二氧化硅、纳米碳酸钙和相变材料)对硫酸盐渍土进行改良,具有显著的抑制盐胀率的改善效果。

Description

一种基于新型材料改善硫酸钠盐渍土的方法
技术领域
本发明属于硫酸钠盐渍土改善领域,更具体地说,尤其涉及一种基于新型材料改善硫酸钠盐渍土的方法。
背景技术
硫酸盐渍土广泛地分布于我国西北地区,该地区处于季节冻土地区,随气候变化,盐渍土经过冻融循环,土体中水盐反复结晶与溶解,引发的盐胀问题对该地区基础工程造成很大危害。随着西部大开发战略的进行,盐渍土地区的基础工程建设增多,盐渍土的盐胀和冻胀问题对工程造成的破坏不容小视,所以对改良盐渍土方法的研究具有重要意义。
纳米材料作为上个世纪发展起来的新型材料,具有特殊的性质,可以改善和提高建筑材料的性能。例如通过掺加纳米二氧化硅,对粘土的物理力学性能进行了改良研究,发现纳米二氧化硅可以增加粘土的液塑限并提高其抗压强度。纳米材料在多孔介质领域中逐渐有了应用,研究纳米材料对土体物理性能和力学特性影响的试验较多,但利用其改善盐渍土盐胀问题的研究并不多。因此,本发明提供一种基于新型材料改善硫酸钠盐渍土的方法,并通过冻融循环试验,研究添加新型材料后硫酸盐渍土的盐胀特性,进行验证本方法的可行性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点,而提出的一种基于新型材料改善硫酸钠盐渍土的方法。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种基于新型材料改善硫酸钠盐渍土的方法,包括如下步骤:
S1、对硫酸钠盐渍土的含盐量进行检测:对需要改良的盐渍土地的不同位置进行取样若干组,并对取样的若干组盐渍土进行含盐量检测,并计算得出其平均含盐量;
S2、选择改良配方:
①平均含盐量为大于3%,采用掺量2%含量纳米碳酸钙或2%含量相变材料PCM对硫酸钠盐渍土进行改良;
②平均含盐量为0-3%,采用掺量2%含量的纳米二氧化硅对硫酸钠盐渍土进行改良;
S3、根据S1和S2,选择配方对实施对盐渍土进行改良;
S4、改良检测及结果确认:在对盐渍土进行改良过程中,对改良的盐渍土进行取样检测其含盐量,并计算其盐胀率进行分析,确认改良结果;若改良结果符合要求,则停止继续改良;若改良结果不符合要求,则重复S1-S4步骤改良,直至改良结果符合要求。
优选的,所述纳米碳酸钙的粒径为40-80nm,所述纳米二氧化硅的粒径为20-40nm,所述相变材料PCM粉的粒径为1-50um。
优选的,所述盐胀率的计算公式为:
式中,η为土样盐胀率,Δh为土样盐胀量,即每次记录数据时土样高度与土样初始高度之差,h0为土样初始高度。
优选的,通过纳米二氧化硅对硫酸钠盐渍土进行改良,硫酸钠盐渍土的含盐量增高,采用的纳米二氧化硅增高。
优选的,2%含量纳米碳酸钙或2%含量相变材料(PCM)对高含盐量硫酸钠盐渍土盐胀的抑制效果明显,含盐量为3%时抑制效果最佳。
本发明的技术效果和优点:本发明提供的一种基于新型材料改善改善硫酸钠盐渍土的方法,通过新型材料(纳米二氧化硅、纳米碳酸钙和相变材料)对硫酸盐渍土进行改良,具有显著的抑制盐胀率的改善效果。
附图说明
图1为本发明的实验时土样颗粒级配示意图;
图2为本发明各土样的掺和料基本参数示意图;
图3为本发明的试样方案示意图;
图4为本发明不同含盐量硫酸盐渍土盐胀率曲线示意图;
图5为本发明掺加纳米二氧化硅后硫酸钠含盐量为2%时的硫酸钠盐渍土盐胀率曲线示意图;
图6本发明掺加纳米二氧化硅后硫酸钠含盐量为3%时的硫酸钠盐渍土盐胀率曲线示意图;
图7本发明掺加纳米二氧化硅后硫酸钠含盐量为4%时的硫酸钠盐渍土盐胀率曲线示意图;
图8本发明试样盐胀过程示意图;
图9为本发明试样盐胀量数据对比统计图;
图10为本发明试样胀盐率数据统计图;
图11为本发明试样不同含盐量的数据统计图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
选择试验土样取自兰州市永登县树屏镇,土性为粉质黏土,并测得原状土样干密度为1.7g/cm3,天然含水率为18.5%,液限为26.3%,塑限为18.3%。制样过程中使干密度和含水率与原状土样保持一致,以模拟自然界土体真实状况。为了控制变量,消除试验差异,本试验采用人工配制硫酸盐渍土的方法。首先对土样进行脱盐处理,加入足量蒸馏水,充分搅拌和浸泡,每天换水1-2次,重复洗土直到土样TDS(溶解性固体总量totaldissolved solids)值低于300ppm,此时土样全盐量很低,可视作无盐土。然后将土样烘干(烘箱温度设置为105℃),并碾碎、过筛(使用2mm孔径的土工筛),密封保存。试验用土的颗粒分布如图1所示。
试验过程中用到的掺加料有纳米碳酸钙、纳米二氧化硅和相变材料PCM粉,它们的基本参数由图2所示,本次试验设置为三个平行试验,每个试验均有14个试样,具体方案如图3所示。
称量好硫酸钠盐和蒸馏水,配置不同浓度的盐溶液,搅拌均匀,充分溶解后将溶液倒入喷壶。对于掺加纳米碳酸钙、纳米二氧化硅和PCM的试样,先将固体掺和料与土样混合均匀,再用喷壶将盐溶液均匀地喷入土样。通过喷入溶液的量控制含盐量和含水率(取18.5%)。将土样与盐溶液充分混合拌匀后,装入密封袋,在25℃的恒温环境中放置24h,闷料利于盐溶液与土样混合均匀。然后进行装样,将每个土样分三次装入有机玻璃筒,分三层击实,装上百分表以记录盐胀量,用塑料薄膜将试样覆盖密封,防止水分的蒸发损失。
最后,将试样放入可程式恒温恒湿试验箱(温度范围:-70℃~150℃)。设置温度条件为30℃→25℃→20℃→15℃→10℃→5℃→0℃→﹣20℃→0℃,在30℃、0℃和﹣20℃处各恒温1h,其余温度点各恒温30min,升降温速率设置为1℃/min,每次恒温结束时记录一次数据,试验进行三个循环,试验数据由图9、图10所示。
盐胀率计算公式由(1)式确定:
式中,η为土样盐胀率,Δh为土样盐胀量,即每次记录数据时土样高度与土样初始高度之差,h0为土样初始高度。
不同含盐量的盐渍土盐胀率如图4所示。
由图4可知,硫酸钠盐渍土的盐胀率曲线随温度降低而上升,随温度增加而微弱下降,整体看来,随着冻融循环次数增加,盐胀率累积增加。在同一温度条件下,含盐量越大,盐胀率越大,4%含盐量的试样盐胀最为剧烈,比无盐土的盐胀增加了908.40%。
试验中硫酸钠的溶解度随温度降低而减小,硫酸钠盐吸水结成十水硫酸钠晶体,体积增大。最开始生成的芒硝晶体先填充土体中孔隙,孔隙被塞满后,继续析出晶体则使土体产生膨胀,所以试验初期低含盐量土样的盐胀率曲线往往呈现一段水平线,说明土体还未发生膨胀,而高含盐量土样盐胀剧烈,更容易填充孔隙,盐胀能更快表现出来。升温时,硫酸盐晶体脱水,土体颗粒有部分回落,土体体积收缩,盐胀减小,但此时土体结构疏松,之前膨胀的部分并没有完全恢复,盐胀变形有所残留,且土体盐胀变形有滞后性,升温时也有部分土体仍在膨胀,所以盐胀出现累加性。
为探究纳米二氧化硅和相变材料(PCM)对盐渍土的影响,选取含盐量为2%,3%,4%的三组硫酸钠盐渍土试样,分别掺加不同含量纳米二氧化硅。选取3%含盐量试样掺加不同含量PCM,将试验结果绘制成图。
由图可知,当含盐量为2%(图5),掺加纳米二氧化硅对抑制土样的盐胀有不错的效果,其盐胀率曲线比较平缓,不同掺加量效果不同,2%掺量的纳米二氧化硅对试样的改良效果最好。含盐量为3%时(图6),随掺量增加,纳米二氧化硅对试样盐胀的抑制作用先增大后减小,这说明虽然三组掺量都可以抑制盐胀,但掺量过高或过低时,其效果都会降低,对于3%含盐量试样,纳米二氧化硅的最佳掺量为2%,最终盐胀率降低程度达94.13%。试样含盐量为4%时(图7),掺加纳米二氧化硅后的盐胀率曲线不再平稳,与无掺加物的试样走势保持一致,盐胀率有起伏和累积情况。同时低掺量对其盐胀影响很小,仅在初始阶段表现出抑制效果,在试验结束时反而有促进作用。掺量增加到3%时,纳米二氧化硅对试样盐胀有较好的抑制效果,在前两次循环中,其盐胀抑制效果较为明显,第三次循环降温时,抑制效果变差,最终盐胀率降低10.80%。这说明随着含盐量的增加,要达到对盐渍土较好的改良效果,纳米二氧化硅的掺量需要相应增加。
纳米二氧化硅易团聚,其团聚体是一种无定型白色粉末。纳米二氧化硅比表面积和表面能大,表面活性强,且质轻,与纳米碳酸钙相比,相同含量下纳米二氧化硅体积更大,掺进土样中填充更多孔隙,同样击实功下试样压实性更好。土样中孔隙被填充后数量和尺寸均减小,水分迁移减弱,且纳米二氧化硅吸水性好,增强了试样的持水能力,阻止硫酸钠吸水结成晶体,抑制土体膨胀。
温度在32.4℃以下时,随温度降低,硫酸钠溶解度减小,溶液饱和浓度减小,土体中溶液实际浓度大于饱和浓度,处于过饱和状态,晶体更容易析出,生成十水硫酸钠晶体后体积增大了3.1倍,土体膨胀。
试样的盐胀率由总孔隙率决定。试样总孔隙率各影响因素间,相比之下,盐晶体所占的孔隙率nc和溶液的孔隙率nl占主导作用,且盐晶体所占的孔隙率对试样总孔隙率的影响最大。所以试样盐胀率与芒硝晶体的析出量有关,且η∝nc,芒硝晶体随温度降低而逐渐析出,导致nc增大,试样盐胀率增大。
试样盐胀与溶液的过饱和比(c为溶液实际浓度,csat为溶液饱和浓度)也有关。温度降低,硫酸钠溶液的饱和浓度减小,过饱和比增大,当达到初始析出过饱和比时,盐晶体开始析出,过饱和比则开始降低,初始结晶之后,盐溶液的非稳定态区间随着温度降低而持续减小,过饱和比逐渐趋近于1,随着盐溶液非稳定态区间的收缩,盐胀更容易发生,盐胀过程示意图如图8所示。
添加纳米掺和料后,土样孔隙的数量和尺寸均有所减小,而孔径的减小使结晶变得困难,盐晶体的膨胀作用减小,同时纳米二氧化硅具有良好吸水性,掺加纳米二氧化硅后土中硫酸钠溶液的实际浓度增大,使得过饱和比增大,非稳定态区间扩大,盐晶体更难析出,所以晶体减少,盐胀得到有效抑制。纳米二氧化硅容易发生团聚,且吸附在土颗粒和晶体的表面,阻止盐晶体析出和土体膨胀。相变材料(PCM)为球状颗粒,PCM是微米级的,填充在土样之间,具有一定保温作用,同时也可以改善土颗粒级配,使土样随降温而发生的盐胀变得困难。PCM也填充在盐晶体之间,阻止晶体进一步生长。
综上所述:本发明提供的一种基于新型材料改善改善硫酸钠盐渍土的方法,通过新型材料(纳米二氧化硅、纳米碳酸钙和相变材料)对硫酸盐渍土进行改良,具有显著的抑制盐胀率的改善效果。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于新型材料改善硫酸钠盐渍土的方法,其特征在于:包括如下步骤:
S1、对硫酸钠盐渍土的含盐量进行检测:对需要改良的盐渍土地的不同位置进行取样若干组,并对取样的若干组盐渍土进行含盐量检测,并计算得出其平均含盐量;
S2、选择改良配方:
①平均含盐量为大于3%,采用掺量2%含量纳米碳酸钙或2%含量相变材料PCM对硫酸钠盐渍土进行改良;
②平均含盐量为0-3%,采用掺量2%含量的纳米二氧化硅对硫酸钠盐渍土进行改良;
S3、根据S1和S2,选择配方对实施对盐渍土进行改良;
S4、改良检测及结果确认:在对盐渍土进行改良过程中,对改良的盐渍土进行取样检测其含盐量,并计算其盐胀率进行分析,确认改良结果;若改良结果符合要求,则停止继续改良;若改良结果不符合要求,则重复S1-S4步骤改良,直至改良结果符合要求。
2.根据权利要求1所述的一种基于新型材料改善硫酸钠盐渍土的方法,其特征在于:所述纳米碳酸钙的粒径为40-80nm,所述纳米二氧化硅的粒径为20-40nm,所述相变材料PCM粉的粒径为1-50um。
3.根据权利要求1所述的一种基于新型材料改善硫酸钠盐渍土的方法,其特征在于:所述盐胀率的计算公式为:
式中,η为土样盐胀率,Δh为土样盐胀量,即每次记录数据时土样高度与土样初始高度之差,h0为土样初始高度。
4.根据权利要求1所述的一种基于新型材料改善硫酸钠盐渍土的方法,其特征在于:通过纳米二氧化硅对硫酸钠盐渍土进行改良,硫酸钠盐渍土的含盐量增高,采用的纳米二氧化硅的含量也适当增高。
5.根据权利要求1所述的一种基于新型材料改善硫酸钠盐渍土的方法,其特征在于:2%含量纳米碳酸钙或2%含量相变材料(PCM)对高含盐量硫酸钠盐渍土盐胀的抑制效果明显,含盐量为3%时抑制效果最佳。
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