韓建文 何國(guó)杰 崔廉明

（陸軍勤務(wù)學(xué)院 重慶 401331）

1 引言

鹽巖是指經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用使得飽和鹵水中的鹽份通過(guò)毛細(xì)作用逐漸濃縮析出，并通過(guò)一系列的物理化學(xué)作用，結(jié)晶所形成的一種特殊的巖土體［1］。天然鹽巖在形成過(guò)程中，鹽份結(jié)晶的同時(shí)夾雜膠結(jié)周?chē)膸r土顆粒，從而使原有土體強(qiáng)度得以提高。從土質(zhì)歸類(lèi)屬性上來(lái)劃分，鹽巖仍屬于鹽漬土的范疇，是一種極為特殊的過(guò)鹽漬土［1～4］。鹽巖在蒸發(fā)作用劇烈的海盆或者湖盆等鹽灘盆地地區(qū)尤為常見(jiàn)，像我國(guó)內(nèi)陸干旱地區(qū)的新疆羅布泊、青海察爾汗鹽湖等典型地區(qū)。我國(guó)關(guān)于鹽巖的研究集中在20世紀(jì)70年代左右，主要以鹽巖為基礎(chǔ)在青海察爾汗鹽湖地區(qū)修筑了著名的“萬(wàn)丈鹽橋”，2005年修筑的新疆S235省道羅布泊干鹽湖段為鹽巖路面簡(jiǎn)易公路，但由于研究深度和技術(shù)所限，相關(guān)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不夠完善，隨著使用時(shí)間的推移，部分工程病害問(wèn)題亦逐漸凸現(xiàn)出來(lái)。因此分析研究鹽巖工程應(yīng)用的機(jī)理，把握質(zhì)量控制的技術(shù)要點(diǎn)，有效規(guī)避和減輕工程病害，對(duì)鹽巖在類(lèi)似地區(qū)工程建設(shè)中更好資源化具有重要的意義。

2 鹽巖的基本特性

2.1 鹽份特征

通過(guò)采集多組不同位置鹽巖試樣進(jìn)行化學(xué)分析，新疆羅布泊干鹽湖地區(qū)的鹽巖其含鹽構(gòu)成主要以 NaCl、KCl等氯鹽，Na2SO4、K2SO4等硫酸鹽為主，其中氯鹽占據(jù)絕大部分，此外還有少量的其他鹽份。含鹽量見(jiàn)表1。

表1 羅布泊鹽巖含鹽分析表

根據(jù)鹽巖試樣鹽份分析結(jié)果，因其含鹽量超過(guò)60%，按照鹽漬土分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)［5］，該地區(qū)鹽巖屬于氯鹽—超鹽漬土。

2.2 力學(xué)特性

對(duì)羅布泊地區(qū)天然鹽巖塊體制備試樣，測(cè)試鹽巖的單軸抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表2，據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，羅布泊地區(qū)天然鹽巖的極限抗壓強(qiáng)度為1.76MPa～6.79MPa，平均抗壓強(qiáng)度為4.35MPa，可見(jiàn)鹽巖具有較高的天然強(qiáng)度。

表2 鹽巖單軸抗壓強(qiáng)度

但鹽巖在遇水后，其鹽分構(gòu)成中的可溶性鹽類(lèi)溶解，鹽巖中所含土顆粒間的聯(lián)結(jié)力下降，鹽巖整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溶陷松坍，其強(qiáng)度會(huì)發(fā)生較大的損失。

2.3 其他特性

2.3.1 溶陷性

鹽巖的含鹽化學(xué)類(lèi)型多由氯鹽、硫酸鹽以及少量碳酸鹽等化學(xué)組成，其中大部分多為易溶氯鹽。當(dāng)處于干燥狀態(tài)下，這些鹽份起著膠結(jié)土體顆粒的作用，使鹽巖具有較高的強(qiáng)度，并保證其完整性。但在遇水或潮濕環(huán)境下，鹽巖中含有的易溶鹽類(lèi)發(fā)生溶解，在上部外加荷載或土體自重下，發(fā)生溶蝕塌陷。

圖1 羅布泊鹽巖塊體

2.3.2 鹽脹性

當(dāng)溫度降低時(shí)，鹽巖所含的硫酸鹽與自由水結(jié)合產(chǎn)生結(jié)晶時(shí)，其體積發(fā)生膨脹，尤其以組分中的Na2SO4為典型代表，當(dāng)其吸水結(jié)晶形成芒硝（Na2SO4·10H2O）后體積會(huì)增大3倍左右，即產(chǎn)生鹽脹。隨著溫度的升高，芒硝中的結(jié)晶水轉(zhuǎn)換為自由水，芒硝又轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)水的Na2SO4，其轉(zhuǎn)換過(guò)程如式（1）。工程上，正是由于這種循環(huán)過(guò)程導(dǎo)致路基路面等出現(xiàn)膨脹破壞。

通過(guò)鹽巖試驗(yàn)段路基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：在溫度降低時(shí)，壓實(shí)度越高，其鹽脹程度越?。缓试礁?，鹽脹量越大，且含水率對(duì)鹽巖的鹽脹起主導(dǎo)作用。

2.3.3 腐蝕性

腐蝕性是含鹽巖土體一個(gè)主要特性，工程上主要表現(xiàn)為對(duì)水泥混凝土等構(gòu)筑物產(chǎn)生一定的腐蝕性。鹽巖高含鹽量的特征，導(dǎo)致鹽巖腐蝕性相對(duì)于一般鹽漬土而言更強(qiáng)。水泥中的主要成分為硅酸鹽 (3CaO·SiO2)和鋁酸鹽 (3CaO·Al2O3)其水化過(guò)程如式（2）。

以氯鹽為例，氯鹽中的Cl-與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2和水泥中的3CaO·Al2O3發(fā)生反應(yīng)，從而生成比反應(yīng)物體積大幾倍的不溶性固相復(fù)合物質(zhì)3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O 。因?yàn)?Ca(OH)2被鹽巖中的Cl-不斷消耗，加快了式（2）中的反應(yīng)速率，從而使混凝土產(chǎn)生破壞。因此，在鹽巖地區(qū)進(jìn)行混凝土構(gòu)筑物建設(shè)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注鹽巖的腐蝕影響。

3 鹽巖工程應(yīng)用的基礎(chǔ)

3.1 理論基礎(chǔ)

3.1.1 強(qiáng)度生成機(jī)理

鹽巖作為一種特殊的巖土材料，衡量其工程性質(zhì)的指標(biāo)主要為強(qiáng)度指標(biāo)，通過(guò)對(duì)鹽巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鹽巖在單軸壓縮試驗(yàn)下主要破壞以剪切破壞為主［4，6］。根據(jù)摩爾-庫(kù)侖理論：

式中：τ為抗剪強(qiáng)度，σn為法向應(yīng)力，C為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角。

通常評(píng)價(jià)巖土體抗剪能力的主要指標(biāo)便是粘聚力C和土體內(nèi)摩擦角φ。研究表明，粘聚力對(duì)土體強(qiáng)度的影響至為明顯［7］。鹽巖的黏聚力除土體顆粒間膠結(jié)作用外，還與鹽份中離子的結(jié)晶作用有關(guān)［5］，由所形成的晶體的強(qiáng)度決定。這區(qū)別于普通土體和一般鹽漬土的強(qiáng)度生成機(jī)理。

在微觀視角下，晶體化合物的強(qiáng)度主要由離子鍵抵抗破壞的能力（即鍵強(qiáng)）決定，并影響著由晶體化合物所組成材料的強(qiáng)度。離子鍵的物理破壞主要表現(xiàn)為受最大軸向拉力所導(dǎo)致的變形而引起的破壞。對(duì)于晶體化合物，其晶格破壞大多沿平行于化學(xué)鍵的方向，對(duì)晶體進(jìn)行力學(xué)模型簡(jiǎn)化，其理論抗拉強(qiáng)度即為某晶面上單位面積的化學(xué)鍵數(shù)目乘以化學(xué)鍵所承受的破壞前最大拉應(yīng)力，羅布泊鹽巖中的最主要鹽份之一就是NaCl，據(jù)有關(guān)資料顯示［6］，NaCl晶體中離子鍵的理論抗拉強(qiáng)度可達(dá)到3.9GPa，這與NaCl晶體的較高的強(qiáng)度和硬度相印證。因此基于上述分析，鹽巖屬于具有較高強(qiáng)度的巖土體，這一點(diǎn)和上一節(jié)中關(guān)于鹽巖的力學(xué)特性分析相符。

3.1.2 再結(jié)晶自愈機(jī)理

鹽巖中含有大量的易溶鹽，在遇到淡水或低礦化度鹵水時(shí)會(huì)發(fā)生溶蝕現(xiàn)象，使得鹽巖內(nèi)部發(fā)生較大的結(jié)構(gòu)性損傷，盡管隨著水分的降低和溫度的升高，又出現(xiàn)鹽份重新結(jié)晶析出的情況，但其再結(jié)晶作用難以對(duì)已有結(jié)構(gòu)溶蝕損傷進(jìn)行彌補(bǔ)。已有研究表明［8］，鹽巖在飽和鹵水的作用下同時(shí)呈現(xiàn)出溶蝕與再結(jié)晶的雙進(jìn)程，但其再結(jié)晶自愈合的效果大于溶蝕損傷的效果，相比于在淡水或不飽和鹵水作用下，鹽巖在飽和鹵水條件下其再結(jié)晶能力得到大幅提高。鹽巖工程應(yīng)用時(shí)需對(duì)塊體破碎重塑，破碎后其損傷的裂隙結(jié)構(gòu)面在飽和鹵水作用下，應(yīng)力集中的損傷區(qū)或尖銳的棱角部位結(jié)構(gòu)表面發(fā)生溶解，不同鹽巖塊體顆粒變得相對(duì)圓滑，且相互之間的接觸面積變大［9］，同時(shí)飽和鹵水為這些區(qū)域后續(xù)鹽份重新結(jié)晶的提供了來(lái)源。再結(jié)晶時(shí)，充填于鹽巖裂隙和孔隙里的飽和鹵水中各類(lèi)鹽份大量析出并結(jié)晶生長(zhǎng)，鹽巖顆粒間在結(jié)晶作用下相互粘結(jié)融合，形成一個(gè)強(qiáng)度整體，進(jìn)而使發(fā)生損傷的鹽巖自愈恢復(fù)，力學(xué)性質(zhì)得到增強(qiáng)。

3.2 現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)

3.2.1 自然條件利好

新疆羅布泊地區(qū)降水稀少，年降水量?jī)H28mm，而蒸發(fā)量卻達(dá)3276.5mm以上，夏季氣溫高達(dá)45℃，地表溫度甚至可達(dá)70℃，冬季最低氣溫-23.5℃，常年多風(fēng)，最大風(fēng)速20m/s～24m/s，氣候極度干燥，屬于典型的大陸性干旱氣候。該地區(qū)地下富含飽和鹵水，水位埋深大致分布在1.3m～6m左右，采集到的鹵水樣本檢測(cè)其礦化度為349.75g/L。

圖2 羅布泊地下鹵水

羅布泊地區(qū)地下富鹽的鹵水和干燥的氣候?yàn)辂}份的高度積聚析出提供了必要的先決條件，使該地區(qū)天然形成質(zhì)地堅(jiān)硬的鹽巖，并廣泛分布于地表及一定地層深度范圍內(nèi)［6］。在這種干燥的氣候環(huán)境條件下能較大程度保持其強(qiáng)度及工程穩(wěn)定性。

3.2.2 工程可行性好

在超強(qiáng)鹽漬土環(huán)境下進(jìn)行工程建設(shè)，若采取換填方式進(jìn)行地基處理則其換填工作量巨大，且換填料也難以就近獲取，必須從場(chǎng)外拉運(yùn)，勢(shì)必導(dǎo)致工程造價(jià)劇增?；趯?duì)鹽巖的工程特性分析，若采用壓碎后的鹽巖作為地基換填材料，以其較高的強(qiáng)度和原生環(huán)境下的穩(wěn)定性，可以有效保證地基的穩(wěn)定性，且鹽巖重塑養(yǎng)護(hù)所需的飽和鹵水就地易取。與傳統(tǒng)地基處理方式相比，易于施工，極大減少了常規(guī)方式下地基換填所帶來(lái)的工作量和填料運(yùn)費(fèi)。特別是像新疆羅布泊地區(qū)作為我國(guó)最大的鉀鹽開(kāi)采制備地，可充分利用鹽礦開(kāi)發(fā)所開(kāi)挖棄置的鹽巖，以此降低因施工對(duì)自然環(huán)境所帶來(lái)的破壞和污染，實(shí)現(xiàn)綠色施工。

4 鹽巖在路基工程應(yīng)用中的技術(shù)要點(diǎn)

4.1 工程技術(shù)要點(diǎn)

4.1.1 鹽巖粒徑要求

天然狀態(tài)下的鹽巖孔隙較為發(fā)育，大多呈不規(guī)則的巨塊狀或殼體，為達(dá)到提高承載力的目的，需先對(duì)鹽巖塊體進(jìn)行破碎，以增加細(xì)顆粒含量，提高鹽巖的壓實(shí)度。研究發(fā)現(xiàn)，鹽巖破碎后當(dāng)細(xì)粒含量為20%，且最大粒徑不得超過(guò)150mm，可以得到較好的壓實(shí)質(zhì)量［10］。因此在破碎鹽巖時(shí)，需控制好破碎率，使破碎后的鹽巖顆粒達(dá)到合適的粒徑級(jí)配要求，以獲取更加密實(shí)的填筑壓實(shí)效果。

4.1.2 填筑技術(shù)措施

根據(jù)鹽巖破碎后的再結(jié)晶自愈機(jī)理，鹽巖經(jīng)飽和鹵水浸潤(rùn)后，在重結(jié)晶作用下相互粘結(jié)融合進(jìn)而達(dá)到自愈恢復(fù)，可形成一個(gè)強(qiáng)度整體，力學(xué)性質(zhì)得以改善。因此，以破碎后的鹽巖顆粒作為填料修筑路基時(shí)，禁止噴灑淡水，而應(yīng)以飽和鹵水代之。

4.1.3 基底處理

原始地表的鹽巖本身具備一定的強(qiáng)度，宜充分利用地表鹽巖。填筑路基前，對(duì)表層鹽巖進(jìn)行破碎，再用推土機(jī)需對(duì)地表進(jìn)行粗平后，噴灑少量飽和鹵水碾壓至滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的密實(shí)度（一般不小于90%），之后方可進(jìn)行路基本體的填筑。

4.1.4 路基本體填筑

在全線(xiàn)填筑前，宜進(jìn)行路基試驗(yàn)段修筑，驗(yàn)證和優(yōu)化相關(guān)填筑的施工工藝和技術(shù)參數(shù)，以期獲得更高質(zhì)量的施工效果。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段驗(yàn)證，在路基本體填筑時(shí)，應(yīng)采取分層填筑，初平松鋪厚度宜控制在180mm～200mm，此后各層松鋪厚度不大于300mm。用推土機(jī)將鹽巖料推鋪開(kāi)后，采用羊足碾壓路機(jī)反復(fù)振壓破碎大鹽塊，使鹽巖破碎后的粒徑不大于150mm［11］。初平碾壓后，按最佳含水率均勻?yàn)⒉硷柡望u水，進(jìn)行“悶料”，使鹽巖充分吸水浸潤(rùn)，待充分晾曬后再次碾壓。壓實(shí)工藝按照“振壓1遍、灑鹵水、振壓5遍、靜壓1遍”。當(dāng)填至路基設(shè)計(jì)標(biāo)高后，在鋪筑瀝青路面前，需定期對(duì)鹽巖路基表面噴灑鹵水養(yǎng)護(hù)，防止過(guò)干開(kāi)裂，并采用“兩布一膜”等隔離材料進(jìn)行包裹覆蓋，以阻斷鹽分遷移［12］。

4.2 不良工程問(wèn)題預(yù)防處置

4.2.1 溶陷問(wèn)題

鹽巖發(fā)生溶陷是因其所含的易溶鹽類(lèi)發(fā)生溶解，而主要誘因是水。在填筑時(shí)要控制鹽巖的天然含水率，特別注意芒硝等硫酸鹽中所含的結(jié)晶水。盡管羅布泊地區(qū)年降水量不足28 mm，但可能集中在某短時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)較強(qiáng)降雨，因此需預(yù)置相關(guān)隔水和排水措施。據(jù)孫自永、余紹文等在羅布泊地區(qū)開(kāi)展的凝結(jié)水試驗(yàn)［13］，凝結(jié)水日生成量遠(yuǎn)大于平均降水量，凝結(jié)水的產(chǎn)生利于鹽巖溶蝕問(wèn)題的發(fā)生。因此，以鹽巖為填料填筑時(shí)需對(duì)含水率進(jìn)行測(cè)定，在路基中設(shè)置隔水層，避開(kāi)雨天施工，同時(shí)對(duì)已填筑好的路基進(jìn)行遮蓋，防止凝結(jié)水入侵。

圖3 鹽巖路基填筑

4.2.2 鹽脹問(wèn)題

鹽脹問(wèn)題的關(guān)鍵在于鹽巖中硫酸鹽類(lèi)吸水結(jié)晶體積發(fā)生膨脹，由此產(chǎn)生的張力使得路基出現(xiàn)鹽脹破壞，伴隨著硫酸鹽的失水又出現(xiàn)松坍。基于對(duì)鹽鹽巖脹特性的分析研究，其鹽脹程度受含水率、壓實(shí)度、溫度等因素影響［14］。溫度降低時(shí)，壓實(shí)度越高，其鹽脹程度越??；含水率越高，鹽脹量越大［15］。在溫度一定條件下，硫酸鹽發(fā)生鹽脹對(duì)于水的因素最為敏感，因此在填筑時(shí)，宜選擇硫酸鹽占比和含水率較低的鹽巖填料，并通過(guò)晾曬通風(fēng)等措施降低天然含水率，提高壓實(shí)度。

4.2.3 腐蝕問(wèn)題

在鹽巖富鹽環(huán)境下，腐蝕問(wèn)題主要表現(xiàn)為影響構(gòu)筑物基礎(chǔ)、排洪管涵等現(xiàn)澆混凝土構(gòu)筑物的耐久性。在應(yīng)對(duì)鹽漬的腐蝕影響時(shí)，需加強(qiáng)防腐措施，盡量減少現(xiàn)澆。例如在設(shè)置排洪管涵時(shí)可采用經(jīng)防腐處理后的預(yù)制管涵。如必須現(xiàn)澆施工，則可選用防腐性能優(yōu)良的特種水泥、提高水泥標(biāo)號(hào)、增加保護(hù)層和防腐層厚度等措施來(lái)降低腐蝕問(wèn)題的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

1）基于對(duì)鹽巖的基本特性分析，鹽巖含鹽量遠(yuǎn)超一般鹽漬土，且具有較高的天然強(qiáng)度，同時(shí)存在溶陷性、鹽脹性、腐蝕性等不良特性，且水對(duì)其溶陷性、鹽脹性影響十分突出。

2）鹽巖的強(qiáng)度生成機(jī)理與普通巖土體存在較大區(qū)別，因其含鹽量高，其強(qiáng)度生成除與土體顆粒本身的粘聚力相關(guān)之外，主要還與所含鹽份中的離子結(jié)晶作用有關(guān)，由所形成的晶體的強(qiáng)度決定。

3）鹽巖在飽和鹵水作用下再結(jié)晶自愈能力得以加強(qiáng)，基于此特性，鹽巖用作路基填料應(yīng)用時(shí)，與傳統(tǒng)筑路模式中噴灑淡水取向完全相反，宜噴灑飽和鹵水，待鹽巖充分吸水浸潤(rùn)后壓實(shí)，通過(guò)再結(jié)晶作用可形成強(qiáng)度整體，達(dá)到較好的強(qiáng)度預(yù)期。

未來(lái)在提高鹽巖資源化應(yīng)用水平，優(yōu)化鹽巖環(huán)境下的技術(shù)工藝應(yīng)是研究應(yīng)把握的重點(diǎn)，以期盡快形成鹽巖工程應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。