西北地區(qū)鹽漬土病害調(diào)查分析及與防治技術

1、江西省十一五干線公路養(yǎng)護管理工作匯報甘肅暢隴公路養(yǎng)護技術研究院有限公司甘肅暢隴公路養(yǎng)護技術研究院有限公司 西北地區(qū)鹽漬土分布和成因西北地區(qū)鹽漬土分布和成因鹽漬土地區(qū)路面結構設計建議鹽漬土地區(qū)路面結構設計建議 西北地區(qū)鹽漬土病害調(diào)查西北地區(qū)鹽漬土病害調(diào)查 西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析 鹽漬土防治技術鹽漬土防治技術甘肅暢隴公路養(yǎng)護技術研究院甘肅暢隴公路養(yǎng)護技術研究院1.1.西北地區(qū)鹽漬土的分布和成因西北地區(qū)鹽漬土的分布和成因甘肅暢隴公路養(yǎng)護技術研究院甘肅暢隴公路養(yǎng)護技術研究院鹽漬土按含鹽化學成分分類鹽漬土按含鹽化學成分分類 鹽漬土按鹽漬化程度分類鹽漬土按鹽漬化程度分類公路工

2、程中，將易溶鹽含量大于0.3%，溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性的土定義為鹽漬土。鹽漬土名稱 氯鹽漬土2 亞氯鹽漬土21亞硫酸鹽漬土10.3硫酸鹽漬土0.3241SClO241323SClHCOCOO鹽漬土分類鹽漬土分類鹽漬土名稱土層的平均含鹽量氯鹽漬土及亞氯鹽漬土硫酸鹽漬土及亞硫酸鹽漬土弱鹽漬土0.310.30.5中鹽漬土150.52強鹽漬土5825過鹽漬土851.1.西北地區(qū)鹽漬土的分布和成因西北地區(qū)鹽漬土的分布和成因中國鹽漬土地資源分布圖 1.1.西北地區(qū)鹽漬土的分布和成因西北地區(qū)鹽漬土的分布和成因 中國鹽漬土土地面積約1.9081105 km2，約占國土面積的1.99 %，主要分布于干旱、半

3、干旱和寒冷的西北地區(qū)。其中甘肅省是鹽漬土分布面積較多的省份之一，全省約有1.16104 km2，主要分布在河西走廊的敦煌、玉門、酒泉、臨澤、永昌、民勤等河西隔壁地區(qū)。河西戈壁沙漠地區(qū)深根性植物或鹽生植物含鹽母質(zhì)土大陸性干旱或半干旱氣候1.1.西北地區(qū)鹽漬土的分布和成因西北地區(qū)鹽漬土的分布和成因成土條件氣候地形水文母質(zhì)植被低平地、內(nèi)陸盆地降水量小，蒸發(fā)量大西北地區(qū)鹽漬土成因西北地區(qū)鹽漬土成因 1.1.西北地區(qū)鹽漬土的分布和成因西北地區(qū)鹽漬土的分布和成因鹽脹溶陷凍脹翻漿 在低溫作用下，鹽分吸水結晶，體積膨脹，1、路基、路面出現(xiàn)鼓脹開裂2、路肩以及邊坡松散剝蝕硫酸鹽類 冷季NaCl Na2SO4 等

4、鹽類 潮濕多雨季節(jié)1、腐蝕作用能使混凝土構造物、金屬物等道路設施產(chǎn)生麻面和疏松等損壞。2、形成路基的溶淋、溶蝕現(xiàn)象。造成路面的坎坷不平, 無路拱, 雨季打滑, 易形成車轍, 路基土沿著溫度的降低方向生成了冰晶體形狀的霜柱, 使路面隆起1、產(chǎn)生縱向裂縫2、重載產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫 鹽漬土解凍季節(jié)鹽漬土冬季1、氯鹽漬土蒸發(fā)緩慢，翻漿不易干燥，路面損壞厲害。2、硫酸鹽漬土在降低冰點，加重翻漿。鹽漬土引發(fā)的路面病害鹽漬土引發(fā)的路面病害2 2. . 西北地區(qū)鹽漬土病害調(diào)查西北地區(qū)鹽漬土病害調(diào)查 砂礫土病害調(diào)查路面調(diào)查周圍環(huán)境調(diào)查原材料調(diào)查病害分布病害特征病害處調(diào)查水文地質(zhì)涵 洞邊坡水2 2. . 西北地區(qū)鹽漬土

5、病害調(diào)查西北地區(qū)鹽漬土病害調(diào)查 周邊環(huán)境全線鹽漬土 鹽脹隆起開裂面層 部分路段沉陷基層翻漿等非鹽漬土 腐蝕環(huán)境 非腐蝕環(huán)境 病害調(diào)查的方案病害調(diào)查的方案2 2. . 西北地區(qū)鹽漬土病害調(diào)查西北地區(qū)鹽漬土病害調(diào)查 路面調(diào)查路面調(diào)查 路面隆起 路面開裂4-6月路面解凍季節(jié)，調(diào)查顯示病害呈隆起形式，一般隆起5cm左右，隆起病害基本為橫向發(fā)生，間隔在約20m左右的引起頂面開裂。 2012年春節(jié)對疑似鹽漬土典型病害的金永路展開調(diào)查分析2 2. . 西北地區(qū)鹽漬土病害調(diào)查西北地區(qū)鹽漬土病害調(diào)查 病害處調(diào)查病害處調(diào)查瀝青面層，厚度均勻半剛性基層出現(xiàn)松散隆起，失去結構強度病害發(fā)生在半剛性基層松散粒料置于陽光下

6、一段時間后表層有白色結晶體，結構體的疏松可能由此導致。2 2. . 西北地區(qū)鹽漬土病害調(diào)查西北地區(qū)鹽漬土病害調(diào)查 周邊地形環(huán)境調(diào)查周邊地形環(huán)境調(diào)查 河道析出鹽邊坡防護中鋼筋混凝土銹蝕涵洞結晶鹽道路周圍均為腐蝕環(huán)境2 2. . 西北地區(qū)鹽漬土病害調(diào)查西北地區(qū)鹽漬土病害調(diào)查 使用原材料調(diào)查使用原材料調(diào)查 所用砂礫土料場處于河道中，屬于高鹽類地區(qū)，且料層中夾雜鹽漬土層，屬于高鹽類地區(qū)，且料層中夾雜鹽漬土層，制料過程中極易混入成品料，提高砂礫土的含鹽量，最終導致鹽類侵蝕發(fā)生。2 2. . 西北地區(qū)鹽漬土病害調(diào)查西北地區(qū)鹽漬土病害調(diào)查 從調(diào)查情況來看，病害只發(fā)生在半剛性基層中，并非全線發(fā)生，排除由于溫差

7、引起的熱脹。 原材料中含有肉眼可見的鹽類，推斷可能由鹽類侵蝕引起。 由于半剛性基層是隆起狀，而能夠導致此類病害的原因有鹽結晶膨脹、硫酸鹽侵蝕膨脹和堿 骨料反應引起的膨脹三種。 由于全線使用同一水源和水泥，排除這兩種原材料引起病害，主要從所用的砂礫入手進行分析。 調(diào)查結論調(diào)查結論3.3.西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析甘肅暢隴公路養(yǎng)護技術研究院甘肅暢隴公路養(yǎng)護技術研究院病害機理分析方案病害機理分析方案機理分析材料分析 氣候地質(zhì)分析含鹽量堿活性硫酸根含量體積穩(wěn)定性成分分析形貌成分分析溫差地下水3.3.西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析原材料化學分析及微觀分析原

8、材料化學分析及微觀分析 腐蝕等級腐蝕介質(zhì)環(huán)境類型水（mg/L）土(mg/kg)微硫酸鹽含量SO4 2- 200300弱2005003007500中50015007502250強15002250結論：u病害路面段所用原材料砂礫土1和鹽漬土、松散結構層都為鹽漬土，硫酸鹽腐蝕等級為強到中。u無病害路段所用原材料砂礫土2為非鹽漬土，腐蝕等級弱。說明砂礫土是造成路面病害的原因3.3.西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析鹽漬土分析：鹽漬土分析：調(diào)查中發(fā)現(xiàn)砂礫土中存在大量的鹽漬土夾層，對鹽漬土進行了化學分析和微觀分析。 分析結果表明鹽漬土含有較高的硫酸根離子，為強腐蝕等級。而其夾雜在砂礫土中

9、，組成了砂礫土的細料成分，導致砂礫土鹽含量偏高。XRD圖譜分析鹽漬土易溶鹽中含有82.90%的半水石膏和17.10%的二水石膏3.3.西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析水質(zhì)分析水質(zhì)分析XRD得出水中溶解鹽含有57.13%半水石膏 20.84%的石膏 19.04%的芒硝 2.99%的氫氧化鈣化學成分分析水為弱腐蝕等級 ，這些離子均會存在導致半剛性基層發(fā)生病害的風險。 周圍環(huán)境分析周圍環(huán)境分析對涵洞內(nèi)壁上的結晶體做了XRD分析發(fā)現(xiàn)其主要成分為硫酸鈉，比重占到了95%以上 3.3.西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析 病害產(chǎn)物分析病害產(chǎn)物分析半剛性基層取樣進行SEM

10、掃描，觀察水泥水化產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)只有少量的水化產(chǎn)物CSH凝膠，存在大量的柱狀鹽類結晶使得原本密實的水泥水化結構變得疏松，失去結構強度，同時由于結晶引起結構膨脹，這是宏觀上發(fā)生隆起病害的直接原因。病害產(chǎn)物化學分析為中等腐蝕等級的鹽漬土，下圖為病害查產(chǎn)物的SEM掃描照片3.3.西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析病害產(chǎn)物微觀成分分析病害產(chǎn)物微觀成分分析XRD分析結果表明病害產(chǎn)物易溶鹽中含有96.74%的半水石膏和3.26%的硫酸鈉。這說明在發(fā)生硫酸鹽結晶膨脹的同時，半剛性基層內(nèi)水泥水化產(chǎn)物也遭到了硫酸鹽化學侵蝕，導致水化產(chǎn)物Ca(OH)2轉化為難溶物CaSO4，水化產(chǎn)物體系內(nèi)堿度降低，

11、CSH凝膠分解，失去粘結性能，從而進一步加劇了結構的疏松和膨脹，使得病害提前發(fā)生。3.3.西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析u原材料和病害產(chǎn)物的化學成分和組成推斷認為發(fā)生鹽脹以及硫酸鹽侵蝕的可能性很大。u病害產(chǎn)物的XRD結果證實存在大量的石膏類物質(zhì)，可以肯定發(fā)生了硫酸鹽類的化學侵蝕u病害發(fā)生在春季，春融帶來充足水分，水分使得鹽分在半剛性結構體中進行運輸，部分 停留在結構空隙中或者水泥石毛細孔中；結構空隙中的鹽分隨著水分揮發(fā)結晶，而水泥石毛細孔中的鹽分由于水化過程中水分的揮發(fā)而逐漸結晶，兩者形成的結晶壓力使得整個結構體膨脹疏松，從而引起路面隆起。u鹽漬土病害是由硫酸鹽結晶膨脹和

12、化學侵蝕雙重作用下引起，兩中作用機理相互促進，導致病害提前發(fā)生。初步結論初步結論原材料體積穩(wěn)定性及強度分析原材料體積穩(wěn)定性及強度分析3.3.西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析為了進一步證實以上分析的正確性以及模擬病害發(fā)生的過程，對所取的兩種砂礫進行的體積穩(wěn)定性試驗和強度試驗。堿活性試驗試驗條件：1mol/L的80氫氧化鈉溶液中浸泡14天試驗目的：判斷是否為堿集料引起的膨脹試驗結果：膨脹率為0.09%，可忽略，確定不是堿集料引起的膨脹 原材料體積穩(wěn)定性試驗試驗條件：置于30的1%硫酸鈉溶液中，強度試件置于 80 的水浴中養(yǎng)生。試驗目的：縮短試驗周期，模擬實際環(huán)境的所用原材料水泥

13、砂漿的穩(wěn)定性和強度變化，判斷是否發(fā)生鹽脹3.3.西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析注：1為砂礫土1, 2為砂礫土2, 3為砂礫土1水洗后加入10%標準細沙, 4為砂礫土1水洗后加入10%鹽漬土，5為空白樣不同的砂礫土進行膠砂膨脹率試驗不同的砂礫土進行膠砂膨脹率試驗v砂礫土1和水洗砂礫土1加鹽漬土的膠砂其膨脹率相當,大于砂礫土2說明砂礫土1中的硫酸鹽可能來自料場內(nèi)的鹽漬土。v一個干濕循環(huán)后，各膠砂的膨脹率明顯增大，說明各膠砂中均有一定數(shù)量的硫酸鹽發(fā)生了結晶膨脹，導致膨脹率增大?？瞻讟雍蜕暗[土2由于內(nèi)部硫酸鹽含量少或者沒有，其膨脹率要較小。v隨著齡期的增加，不同砂礫土膠砂膨脹率與

14、空白樣的比值逐漸下降，但是砂礫土1膠砂和水洗砂礫土1加鹽漬土的比值仍舊較高，說明鹽脹一直在繼續(xù)。3.3.西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析 分析結論分析結論1.砂礫土1膠砂與水洗后砂礫土1加鹽漬土膠砂的膨脹率及強度發(fā)展規(guī)律相似，可以判定，砂礫土1的0.075mm以下成分中含有鹽漬土，而鹽漬土中含有大量的硫酸鹽類物質(zhì)，使得砂礫土1易溶鹽含量超標，配制的半剛性基層發(fā)生膨脹病害。2.干濕循環(huán)過程會加劇含硫酸鹽砂礫土膠砂的膨脹。 3.3.西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析砂礫土強度分析砂礫土強度分析空空白白樣樣比比值值先平穩(wěn)增加后降低的趨勢隨著水化的進行，試件內(nèi)部水

15、分減少，濕度降低，部分硫酸鹽在水泥石毛細孔內(nèi)或者表面孔隙內(nèi)結晶，產(chǎn)生膨脹應力。早期：由于膨脹會使水泥石內(nèi)部結構更加致密，抵消由于水泥化學收縮導致的內(nèi)部拉應力，整體上試件強度平穩(wěn)發(fā)展。后期：由于試件內(nèi)部水分進一步減少，濕度進一步下降，形成大量硫酸鹽結晶，其結晶壓力超過試件承受值，就會發(fā) 生膨脹破壞，破壞程度與硫酸鹽含量成正比。3.3.西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析硫酸鹽硫酸鹽侵蝕分類侵蝕分類鹽析侵蝕 化學侵蝕硫酸鹽與混凝土中某些水化產(chǎn)物發(fā)生反應生成膨脹產(chǎn)物造成混凝土膨脹破壞。 硫酸鹽遇水吸濕溶解，再結晶沉淀時便要吸收相應的水分子成結晶狀，體積增大 而使土產(chǎn)生膨脹 ，干燥時結

16、晶水釋出 ，成無水狀態(tài) ， 體積又相應縮小，干濕循環(huán)使路面膨脹開裂。 鈣礬石型石膏型鎂硫型碳硫硅酸鈣 結晶壓力結晶水變化體積膨脹鹽溶液在水泥基材料的毛細作用下進入水泥石孔隙中，當環(huán)境溫度或者相對濕度發(fā)生變化時，水泥石孔溶液中鹽類飽和，析出晶體，產(chǎn)生結晶壓力，導致裂紋的生成和發(fā)展，最終造成水泥基材料的破壞。鈉鹽和鎂鹽水合物生成均導致體積膨脹，無水芒硝轉化為芒硝，體積膨脹315%，當膨脹導致的拉應力超過水泥基材料的極限拉應力時，水泥石內(nèi)部就會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。3.3.西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析金永路現(xiàn)場調(diào)查結合化學分析和XRD分析發(fā)現(xiàn)，病害體系的PH值只有9.62，且大量生成

17、了石膏，初步判定為石膏型金永路病害機理分析金永路病害機理分析侵蝕過程可分為4個階段: SO42-從水泥基材料外部向內(nèi)部的擴散和水泥基材料孔隙溶液中的Ca(OH)2逐漸向外部的溶出鈣礬石的形成,石膏作為中間產(chǎn)物存在Ca(OH)2消耗完畢,可溶性堿溶出或者形成低溶解度堿,水泥石堿度降低, CSH分解,石膏作為反應產(chǎn)物存在 鈣礬石分解, CSH繼續(xù)分解,更多石膏生成化學侵蝕使得水泥失去膠接性能，整個半剛性基層內(nèi)部抵抗硫酸鹽結晶壓力的能力降低，從而使得結構提前破壞，發(fā)生隆起病害。3.3.西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析西北地區(qū)鹽漬土病害機理分析1.本調(diào)查通過對金永路隆起病害進行室外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，病害發(fā)生于半剛性

18、基層，且呈現(xiàn)膨脹松散狀態(tài)，對病害和其周圍環(huán)境中鹽類進行SEM微觀分析及XRD成分分析，發(fā)現(xiàn)其發(fā)生了硫酸鹽侵蝕。2.對病害路段所用原材料進行化學分析，分析結果表明所用砂礫土易溶鹽和硫酸根離子偏高，為中度鹽漬土，且其對半剛性基層結構有高度腐蝕性。3.采用室內(nèi)試驗對原材料進行檢驗，相比較于空白試樣，采用病害路段的砂礫土，存在膨脹和強度損失的現(xiàn)象。通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，病害路段所用料場內(nèi)鹽漬土的混入造成半剛性基層的膨脹。4.對發(fā)生膨脹的機理進行分析，認為由于原材料中含有大量硫酸鹽，使得半剛性基層結構內(nèi)發(fā)生硫酸鹽結晶以及硫酸鹽化學侵蝕；由于化學侵蝕使得水泥失去膠接性能，整個半剛性基層內(nèi)部抵抗硫酸鹽結晶壓力的能力降低，從而