黃河三角洲改性含鹽水泥土攪拌樁耐久性研究

崔新壯，張娜，王聰，車(chē)華橋，周亞旭

（山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南 250061）

黃河三角洲作為中國(guó)最年輕的大河三角洲，廣泛分布著以低液限粉土、含砂的亞黏土、粉砂土為主的沉積土，工程性質(zhì)差.同時(shí)，地下水和土的礦化度很高，導(dǎo)致該地區(qū)水泥土攪拌樁復(fù)合地基受腐蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)了許多工程問(wèn)題.目前尚未有關(guān)黃河三角洲含鹽水泥土（以下簡(jiǎn)稱(chēng)水泥土）劣化問(wèn)題研究的報(bào)道.本文將通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究水泥土的劣化規(guī)律，并通過(guò)摻加粉煤灰、礦渣微粉等對(duì)水泥土改性，研究其防腐機(jī)理與措施，為水泥土攪拌樁的耐久性設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持.

1 黃河三角洲土水性質(zhì)

為了解黃河三角洲典型區(qū)域土水的特性，在濱德高速K15＋200處鉆芯取土樣和水樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn).分析發(fā)現(xiàn)，地基土主要為粉土，具有低液限、高含水率、低強(qiáng)度等特點(diǎn)，其壓縮系數(shù)大于0.5MPa－1，為高壓縮性粉土.采用JXA－8800R 型電子探針對(duì)土樣顆粒微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，如圖1所示.與普通粉土相比，黃河三角洲粉土顆粒磨圓度較高，針片狀顆粒少，經(jīng)水的長(zhǎng)時(shí)間浸泡侵蝕、顆粒撞擊和水流沖刷作用，顆粒表面破碎、剝蝕嚴(yán)重.

表1 0.5m 深處地下水的物理、化學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and chemical indices of the groundwater at the depth of 0.5m mg／L

2 含鹽水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 原材料與試件制備

水泥土土樣取自濱德高速公路K15＋200處、清表后1.0～1.5m 深處的含鹽土，水樣為地表下約0.5m 深處的含鹽水.水泥采用東岳水泥廠生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰（FA）采用一級(jí)粉煤灰，礦渣微粉（GGBS）質(zhì)量符合DB 31／T35《混凝土和砂漿用粒化高爐礦渣微粉》規(guī)定.按照J(rèn)TJ 057—1994《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》制作試件.

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)與鹽水浸泡養(yǎng)護(hù)2種養(yǎng)護(hù)方式，其中養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)模擬黃河三角洲地下水位以上的地下環(huán)境，鹽水浸泡養(yǎng)護(hù)模擬黃河三角洲地下水位以下的地下環(huán)境.水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)方案如表2所示，其中正常水泥土試件是原位土料經(jīng)3次水洗，用水泥加固后浸泡在淡水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，其他試件均在鹽水中養(yǎng)護(hù).在未改性水泥土中，水泥占土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.58%，改性時(shí)，將粉煤灰、礦渣微粉等質(zhì)量替代水泥.

表2 水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)方案Table 2 Soil－cement strength test project

3 室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 水泥土劣化規(guī)律分析

3.1.1 抗拉強(qiáng)度

圖3為正常水泥土與含鹽水泥土在不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化曲線.由圖3可見(jiàn)，在養(yǎng)護(hù)室環(huán)境下，含鹽水泥土與正常水泥土抗拉強(qiáng)度差異不大，說(shuō)明鹽對(duì)水泥土抗拉強(qiáng)度的影響不是很明顯.在浸泡環(huán)境下，28，180d齡期含鹽水泥土分別與正常水泥土抗拉強(qiáng)度相同，90d齡期含鹽水泥土抗拉強(qiáng)度大于正常水泥土.總的來(lái)說(shuō)，鹽分的存在并沒(méi)有使水泥土的抗拉強(qiáng)度降低.同時(shí)，養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)水泥土抗拉強(qiáng)度的影響較小，2種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下水泥土的抗拉強(qiáng)度相差不大.

圖3 水泥土抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化曲線Fig.3 Variation curves of tensile strength with time

3.1.2 抗壓強(qiáng)度

圖4為正常水泥土與含鹽水泥土在不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線.由圖4可見(jiàn)，在養(yǎng)護(hù)室環(huán)境下，含鹽水泥土初期抗壓強(qiáng)度低于正常水泥土，90d齡期時(shí)兩者基本相同，但是，180d齡期時(shí)，含鹽水泥土抗壓強(qiáng)度高于正常水泥土.這是由于水泥土在養(yǎng)護(hù)室經(jīng)正常水化作用后，水中的鹽析出并填充在水泥土的孔隙中使水泥土密實(shí)，從而使抗壓強(qiáng)度得到提高，而這一過(guò)程需要一定的時(shí)間，所以在后期這種密實(shí)作用才發(fā)揮出來(lái).

圖4 水泥土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線Fig.4 Variation curves of compressive strength with time

與養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)環(huán)境相比，在浸泡環(huán)境下，含鹽水泥土的抗壓強(qiáng)度一直低于正常水泥土，并且在90d齡期后，含鹽水泥土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較小.研究［8］表明，正常水泥土試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的對(duì)數(shù)近似線性增長(zhǎng)，其5a齡期的強(qiáng)度約為28d齡期的2～5倍.對(duì)浸泡于鹽水中的含鹽水泥土試件，由于鹽水的作用，鹽與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物強(qiáng)度低，且體積膨脹，使水泥土從表層剝落劣化，導(dǎo)致強(qiáng)度下降.在浸泡條件下，90，180d齡期的含鹽水泥土抗壓強(qiáng)度相對(duì)正常水泥土分別下降了18.5%，21.6%.由此可見(jiàn)，在地下水位以下，水泥土攪拌樁長(zhǎng)期被鹽水浸泡，其表層會(huì)逐漸劣化，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度越來(lái)越低，從而使水泥土樁體乃至復(fù)合地基的承載力降低.

3.2 粉煤灰抑制含鹽水泥土劣化效應(yīng)分析

圖5為不同粉煤灰摻量的水泥土在不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線.由圖5可見(jiàn)，含鹽水泥土抗壓強(qiáng)度總體上隨著粉煤灰摻量的增大而逐漸降低.在養(yǎng)護(hù)室環(huán)境下，水泥土抗壓強(qiáng)度隨著齡期的延長(zhǎng)而增大，但增大的速率要小于在鹽水中浸泡的水泥土.在鹽水浸泡環(huán)境下，當(dāng)粉煤灰摻量為40%時(shí)，水泥土后期抗壓強(qiáng)度增大速率最快，180d齡期其抗壓強(qiáng)度已接近全水泥固化的情況.這說(shuō)明添加粉煤灰有利于鹽水環(huán)境下水泥土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)，從而提高了含鹽水泥土后期抗腐蝕與抗劣化的能力.

圖5 不同粉煤灰摻量水泥土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線Fig.5 Variation curves of compressive strength of fly－ash modified soil－cement with time

粉煤灰屬于活性混合材料，與水拌和后不發(fā)生水化及凝結(jié)硬化，但在氫氧化鈣飽和溶液中，會(huì)發(fā)生顯著的水化反應(yīng)，即火山灰反應(yīng)，使游離消石灰減少或消除，可提高水化硅酸鈣膠凝物質(zhì)的質(zhì)量，從而使強(qiáng)度得以大幅提高.然而，火山灰反應(yīng)在時(shí)間上滯后于水泥的主體水化反應(yīng).同時(shí)，由于粉煤灰本身的活性以及早期生成物的強(qiáng)度都不及水泥，所以摻加粉煤灰后水泥土的早期強(qiáng)度低于只摻加水泥的水泥土.不過(guò)，隨著粉煤灰與水、土顆粒反應(yīng)的進(jìn)行，其后期強(qiáng)度會(huì)逐漸提高.

用粉煤灰替換部分水泥，既減少了水泥用量，又減少了水泥土受腐蝕的內(nèi)部因素.粉煤灰中的SiO2和Al2O3在水泥土孔隙中與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，其生成物填充、分割原來(lái)的大孔隙，使孔隙細(xì)化，從而降低水泥土的滲透性，阻礙侵蝕性介質(zhì)的侵入，可有效提高水泥土的抗腐蝕性.

3.3 礦渣微粉抑制含鹽水泥土劣化效應(yīng)分析

為了彌補(bǔ)粉煤灰早期強(qiáng)度的不足，在水泥土中摻加了礦渣微粉.圖6為不同礦渣微粉摻量的水泥土在不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線.由圖6可見(jiàn)，含鹽水泥土抗壓強(qiáng)度隨著礦渣微粉摻量的增加而增加，當(dāng)?shù)V渣微粉替代40%水泥后，其抗壓強(qiáng)度顯著提高.特別是在浸泡養(yǎng)護(hù)條件下，當(dāng)?shù)V渣微粉摻量達(dá)到40%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度與正常水泥土相當(dāng).所以，為了防止水泥土劣化，工程中建議用粉煤灰和礦渣微粉等質(zhì)量替代60%的水泥，而且礦渣微粉的摻量不小于40%.

采用礦渣微粉取代部分水泥能夠有效減輕腐蝕，是因?yàn)樘砑拥V渣微粉后減少了水泥的用量，從而減少了易腐蝕成分（氫氧化鈣和鋁酸三鈣）的含量，使水泥土“低鈣”.另外，礦渣微粉中含有活性成分，在堿性環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生二次反應(yīng)，這也可降低氫氧化鈣的含量，提高水泥土的抗腐蝕性能.礦渣微粉抗腐蝕的機(jī)理和粉煤灰抗腐蝕的機(jī)理類(lèi)似.

4 水泥土SEM 分析

將水泥土密封養(yǎng)護(hù)7d，置于鹽水中浸泡21d后，采用日立掃描電子顯微鏡對(duì)改性和未改性水泥土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了SEM 分析，結(jié)果見(jiàn)圖7.由圖7可見(jiàn)，水泥土未改性前內(nèi)部孔隙較大，呈顆粒狀結(jié)構(gòu)，有較多針棒狀的鈣礬石晶體穿插在土顆粒間.用粉煤灰改性后，水泥土內(nèi)部孔隙較小，呈卷狀結(jié)構(gòu)，針棒狀的鈣礬石較少，這有利于后期強(qiáng)度的保持.在粉煤灰摻量不變的情況下，用礦渣微粉代替部分水泥后，水泥土內(nèi)部孔隙更小，卷狀物疊合緊密，鈣礬石生成明顯減少，水泥土強(qiáng)度提高.

5 水泥土XRD分析

將水泥土密封養(yǎng)護(hù)7d，置于鹽水中浸泡21d后，采用DPMAX2550X 射線衍射儀對(duì)不同水泥土進(jìn)行了XRD 分析，水泥土中各組分晶體的含量如表3所示，其XRD 圖譜見(jiàn)圖8.由表3可以看出，水泥土改性后，對(duì)強(qiáng)度有利的C－S－H和C－A－H 增多，說(shuō)明粉煤灰和礦渣微粉對(duì)水泥土的劣化起到了顯著的抑制效應(yīng).

表3 水泥土中的主要化學(xué)及礦物組成Table 3 Component（by mass）of the soil－cement %

圖8 不同水泥土X 射線衍射圖譜Fig.8 X－ray diffraction patterns of different soil－cement

6 結(jié)論

（1）黃河三角洲地下鹽水對(duì)水泥土有顯著的腐蝕效應(yīng).與正常水泥土相比，90，180d鹽水浸泡水泥土的抗壓強(qiáng)度分別降低了18.5%，21.6%.

（2）粉煤灰的摻加對(duì)水泥土的早期強(qiáng)度不利，但會(huì)使其后期強(qiáng)度持續(xù)增加.

（3）礦渣微粉對(duì)水泥土強(qiáng)度有很明顯的提升作用.同時(shí)，礦渣微粉有很強(qiáng)的抗腐蝕作用，能有效抑制鹽水區(qū)水泥土劣化，是水泥土理想的改性劑.

（4）在黃河三角洲高含鹽地下水環(huán)境下，為了防治水泥土攪拌樁承載性能劣化，可用粉煤灰和礦渣微粉等質(zhì)量代替60%的水泥，且礦渣微粉摻量不小于40%.

［1］TERASHI M.Fundamental properties of lime and cement treated soil（3rd report）［J］.Report of the Port and Harbour Research Institute，1983，22（1）：69－96.

［2］SAITOH S.Experimental study of engineering properties of cement improved ground by deep mixing method［D］.Tokyo：Nihon University，1988.

［3］黃新.水化產(chǎn)物鈣礬石在軟土地基加固中的增強(qiáng)作用［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2000，28（4）：299－302.HUANG Xin.Strength enhancement effect of ettringite in soil stabilization［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2000，28（4）：299－302.（in Chinese）

［4］陳四利，寧寶寬，劉一芳，等.化學(xué)侵蝕下水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)［J］.新型建筑材料，2006（6）：40－42.CHEN Si－li，NING Bao－kuan，LIU Yi－fang，et al.Compressive strength test of soil cement without lateral confinement under chemical corrosion［J］.New Building Materials，2006（6）：40－42.（in Chinese）

［5］邢皓楓，徐超，葉觀寶，等.可溶鹽離子對(duì)高含鹽水泥土強(qiáng)度影響的機(jī)理分析［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2008，21（6）：26－30.XIN Hao－feng，XU Chao，YE Guan－bao，et al.Mechanism analysis of influence of soluble salt ions on strength of saltrich cement－soil［J］.China Journal of Highway and Transport，2008，21（6）：26－30.（in Chinese）

［6］儲(chǔ)誠(chéng)富，洪振舜，劉松玉.用似水灰比對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)［J］.巖土力學(xué)，2005，26（4）：37－42.CHU Cheng－fu，HONG Zhen－shun，LIU Song－yu.Prediction of unconfined compressive strength of cemented soils with quasi－water－cement ratio［J］.Rock and Mechanics，2005，26（4）：37－42.（in Chinese）

［7］葉觀寶，陳望春，徐超，等.水泥土添加劑的室內(nèi)試驗(yàn)［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2006，19（5）：12－17.YE Guan－bao，CHEN Wang－chun，XU Chao，et al.Test on additive of cement－soil in laboratory［J］.China Journal of Highway and Transport，2006，19（5）：12－17.（in Chinese）

［8］劉松玉，錢(qián)國(guó)超，章定文.粉噴樁復(fù)合地基理論與工程應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006：68.LIU Song－yu，QIAN Guo－chao，ZHANG Ding－wen.The principle and application of dry jet mixing composite foundation［M］.Beijing：China Architecture and Building Press，2006：68.（in Chinese）