0 引言
盐渍土属于特殊土，受自身或外界的水、温度、盐等条件的影响，其工程特性也随之改变[1-3]。吉林西部是我国典型的碳酸盐渍土分布区[4]，土壤内含有NaHCO3等多种易溶盐，表现出分散性、盐胀、冲沟、溶蚀、潜蚀、崩塌和冲刷等诸多不良的工程特性; 再加上其本身特殊的气候及地形地貌和水文地质条件，该地区的土壤盐渍化逐渐增加。如果不加以改善处理，可能会使工程建筑物存在极大的不安全性，甚至产生破坏。作为直接引水渠道的边坡堤岸，由于长期遭遇雨水冲刷，堤岸表面会形成大量的冲刷沟、冲蚀洞等，其积累使得堤岸发生大面积的垮塌、破坏，这给当地引水灌溉、人民生活带来了不可避免的灾难。伴随着工程应用的需要，对该地区盐渍土进行切实可行的处理、提高工程的稳定性非常必要。
传统处理盐渍土的方法主要是掺加水泥[5-7]、石灰[8-10]和粉煤灰[11-13]等处理剂，处理后的土体强度和刚度得到了明显的增强，可被广泛用于路基填料和病害防治等工程中。但传统处理剂受到雨水冲刷、河流侵蚀等条件约束，其应用受到限制。近年来研究人员研发了一系列超疏水材料应用于航天军工、农业管道无损运输、房屋建筑以及各种露天环境下工作设备的防水防冰施工中[14]，并通过大量的室内外试验对超疏水材料进行了系统性的研究[15-18]。如：王宗鹏[19]探究了超疏水材料对混凝土抗冻性和防冰性的影响；Horgnies等[20]通过超疏水材料使得混凝土具有降雨自清洁功能；Jasperson[21]使用水乳性丙烯酸聚合物涂料用于房屋外墙及屋面的防水；孙顺杰等[22]通过试验探究了有机硅防水剂对砂浆的吸水率、渗透率和渗透深度的影响，认为有机硅加固具有良好前景，但随着研究深入，学者们发现有机硅存在固化温度高、固结时间长等一系列问题，不能达到有效的加固效果。
对于边坡工程来说，抗压强度作为土体抵抗轴向压力与剪切破坏力的表征，是分析边坡稳定性、评价承载力和计算支档结构物土压力的重要参数[23-27]。本文将经过不同处理条件后的素土与CN土无侧限抗压强度进行对比，探究在不同处理条件下超疏水材料处理盐渍土对土体抗压强度的影响，分析对比素土与CN土在不同条件下抗压强度、应力-应变曲线的变化规律及其作用机理，以期为吉林西部盐渍土边坡水渠工程的处理与施工提供理论依据与参考。
1 试验概况 1.1 试验用土试验用土取自吉林西部乾安地区, 取样点坐标(44°59′57.55″ N，123°56′41.56″E)，取样时间为2020年4月中旬，环境温度为15.0 ℃，根据前期研究[2, 28]，本次取的是盐渍化较为严重地区埋深40 cm处土层，其基本物理性质见表 1。根据岩土勘察规范[29]可将区内用土划分为粉质黏土。由于2020年开春以来乾安地区降雨频繁，雨水量增多，地下水位上升，取样点地表无植被覆盖，受到较强的淋滤作用影响，土体孔隙发育，土体自由水增多；因此导致土体浅层含盐量降低(＜0.3%)，但根据前人[2, 28]经验，其土体仍然符合盐渍土工程特性。
| 液限/% | 塑限/% | 塑性指数/% | 最优含水率/% | 最大干密度/(g/cm3) | 某一粒径占比/% | ||
| ＜0.005 mm | 0.005~0.075 mm | 0.075~2.00 mm | |||||
| 31.52 | 17.97 | 13.55 | 16.86 | 1.794 | 20.33 | 65.48 | 14.19 |
| 易溶盐总量/% | 易溶盐主要离子质量摩尔浓度/(mmol/kg) | ||||||
| K+ | Na+ | Ca2+ | Mg2+ | HCO3- | CO32- | SO42- | |
| 0.25 | 4.12 | 901.2 | 8.74 | 3.66 | 1 007.56 | 588.44 | 183.34 |
本次试验采用浙江疏科纳米疏水科技(嘉兴)有限公司研发生产的泥土超疏水乳液，型号CN01C(CN)作为盐渍土的处理材料(图 1)，其主要物理化学性能指标见表 2。CN作为面向市场的成熟产品，由于商业要求，对其成分无法获知，已知其作用机理是将超疏水乳液与土颗粒充分混合，使土颗粒表层形成均匀分布的树杈状纳米结构，从而形成超疏水表面，阻隔土体与水滴的接触，使得土体具有较好的超疏水性。
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| 图 1 超疏水材料样品图 Fig. 1 Sample diagram of super-hydrophobic material |
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| 项目 | 技术指标 | 项目 | 技术指标 | |
| pH | 7±1 | 气味 | 无明显气味 | |
| 黏度/(Pa·s) | 0.5 | 单位面积吸水量/(g/m2) | ≤1 000 | |
| 有机挥发物VOC值/% | ≤3 | 疏水角(水珠接触角) /(°) | ≥100 | |
| 固体质量分数/% | ≥30 | 水珠表面流动性(黏性) | 水珠可自由流动 | |
| 外观 | 乳白色均质液体 | 耐候性(Xe氩测试箱) | 无裂缝、无变形 | |
| 乳液稳定性 | 600 r/min离心后无分层、无漂油、无明显沉淀 | 有毒有害物质 | 符合JC 1066—2008[30]建筑防水涂料中有害物质限量 | |
| 注：VOC.易挥发性有机物；检测室温为25 ℃。 | ||||
CN01C型纳米超疏水乳液专用于建造生态型抗水、抗浸泡超疏水土路、路基和其他泥土建筑设施等，其建造工艺的特点是就地取材、施工简单、成本低、所建造的超疏水泥土设施被拆除时极易复耕还田。相较于其他类型的处理剂，CN的最大特点为，无需进行特殊养护，对于养护龄期也没有任何要求，仅需将乳液内掺进土样中，使其充分混合，等待土样表面干燥即可。根据产品使用规范，添加乳液质量为土样质量的8%时，处理土效果最佳。本次试验内掺乳液质量均为土样质量的8%。
1.3.2 无侧限抗压强度试验本次试验采取人工配置盐渍土，根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[31]制作重塑样。将土样在室温下自然风干，碾碎后过2 mm标准筛，取筛下足够试验用的土。采取控制单一变量的原则，考虑到干密度、含水率和易溶盐总量因素，设置条件梯度，设置3种情况分析CN处理给土样无侧限抗压强度所带来的影响，选取：1)含水率分别为12.86%、14.86%、16.86%、18.86%和20.86%，密度为1.794 g/cm3(最大干密度)，含盐量为0.25%(天然含盐量)的土样；2)含水率为16.86% (最优含水率)，压实度分别为85%、90%和95%，含盐量为0.25%的土样；3)含水率为16.86%(最优含水率)，密度为1.794 g/cm3(最大干密度)，含盐量分别为0%、0.3%、1.0%、1.5%和2.0%的土样。
其中控制含盐量的方法为洗盐以及添加相应质量的NaHCO3溶解于蒸馏水中形成溶液(蒸馏水量小于所需含水率)。将未内掺CN的素土和内掺CN的CN土作为对比试验，将制备好的土体放入标准养护箱中养护24 h。采用静压法制备试样，将配制好的土击入模具中，制成直径39.1 mm、高度80 mm的三轴试样(图 2)。本次无侧限抗压强度试验采用南京土壤仪器厂有限公司生产的YYW-2型应变控制式无侧限压力仪。无侧限抗压试验时以2.4 mm/min的应变速率进行压缩，每产生0.5 mm变形，记录一次测力计和轴向变形值，直至测力计读数达到峰值并继续产生3%~5%的轴向应变或者总应变达到20%时停止压缩。最终获取不同条件下的经过不同方式处理土样的无侧限抗压强度。
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| 图 2 无侧限抗压强度试验土样 Fig. 2 Soil sample for unconfined compressive strength test |
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扫描电子显微镜(SEM)法是目前重要的研究土体微观结构的方法[32-33]，不少学者通过对盐渍土的微观结构进行分析，取得了丰富的研究成果[34-37]。扫描电镜试验配置土样条件与无侧限抗压强度相同，根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[31]制作重塑样。首先选取制备好的土样中间较有代表性的部位切成5 mm×5 mm×10 mm的长方体放入液氮中进行24 h冷冻，待冷冻结束后立即放入真空泵中抽空水蒸气24 h；然后将处理好的土样掰出新鲜面，通过导电胶固定在圆盘上，使用真空溅射镀膜机将土样待观察面进行镀金；最后放入电镜仪器中进行试验即可。
2 试验结果及分析 2.1 无侧限抗压强度试验结果 2.1.1 含水率对素土与CN土无侧限抗压强度的影响根据上述试验要求，选取含水率分别为12.86%、14.86%、16.86%、18.86%和20.86%，密度为1.794 g/cm3(最大干密度)，含盐量为0.25%(天然含盐量)的素土与CN土进行无侧限抗压强度试验，结果见表 3。
| 含水率/% | 无侧限抗压强度/MPa | 强度提升率/% | |
| 素土 | CN土 | ||
| 12.86 | 2.38 | 3.60 | 51.26 |
| 14.86 | 1.68 | 3.33 | 98.90 |
| 16.86 | 1.43 | 2.78 | 94.41 |
| 18.86 | 1.08 | 1.55 | 43.52 |
| 20.86 | 0.76 | 1.31 | 72.37 |
| 注：强度提升率=[(CN土抗压强度-素土抗压强度)/素土抗压强度]×100%。 | |||
由表 3可知，在各含水率条件下，CN土的无侧限抗压强度比素土强度均有明显的提升，说明在各含水率条件下，CN处理对盐渍土的无侧限抗压强度均具有较大的提升。含水率在12.86%、14.86%、16.86%、18.86%和20.86%时，CN土的无侧限抗压强度分别为3.60、3.33、2.78、1.55和1.31 MPa，与同等条件下的素土相比，无侧限抗压强度提升率分别为51.26%、98.90%、94.41%、43.52%和72.37%。
由图 3可知：含水率对于素土和CN土应力-应变曲线的破坏性形式均有相似的影响。较低含水率条件下的试样破坏会出现明显的峰值，随后呈陡崖式下降；随着含水率的增大，试样破坏时无明显峰值，曲线逐渐平缓。较低含水率(12.86%~16.86%)时，土样呈现出脆性破坏，应力-应变曲线呈软化型，分为2个阶段：压密阶段，应力-应变曲线呈近线性增长至极限强度；破坏后软化阶段，应力随应变的增加缓慢变化，至最后稳定。随着含水率的增加，素土的峰值强度逐渐减小，峰值强度所对应的应变逐渐增大。含水率增加到18.86%后，素土的破坏形式转变为塑性破坏，应力-应变曲线呈硬化型，应力随应变的增加缓慢增长至峰值强度，再缓慢下降，其应力随应变的变化程度较小。随着含水率的增加，CN土的峰值强度呈逐渐减小的趋势，峰值强度对应的应变呈现先减小后增大的趋势，在含水率为12.86%时取得最大峰值应力3.60 MPa(图 3b)，在含水率为14.86%时取得最大强度提升率98.90%(表 3)。CN土的破坏形式同样在含水率16.86%~18.86%之间存在由脆性破坏向塑性破坏的转变。
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| 图 3 不同含水率下素土(a)和CN土(b)无侧限抗压应力-应变图 Fig. 3 Stress-strain diagram of unconfined compression of plain soil(a)and CN soil(b) under different moisture content |
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当含水率较低时，土颗粒主要以强结合水方式连结，土样呈脆性软化；当含水率逐渐增加，土体中黏粒出现弱结合水并逐渐增加，公共水化膜也随之增厚，黏粒以弱结合水方式连结，此时土样转变为塑性硬化。在低含水率时，CN在土颗粒表面形成的树杈状纳米结构能够相互吸引，相互团结，使得抗压强度逐渐增加；当含水率增大时，由于纳米结构的内部疏水功能，降低了土颗粒之间的结合水膜连结，使得抗压强度逐渐减小。含水率对于2种盐渍土应力-应变曲线的影响均存在一个相似的阈值，超过此阈值，应力-应变曲线就会从应变硬化性改变为应变软化型。由于本试验采用的盐渍土塑限为17.97%，故而该阈值在最优含水率附近。
2.1.2 压实度对素土与CN土无侧限抗压强度的影响根据上述试验要求，采用最优含水率16.86%，压实度梯度85%、90%和95%，含盐量为天然含盐量0.25%的素土与CN土进行无侧限抗压强度试验，结果见表 4。
| 压实度/% | 无侧限抗压强度/MPa | 强度提升率/% | |
| 素土 | CN土 | ||
| 85 | 0.55 | 1.19 | 116.36 |
| 90 | 0.65 | 1.50 | 130.77 |
| 95 | 0.93 | 1.93 | 106.59 |
由表 4可知：在各压实度条件下，CN土无侧限抗压强度比素土强度均有明显的提升，说明在各压实度条件下，CN能够较好地提升盐渍土的抗压强度；随着压实度由85%、90%增加到95%，CN土的无侧限抗压强度达到了1.19、1.50和1.93 MPa，与同等条件下素土相比，CN土的无侧限抗压强度分别提升了116.36%、130.77%和106.59%。
由图 4可知，压实度对于素土和CN土应力-应变曲线的破坏性形式产生了不同的影响。素土在各压实度条件下均呈塑性破坏，应力-应变曲线呈硬化型，其应力随应变变化程度较小。随着压实度的增加，素土的峰值强度逐渐增大，85%压实度和90%压实度条件下峰值强度所对应轴向应变均为2.5%，95%压实度条件下峰值强度所对应轴向应变增大为3.5%。CN土在各压实度条件下均呈脆性应变，应力-应变曲线呈两个阶段的软化型。峰值强度逐渐增大，在95%压实度时取得最大峰值应力1.93 MPa(图 4b)，在90%压实度时取得最大强度提升率130.77%(表 4)。峰值强度所对应的轴向应变逐渐增加，变化范围在2.5%~4.5%之间。
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| 图 4 不同压实度下素土(a)和CN土(b)无侧限抗压应力-应变图 Fig. 4 Stress strain diagram of unconfined compression of plain soil(a)and CN soil(b)under different compactness |
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随着压实度增加，素土土体密度增大，土颗粒之间接触点增多，间距减小，孔隙体积减小。在外在荷载的作用下，土颗粒移动减少，抵抗形变的能力增加，故而抗压强度增大。CN使土颗粒表面形成的树杈状纳米结构能够相互吸引，相互团结，土颗粒接触增多，孔隙体积减小，使得抗压强度逐渐增加。在高压实度下，由于土体本身密度增大，间距减小，其CN处理后的纳米结构团结作用减弱，使得其强度提升率降低。由于CN土颗粒表面的纳米疏水膜阻隔了颗粒之间结合水膜的连结，使得原本靠黏粒以弱结合水方式连结的塑性硬化型素土转变成脆性软化型，在达到破坏峰值以后，强度骤降。
2.1.3 含盐量对素土与CN土无侧限抗压强度的影响采用最优含水率16.86%，最大干密度1.794 g/cm3，含盐量梯度0%、0.3%、1.0%、1.5%和2.0%的素土与CN土进行无侧限抗压强度试验，结果见表 5。
| 含盐量/% | 无侧限抗压强度/MPa | 强度提升率/% | |
| 素土 | CN土 | ||
| 0 | 0.46 | 0.61 | 32.41 |
| 0.3 | 1.25 | 1.33 | 6.16 |
| 1.0 | 1.30 | 1.30 | 0.05 |
| 1.5 | 0.83 | 0.79 | -4.52 |
| 2.0 | 0.69 | 0.63 | -8.77 |
由表 5可知：随着含盐量的增加，土的强度提升率逐渐降低，在含盐量为0%时，强度提升率最高，当含盐量为1.5%和2.0%时，CN土的无侧限抗压强度甚至低于素土；与素土相比，同等条件下CN土的无侧限抗压强度提升率分别为32.41%、6.16%、0.05%、-4.52%和-8.77%。
由图 5可知，含盐量对素土和CN土应力-应变曲线的破坏形式无明显影响，在各含盐量条件下素土与CN土均呈脆性破坏，应力-应变曲线呈两个阶段的软化型。随着含盐量的增加，素土的峰值强度先增加再减小, 峰值强度对应的应变呈现先增大后减小的趋势；随着含盐量的增加，CN土的峰值强度呈先增大后减小的趋势，峰值强度对应的应变呈现先减小后增大的趋势，在含盐量为0.3%时取得最大峰值应力1.33 MPa(图 5b)。
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| 图 5 不同含盐量下素土(a)和CN土(b)无侧限抗压应力-应变图 Fig. 5 Stress strain diagram of unconfined compression of plain soil(a)and CN soil(b)under different salt content |
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当含盐量较低时，由于含水率一定，土体中的盐分溶解，使得土颗粒的结合水膜增厚，土颗粒之间的距离增加，孔隙体积增大，土体抗压强度较低。随着含盐量的增加到一定程度后，土体中的盐分一部分溶解于水中增加结合水膜厚度，降低了土体的抗压强度；另一部分盐过量析出形成结晶，晶体填充于土颗粒之间的孔隙当中，起到胶结连结的作用，从而增大了土体的抗压强度。且一般结晶的胶结连结作用要大于盐溶液的作用，因此抗压强度增大。之后随着盐分进一步的结晶，胶结连结作用被破坏，从而抗压强度降低。盐分的增加对于CN土强度起到了抑制作用，由于含盐量过高时，盐分大量结晶使得土颗粒表面纳米疏水膜被破坏，无法形成较为完整的树杈状纳米结构，同时破坏的纳米结构也填充于孔隙当中，进一步破坏了土颗粒原有的黏粒连结结构，降低了土体的抗压强度。使得当含盐量大于1.0%时CN土的抗压强度开始低于素土。
2.2 扫描电镜实验图 6为90%压实度素土与CN土在扫描电镜放大800倍下的SEM图片。将镜下图片放入IPP(image pro plus)图像处理软件中进行定量分析得到表 6与表 7。
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| 图 6 90%压实度下素土(a)和CN土(b)SEM照片 Fig. 6 SEM photos of plain soil(a)and CN soil(b)under 90% compaction |
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| 土样 | 不同丰度结构单元体数 | 不同丰度孔隙单元体数 | |||||||||
| 0.0~0.2 | 0.2~0.4 | 0.4~0.6 | 0.6~0.8 | 0.8~1.0 | 0.0~0.2 | 0.2~0.4 | 0.4~0.6 | 0.6~0.8 | 0.8~1.0 | ||
| 素土 | 53 | 433 | 447 | 214 | 50 | 11 | 59 | 106 | 87 | 21 | |
| CN土 | 36 | 399 | 276 | 132 | 37 | 14 | 50 | 88 | 80 | 19 | |
| 土样 | 结构单元体 | 孔隙单元体 | |||||||
| 平均丰度 | 平均直径/μm | 平均圆度 | 平均形状系数 | 平均丰度 | 平均直径/μm | 平均圆度 | 平均形状系数 | ||
| 素土 | 0.460 7 | 14.191 5 | 0.396 2 | 0.865 4 | 0.533 6 | 18.561 8 | 0.454 7 | 0.893 6 | |
| CN土 | 0.441 0 | 3.213 2 | 0.394 3 | 0.876 9 | 0.532 7 | 4.433 3 | 0.456 2 | 0.886 1 | |
由图 6可知：素土的结构类型以团聚-絮凝状结构为主，结构连结形式以胶结连结为主；土颗粒较细小，黏土矿物结晶程度不高，土中孔隙发育，孔隙呈不连续分散排列。CN土结构类型以团聚-粒状结构为主，结构连结形式以胶结连结为主；处理后的土颗粒主要为大团粒，絮凝状颗粒较少，颗粒表面较为平整光滑；CN形成的纳米膜相互吸引、团聚使得土颗粒中黏粒含量降低，土颗粒之间聚集、凝结而形成更大的颗粒，同时颗粒之间的聚集使得孔隙发育较少，从而提升了盐渍土的抗压强度。
表 6为素土和CN土不同丰度的土样数量分布情况。土样丰度是指土中结构(或孔隙)单元体在测量窗口内短轴和长轴之比。其大小反映了研究对象在二维平面内所展示的形状特征，丰度越小形状越趋于长条形，越大越趋于等轴形。由表 6可知，素土与CN土结构单元体丰度大小主要都分布在0.2~0.8区间，在0.0~0.2区间和0.8~1.0区间数量较少；由CN处理后，结构单元体在各区间的数量减少，但总体分布形势不变，说明CN将单元体整体进行包裹压缩，改变了单元体的体积形态。孔隙单元体在各区间内均有发育，分布较为平均；由CN处理后，除0.0~0.2区间内孔隙单元体数量略为增加外，0.2~1.0区间内孔隙单元体数量均有减少。说明CN使得孔隙长轴变长，短轴变短，逐渐向长条形和扁圆形转变，同时CN在土颗粒表面形成纳米疏水膜时，会填充土颗粒之间的毛细孔道和微孔隙，使得土体的孔隙率降低。
由表 7可知：素土与CN土的孔隙单元体的各平均形态参数值都大于结构的平均形态参数；由CN处理后，结构单元体形态参数除平均直径有显著的减小外，平均丰度、平均圆度和平均形状系数无较大改变，说明CN处理会使结构单元体形状趋于规则，接近于等圆形；由CN处理后，孔隙单元体的平均形态参数变化与结构单元体相同，除平均直径有大幅减小外，其他无明显变化，说明CN处理不仅作用于单个单元体，也使得单元体之间连结更为紧密，从而提升土体强度。
3 结论1) 在不同含水率条件下，CN通过在土颗粒表面形成的可以相互吸引、团结的纳米疏水膜来提升盐渍土的无侧限抗压强度，且在14.86%含水率时取得最大提升率98.90%。随着含水率的增加，素土与CN土应力-应变曲线均存在由硬化型向软化型的转变，其阈值在最优含水率附近。
2) 压实度在85%~95%区间内，随着压实度的增加，CN土无侧限抗压强度逐渐增强，强度提升率先增加后减小，在90%压实度条件下取得最大提升率130.77%。CN处理后，原本呈塑性硬化型素土转变成脆性软化型。
3) 含盐量在0%~2.0%区间，随着含盐量的增加，CN土的峰值强度呈先增加后减小的趋势。当含盐量超过1.0%时，盐分的增加对于CN土无侧限抗压强度起到了抑制作用。在0.3%含盐量条件下取得最大无侧限抗压强度1.33 MPa。过量的盐分结晶会破坏CN形成的纳米结构疏水膜，同时破坏的纳米结构也填充于孔隙当中，进一步破坏土颗粒原有的黏粒连结结构，降低了土体的抗压强度，使得在高含盐量条件下，CN土的抗压强度低于素土。
4) 结合SEM电镜扫描与IPP数据分析，CN使得盐渍土颗粒大量团聚，形成大颗粒，降低了黏粒含量，减小了土颗粒之间的孔隙率，使土颗粒结构单元体形状趋于规则，接近于等圆形，孔隙向着长条形和扁圆形转变，结构单元体和孔隙单元体处理后连结更为紧密，从而提升了土体强度。
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