場地形成的水泥土的劣化室內(nèi)模擬試驗

楊俊杰，張玥宸，閆 楠，王秀海

(中國海洋大學(xué) a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院； b.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室， 山東 青島 266100)

水泥土在軟土地基處理中應(yīng)用廣泛。然而，長期處在腐蝕性場地中的加固體會受到腐蝕，發(fā)生強度降低、滲透性增大等的劣化現(xiàn)象。劣化的發(fā)生嚴(yán)重影響水泥土的使用壽命[1～5]。

楊俊杰等將水泥土的劣化研究分為場地環(huán)境變化導(dǎo)致已有水泥土的劣化和在場地中形成的水泥土的劣化[6]。

場地環(huán)境變化引起的加固體劣化，主要是指酸、堿、海水等致污物質(zhì)侵入場地導(dǎo)致場地土質(zhì)及土中水被污染，場地內(nèi)既有加固體受到致污物質(zhì)及被污染水、土的腐蝕而發(fā)生的劣化[6]。這一類研究采用的方法及技術(shù)路線基本上是：制備加固體→養(yǎng)護→(脫模)加固體浸泡→強度試驗及物理化學(xué)試驗[7～17]。

場地形成的水泥土的劣化，主要是指在被酸、堿、海水等致污物質(zhì)污染的場地或濱海相軟土等具有腐蝕性的場地施工的水泥土在產(chǎn)生強度的同時，受場地中侵蝕性離子影響而發(fā)生的劣化。這一類研究采用的方法及技術(shù)路線是，制備加固體→(不脫模)加固體頂面暴露于腐蝕性環(huán)境→微型貫入試驗及物理化學(xué)試驗。將原土與固化劑混合并裝入頂面敞開的圓柱形容器后不脫模立即置于腐蝕性環(huán)境(溶液或土體)中養(yǎng)護，可模擬加固體的形成環(huán)境；養(yǎng)護后不脫模從與外界環(huán)境接觸面開始實施加固體的微型貫入試驗，可得到加固體強度(劣化)的時空分布規(guī)律[6]。

場地形成的水泥土的劣化影響因素有內(nèi)因和外因。內(nèi)因是影響加固體強度的因素，有原土性質(zhì)、固化劑種類與強度等級及摻入比、水灰比、加固體自重應(yīng)力狀態(tài)、施工工藝等；外因是外界環(huán)境因素，有侵蝕性離子種類及濃度、溫度及溫度循環(huán)變化、加固體受到的有效土壓力和孔隙水壓力(如飽和地基中水泥土樁側(cè)面承受的水平向有效土壓力和孔隙水壓力)等；而時間這一因素可以看成是內(nèi)因也可以看成是外因，從水泥土強度增長的角度，可以稱為齡期，從劣化的角度看，則表示水泥土與侵蝕性介質(zhì)接觸的時間長短，是水泥土強度降低的因素，研究腐蝕性場地形成的加固體的劣化，應(yīng)在加固體形成后立即將其置于腐蝕性環(huán)境中養(yǎng)護，因此，可以將這兩個時間因素看成是同一個，考慮到可將水泥土視為是在腐蝕性環(huán)境中養(yǎng)護，亦為方便起見，稱之為養(yǎng)護時間[6]。

本文在楊俊杰等的初步試驗的基礎(chǔ)上提出了劣化深度的定義并討論了養(yǎng)護時間和水泥摻量對場地形成的水泥土的劣化深度的影響。

1 試驗概況

試樣筒為有效直徑110 mm，高度145 mm的有機玻璃質(zhì)燒杯。養(yǎng)護筒為有機玻璃質(zhì)圓筒。裝入水泥土前后的試樣筒及養(yǎng)護情況如圖1所示。

圖1 試樣筒及養(yǎng)護筒

微型貫入儀(MCPT-1)為應(yīng)變控制式，貫入阻力與貫入深度利用數(shù)字自動顯示器讀取，峰值可自動保存。探頭及探桿為不銹鋼材料制作，探頭直徑為7 mm，錐角為60°，探桿直徑為6 mm，最大可貫入長度為130 mm。

表1 青島膠州灣海相粘土基本物理性質(zhì)

因為原土處于海水飽和軟土場地，天然含水量較高，接近液限的1.5倍，所以，直接將水泥摻入原土即可攪拌均勻。分別以7%、16%的摻入比(水泥與原土的重量比)制作水泥土試樣。將水泥和原土混合并攪拌均勻，然后將水泥土裝入試樣筒中，刮平表面。在裝入水泥土的過程中盡可能避免混入空氣。整個過程在5 min內(nèi)完成，以避免水泥土發(fā)生水化等反應(yīng)而硬化。將裝有水泥土的試樣筒立即放入裝有海水的養(yǎng)護筒。海水溫度保持在20℃±2℃。浸泡前28天每7天換一次水，28天以后每30天換一次水。試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案

微型貫入試驗使用的荷載傳感器量程為500 N，分辨率為0.1 N；貫入速度設(shè)定為1 mm/min。貫入阻力接近荷載傳感器量程之前結(jié)束試驗。

在貫入試驗結(jié)束后，測試了水泥土沿深度方向的Ca2+與Mg2+的濃度分布。自表面分別切取0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm、20～25 mm各深度樣品。選擇1 mm孔徑的篩，將土樣放入篩盤中過篩。稱取過篩后的樣品10 g，放入錐形瓶中，加入50 ml蒸餾水，在振蕩器上振蕩12 h。然后將混合物過濾，濾膜孔徑選擇0.22 μm，將所得濾液根據(jù)EDTA滴定法測定鈣離子(Ca2+)，鎂離子(Mg2+)采用鈣鎂合量滴定法，也是利用EDTA來進行滴定，根據(jù)消耗EDTA的量來測算離子濃度。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 劣化深度的定義

楊俊杰等[6]得到的貫入阻力與貫入深度的關(guān)系曲線形狀與Hara等[3]的相似，均可用圖2所示的模式圖表示。曲線上存在幾乎沒有強度的部分和強度突然開始發(fā)揮的部分，Hara等[3]將這兩個部分分別用直線近似，并將兩條直線的交點的深度定義為劣化深度(圖中的dn)。這種方法的缺點是在擬合直線時，斜率對結(jié)果的影響較大，尤其是幾乎沒有強度部分的斜率的確定需要準(zhǔn)確的判斷。而且，圓錐形貫入探頭決定了貫入深度較淺部分的曲線特征，這種方法確定的劣化深度沒有去除這部分深度。

本文采用將強度開始發(fā)揮的部分?jǐn)M合一條直線，將直線與縱軸的交點作為劣化深度的方法(圖中d)。這種方法的優(yōu)點是只需擬合一條直線，且這部分的直線段明顯，而且，這種方法確定的劣化深度可以部分抵消由于貫入探頭錐尖影響帶來的誤差。由圖可知，本文方法確定的劣化深度略小于Hara等的方法。

圖2 根據(jù)貫入阻力曲線定義劣化深度

2.2 貫入阻力曲線

圖3和圖4是微型貫入試驗得到的貫入阻力曲線，圖3是相同水泥摻入比(7%)不同養(yǎng)護時間，圖4是相同養(yǎng)護時間(120 d)不同水泥摻入比的水泥土試樣貫入阻力(N)與貫入深度(mm)的關(guān)系曲線。

圖3 水泥摻入比為7%的貫入試驗結(jié)果

圖4 養(yǎng)護120 d的水泥土試樣的貫入試驗結(jié)果

由圖3和圖4可知，不同養(yǎng)護時間的貫入阻力曲線性狀相似，貫入阻力幾乎不隨貫入深度而增加，說明水泥土發(fā)生了劣化，但是，到達(dá)一定深度后，曲線開始出現(xiàn)拐點，貫入阻力隨著貫入深度直線增加，到達(dá)一定深度后，再次出現(xiàn)拐點，貫入阻力隨著貫入深度而緩慢增加，理論上此時強度達(dá)到未劣化水泥土強度而隨深度增加不明顯。但是，由于力學(xué)傳感器量程的限制，沒有全部測得水泥土第二個拐點后的穩(wěn)定強度。而且，根據(jù)曲線趨勢，第二個拐點后水泥土強度離散性較大，這主要是因為水泥土制作過程中人為因素影響所致。目前正在試制小型攪拌機以提高水泥土制作質(zhì)量和穩(wěn)定性。由圖4可知，水泥摻入比為7%的水泥土試樣的未劣化部分強度遠(yuǎn)小于摻入比為16%的水泥土試樣。

2.3 養(yǎng)護時間和水泥摻量對劣化深度的影響

根據(jù)圖3和圖4，采用本文的劣化深度定義方法得到的劣化深度如表3所示。

表3 水泥土劣化深度

根據(jù)表3可得水泥摻入比為7%的水泥土的劣化深度與養(yǎng)護時間的關(guān)系(圖5)。本試驗條件下，水泥土的劣化深度隨養(yǎng)護時間近似線性增加。今后有必要實施更長養(yǎng)護時間的試驗，以探討劣化深度隨養(yǎng)護時間的變化規(guī)律。

圖5 劣化深度與養(yǎng)護時間的關(guān)系

同樣，養(yǎng)護120 d的水泥土劣化深度與水泥摻入比的關(guān)系如圖6所示。隨著水泥摻量的增加，水泥土強度明顯增加的同時，劣化深度顯著減小。因此，在實際工程應(yīng)用中，增加水泥摻量不僅可增加水泥土強度，還可降低腐蝕環(huán)境導(dǎo)致的水泥土劣化的程度。

圖6 水泥摻量對劣化深度的影響

2.4 Ca2+、Mg2+濃度沿深度的變化

圖7、圖8分別為相同水泥摻入比(7%)不同養(yǎng)護時間的水泥土試樣沿深度方向的Ca2+、Mg2+濃度分布情況。

圖7 Ca2+濃度沿深度的分布

圖8 Mg2+濃度沿深度的分布

如圖7、8所示，水泥土中的Ca2+濃度和Mg2+濃度變化(除去Mg2+60 d試樣)均呈一定的規(guī)律性。不同養(yǎng)護時間的水泥土試樣，Ca2+呈現(xiàn)由深到淺濃度逐漸降低的趨勢，Mg2+濃度變化則隨著深度的增加逐漸減小。這與HARA[3]等人的研究結(jié)果相同。

由于海水中的Mg2+在灰土pH值較高的環(huán)境下易與灰土中的OH-發(fā)生反應(yīng)，生成難溶的Mg(OH)2[2]，降低灰土的pH值，而Ca2+在pH值較低條件下更易于溶出，從而使灰土發(fā)生強度降低現(xiàn)象[3]。

可能是試驗精度或誤差問題，沒有得到Ca2+和Mg2+的濃度變化與養(yǎng)護時間、劣化深度的定量關(guān)系。但是，作為固化成分的Ca2+的溶出無疑是水泥土強度降低的原因，這對于研究水泥土劣化機理有著重要的意義，有必要再進行深入探討。

3 結(jié) 語

利用室內(nèi)模擬試驗研究了養(yǎng)護時間和水泥摻量對青島膠州灣海相軟土場地形成的水泥土的劣化的影響。根據(jù)貫入阻力與貫入深度的關(guān)系曲線特征定義了劣化深度。試驗結(jié)果表明，海水環(huán)境下水泥土的劣化進展較快；劣化深度隨著養(yǎng)護時間的增加而增大；隨著水泥摻量的增加，水泥土強度明顯增加，同時水泥土的劣化深度顯著減?。凰嗤林械腃a2+呈現(xiàn)由深到淺濃度逐漸降低的趨勢，Mg2+濃度變化則隨著深度的增加逐漸減小。

今后結(jié)合利用X射線衍射、化學(xué)分析、掃描電鏡等手段深入研究各種條件下水泥土劣化規(guī)律并揭示水泥土劣化過程(劣化機理與時間的關(guān)系)，在此基礎(chǔ)上研究開發(fā)出能夠有效抵抗水泥土劣化的添加劑。

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