西北地区盐渍土病害调查分析及与防治技术

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1、江西省十一五干线公路养护管理工作汇报甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司 西北地区盐渍土分布和成因西北地区盐渍土分布和成因盐渍土地区路面结构设计建议盐渍土地区路面结构设计建议 西北地区盐渍土病害调查西北地区盐渍土病害调查 西北地区盐渍土病害机理分析西北地区盐渍土病害机理分析 盐渍土防治技术盐渍土防治技术甘肃畅陇公路养护技术研究院甘肃畅陇公路养护技术研究院1.1.西北地区盐渍土的分布和成因西北地区盐渍土的分布和成因甘肃畅陇公路养护技术研究院甘肃畅陇公路养护技术研究院盐渍土按含盐化学成分分类盐渍土按含盐化学成分分类 盐渍土按盐渍化程度分类盐渍土按盐渍化程度分类公路工

2、程中，将易溶盐含量大于0.3%，溶陷、盐胀、腐蚀等工程特性的土定义为盐渍土。盐渍土名称 氯盐渍土2 亚氯盐渍土21亚硫酸盐渍土10.3硫酸盐渍土0.3241SClO241323SClHCOCOO盐渍土分类盐渍土分类盐渍土名称土层的平均含盐量氯盐渍土及亚氯盐渍土硫酸盐渍土及亚硫酸盐渍土弱盐渍土0.310.30.5中盐渍土150.52强盐渍土5825过盐渍土851.1.西北地区盐渍土的分布和成因西北地区盐渍土的分布和成因中国盐渍土地资源分布图 1.1.西北地区盐渍土的分布和成因西北地区盐渍土的分布和成因 中国盐渍土土地面积约1.9081105 km2，约占国土面积的1.99%，主要分布于干旱、半干

3、旱和寒冷的西北地区。其中甘肃省是盐渍土分布面积较多的省份之一，全省约有1.16104 km2，主要分布在河西走廊的敦煌、玉门、酒泉、临泽、永昌、民勤等河西隔壁地区。河西戈壁沙漠地区深根性植物或盐生植物含盐母质土大陆性干旱或半干旱气候1.1.西北地区盐渍土的分布和成因西北地区盐渍土的分布和成因成土条件气候地形水文母质植被低平地、内陆盆地降水量小，蒸发量大西北地区盐渍土成因西北地区盐渍土成因 1.1.西北地区盐渍土的分布和成因西北地区盐渍土的分布和成因盐胀溶陷冻胀翻浆 在低温作用下，盐分吸水结晶，体积膨胀，1、路基、路面出现鼓胀开裂2、路肩以及边坡松散剥蚀硫酸盐类 冷季NaCl Na2SO4 等盐

4、类 潮湿多雨季节1、腐蚀作用能使混凝土构造物、金属物等道路设施产生麻面和疏松等损坏。2、形成路基的溶淋、溶蚀现象。造成路面的坎坷不平,无路拱,雨季打滑,易形成车辙,路基土沿着温度的降低方向生成了冰晶体形状的霜柱,使路面隆起1、产生纵向裂缝2、重载产生网状裂缝 盐渍土解冻季节盐渍土冬季1、氯盐渍土蒸发缓慢，翻浆不易干燥，路面损坏厉害。2、硫酸盐渍土在降低冰点，加重翻浆。盐渍土引发的路面病害盐渍土引发的路面病害2 2.西北地区盐渍土病害调查西北地区盐渍土病害调查 砂砾土病害调查路面调查周围环境调查原材料调查病害分布病害特征病害处调查水文地质涵 洞边坡水2 2.西北地区盐渍土病害调查西北地区盐渍土病

5、害调查 周边环境全线盐渍土 盐胀隆起开裂面层 部分路段沉陷基层翻浆等非盐渍土 腐蚀环境 非腐蚀环境 病害调查的方案病害调查的方案2 2.西北地区盐渍土病害调查西北地区盐渍土病害调查 路面调查路面调查 路面隆起 路面开裂4-6月路面解冻季节，调查显示病害呈隆起形式，一般隆起5cm左右，隆起病害基本为横向发生，间隔在约20m左右的引起顶面开裂。2012年春节对疑似盐渍土典型病害的金永路展开调查分析2 2.西北地区盐渍土病害调查西北地区盐渍土病害调查 病害处调查病害处调查沥青面层，厚度均匀半刚性基层出现松散隆起，失去结构强度病害发生在半刚性基层松散粒料置于阳光下一段时间后表层有白色结晶体，结构体的疏

6、松可能由此导致。2 2.西北地区盐渍土病害调查西北地区盐渍土病害调查 周边地形环境调查周边地形环境调查 河道析出盐边坡防护中钢筋混凝土锈蚀涵洞结晶盐道路周围均为腐蚀环境2 2.西北地区盐渍土病害调查西北地区盐渍土病害调查 使用原材料调查使用原材料调查 所用砂砾土料场处于河道中，属于高盐类地区，且料层中夹杂盐渍土层，属于高盐类地区，且料层中夹杂盐渍土层，制料过程中极易混入成品料，提高砂砾土的含盐量，最终导致盐类侵蚀发生。2 2.西北地区盐渍土病害调查西北地区盐渍土病害调查 从调查情况来看，病害只发生在半刚性基层中，并非全线发生，排除由于温差引起的热胀。原材料中含有肉眼可见的盐类，推断可能由盐类侵

7、蚀引起。由于半刚性基层是隆起状，而能够导致此类病害的原因有盐结晶膨胀、硫酸盐侵蚀膨胀和碱 骨料反应引起的膨胀三种。由于全线使用同一水源和水泥，排除这两种原材料引起病害，主要从所用的砂砾入手进行分析。调查结论调查结论3.3.西北地区盐渍土病害机理分析西北地区盐渍土病害机理分析甘肃畅陇公路养护技术研究院甘肃畅陇公路养护技术研究院病害机理分析方案病害机理分析方案机理分析材料分析 气候地质分析含盐量碱活性硫酸根含量体积稳定性成分分析形貌成分分析温差地下水3.3.西北地区盐渍土病害机理分析西北地区盐渍土病害机理分析原材料化学分析及微观分析原材料化学分析及微观分析 腐蚀等级腐蚀介质环境类型水（mg/L）土

8、(mg/kg)微硫酸盐含量SO4 2-200300弱2005003007500中50015007502250强15002250结论：u病害路面段所用原材料砂砾土1和盐渍土、松散结构层都为盐渍土，硫酸盐腐蚀等级为强到中。u无病害路段所用原材料砂砾土2为非盐渍土，腐蚀等级弱。说明砂砾土是造成路面病害的原因3.3.西北地区盐渍土病害机理分析西北地区盐渍土病害机理分析盐渍土分析：盐渍土分析：调查中发现砂砾土中存在大量的盐渍土夹层，对盐渍土进行了化学分析和微观分析。分析结果表明盐渍土含有较高的硫酸根离子，为强腐蚀等级。而其夹杂在砂砾土中，组成了砂砾土的细料成分，导致砂砾土盐含量偏高。XRD图谱分析盐渍土

9、易溶盐中含有82.90%的半水石膏和17.10%的二水石膏3.3.西北地区盐渍土病害机理分析西北地区盐渍土病害机理分析水质分析水质分析XRD得出水中溶解盐含有57.13%半水石膏 20.84%的石膏 19.04%的芒硝 2.99%的氢氧化钙化学成分分析水为弱腐蚀等级，这些离子均会存在导致半刚性基层发生病害的风险。周围环境分析周围环境分析对涵洞内壁上的结晶体做了XRD分析发现其主要成分为硫酸钠，比重占到了95%以上 3.3.西北地区盐渍土病害机理分析西北地区盐渍土病害机理分析 病害产物分析病害产物分析半刚性基层取样进行SEM扫描，观察水泥水化产物，发现只有少量的水化产物CSH凝胶，存在大量的柱状

10、盐类结晶使得原本密实的水泥水化结构变得疏松，失去结构强度，同时由于结晶引起结构膨胀，这是宏观上发生隆起病害的直接原因。病害产物化学分析为中等腐蚀等级的盐渍土，下图为病害查产物的SEM扫描照片3.3.西北地区盐渍土病害机理分析西北地区盐渍土病害机理分析病害产物微观成分分析病害产物微观成分分析XRD分析结果表明病害产物易溶盐中含有96.74%的半水石膏和3.26%的硫酸钠。这说明在发生硫酸盐结晶膨胀的同时，半刚性基层内水泥水化产物也遭到了硫酸盐化学侵蚀，导致水化产物Ca(OH)2转化为难溶物CaSO4，水化产物体系内碱度降低，CSH凝胶分解，失去粘结性能，从而进一步加剧了结构的疏松和膨胀，使得病害

11、提前发生。3.3.西北地区盐渍土病害机理分析西北地区盐渍土病害机理分析u原材料和病害产物的化学成分和组成推断认为发生盐胀以及硫酸盐侵蚀的可能性很大。u病害产物的XRD结果证实存在大量的石膏类物质，可以肯定发生了硫酸盐类的化学侵蚀u病害发生在春季，春融带来充足水分，水分使得盐分在半刚性结构体中进行运输，部分 停留在结构空隙中或者水泥石毛细孔中；结构空隙中的盐分随着水分挥发结晶，而水泥石毛细孔中的盐分由于水化过程中水分的挥发而逐渐结晶，两者形成的结晶压力使得整个结构体膨胀疏松，从而引起路面隆起。u盐渍土病害是由硫酸盐结晶膨胀和化学侵蚀双重作用下引起，两中作用机理相互促进，导致病害提前发生。初步结论

12、初步结论原材料体积稳定性及强度分析原材料体积稳定性及强度分析3.3.西北地区盐渍土病害机理分析西北地区盐渍土病害机理分析为了进一步证实以上分析的正确性以及模拟病害发生的过程，对所取的两种砂砾进行的体积稳定性试验和强度试验。碱活性试验试验条件：1mol/L的80氢氧化钠溶液中浸泡14天试验目的：判断是否为碱集料引起的膨胀试验结果：膨胀率为0.09%，可忽略，确定不是碱集料引起的膨胀 原材料体积稳定性试验试验条件：置于30的1%硫酸钠溶液中，强度试件置于 80 的水浴中养生。试验目的：缩短试验周期，模拟实际环境的所用原材料水泥砂浆的稳定性和强度变化，判断是否发生盐胀3.3.西北地区盐渍土病害机理分

13、析西北地区盐渍土病害机理分析注：1为砂砾土1,2为砂砾土2,3为砂砾土1水洗后加入10%标准细沙,4为砂砾土1水洗后加入10%盐渍土，5为空白样不同的砂砾土进行胶砂膨胀率试验不同的砂砾土进行胶砂膨胀率试验v砂砾土1和水洗砂砾土1加盐渍土的胶砂其膨胀率相当,大于砂砾土2说明砂砾土1中的硫酸盐可能来自料场内的盐渍土。v一个干湿循环后，各胶砂的膨胀率明显增大，说明各胶砂中均有一定数量的硫酸盐发生了结晶膨胀，导致膨胀率增大。空白样和砂砾土2由于内部硫酸盐含量少或者没有，其膨胀率要较小。v随着龄期的增加，不同砂砾土胶砂膨胀率与空白样的比值逐渐下降，但是砂砾土1胶砂和水洗砂砾土1加盐渍土的比值仍旧较高，说

14、明盐胀一直在继续。3.3.西北地区盐渍土病害机理分析西北地区盐渍土病害机理分析 分析结论分析结论1.砂砾土1胶砂与水洗后砂砾土1加盐渍土胶砂的膨胀率及强度发展规律相似，可以判定，砂砾土1的0.075mm以下成分中含有盐渍土，而盐渍土中含有大量的硫酸盐类物质，使得砂砾土1易溶盐含量超标，配制的半刚性基层发生膨胀病害。2.干湿循环过程会加剧含硫酸盐砂砾土胶砂的膨胀。3.3.西北地区盐渍土病害机理分析西北地区盐渍土病害机理分析砂砾土强度分析砂砾土强度分析空空白白样样比比值值先平稳增加后降低的趋势随着水化的进行，试件内部水分减少，湿度降低，部分硫酸盐在水泥石毛细孔内或者表面孔隙内结晶，产生膨胀应力。早

15、期：由于膨胀会使水泥石内部结构更加致密，抵消由于水泥化学收缩导致的内部拉应力，整体上试件强度平稳发展。后期：由于试件内部水分进一步减少，湿度进一步下降，形成大量硫酸盐结晶，其结晶压力超过试件承受值，就会发 生膨胀破坏，破坏程度与硫酸盐含量成正比。3.3.西北地区盐渍土病害机理分析西北地区盐渍土病害机理分析硫酸盐硫酸盐侵蚀分类侵蚀分类盐析侵蚀 化学侵蚀硫酸盐与混凝土中某些水化产物发生反应生成膨胀产物造成混凝土膨胀破坏。硫酸盐遇水吸湿溶解，再结晶沉淀时便要吸收相应的水分子成结晶状，体积增大 而使土产生膨胀，干燥时结晶水释出，成无水状态，体积又相应缩小，干湿循环使路面膨胀开裂。钙矾石型石膏型镁硫型碳

16、硫硅酸钙 结晶压力结晶水变化体积膨胀盐溶液在水泥基材料的毛细作用下进入水泥石孔隙中，当环境温度或者相对湿度发生变化时，水泥石孔溶液中盐类饱和，析出晶体，产生结晶压力，导致裂纹的生成和发展，最终造成水泥基材料的破坏。钠盐和镁盐水合物生成均导致体积膨胀，无水芒硝转化为芒硝，体积膨胀315%，当膨胀导致的拉应力超过水泥基材料的极限拉应力时，水泥石内部就会出现开裂现象。3.3.西北地区盐渍土病害机理分析西北地区盐渍土病害机理分析金永路现场调查结合化学分析和XRD分析发现，病害体系的PH值只有9.62，且大量生成了石膏，初步判定为石膏型金永路病害机理分析金永路病害机理分析侵蚀过程可分为4个阶段:SO42

17、-从水泥基材料外部向内部的扩散和水泥基材料孔隙溶液中的Ca(OH)2逐渐向外部的溶出钙矾石的形成,石膏作为中间产物存在Ca(OH)2消耗完毕,可溶性碱溶出或者形成低溶解度碱,水泥石碱度降低,CSH分解,石膏作为反应产物存在 钙矾石分解,CSH继续分解,更多石膏生成化学侵蚀使得水泥失去胶接性能，整个半刚性基层内部抵抗硫酸盐结晶压力的能力降低，从而使得结构提前破坏，发生隆起病害。3.3.西北地区盐渍土病害机理分析西北地区盐渍土病害机理分析1.本调查通过对金永路隆起病害进行室外调查发现，病害发生于半刚性基层，且呈现膨胀松散状态，对病害和其周围环境中盐类进行SEM微观分析及XRD成分分析，发现其发生了

18、硫酸盐侵蚀。2.对病害路段所用原材料进行化学分析，分析结果表明所用砂砾土易溶盐和硫酸根离子偏高，为中度盐渍土，且其对半刚性基层结构有高度腐蚀性。3.采用室内试验对原材料进行检验，相比较于空白试样，采用病害路段的砂砾土，存在膨胀和强度损失的现象。通过对比试验发现，病害路段所用料场内盐渍土的混入造成半刚性基层的膨胀。4.对发生膨胀的机理进行分析，认为由于原材料中含有大量硫酸盐，使得半刚性基层结构内发生硫酸盐结晶以及硫酸盐化学侵蚀；由于化学侵蚀使得水泥失去胶接性能，整个半刚性基层内部抵抗硫酸盐结晶压力的能力降低，从而使得结构提前破坏，发生隆起病害。金永路病害调查分析结论金永路病害调查分析结论4.盐渍

19、土防治技术含盐量含盐量水水土质土质可控因素可控因素v调查当地水文地质、盐渍化程度、地形和筑路材料情况施工工艺控制材料控制施工工艺控制 v提高路基v设置毛细管隔离层（砂石或者土工布）v换土垫层。将盐渍土层清除，换非盐渍土或灰土v掺入氯盐，抑制硫酸盐盐渍土v掺入化学药品，将易溶盐变为难溶盐v 植树造林，利用植被降低地下水位，固沙抑盐v加固路基路面，增强路基的强度稳定性v设置地面隔热层5.5.盐渍土地区路面结构设计建议 级配砾石掺灰层级配砾石掺灰层 黑色面层黑色面层 天然砂砾垫层天然砂砾垫层 永久性隔断层永久性隔断层 原路面原路面 水泥稳定砂砾层水泥稳定砂砾层 原路面原路面 级配砾石掺灰层级配砾石掺灰层黑色面层黑色面层 天然砂砾垫层天然砂砾垫层 永久性隔断层永久性隔断层一般道路结构层高等级道路结构层 设计说明：(1)水泥稳定砂砾层:水泥剂 量 5%，厚 度 1 5 2 0 c m。(2)级配砾石掺灰层：(石 灰 10%或 水泥 1.5%2%)，厚度10cm。(3)天然砂砾垫层:砂砾最大粒径 5 c m，含土量小于 10。(4)永久性隔断层：可用淋模编织布或将微表处作封层。(5)原路面厚度计入总厚度内。甘肃畅陇公路养护技术研究院甘肃畅陇公路养护技术研究院