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    污水環(huán)境對水泥土滲透性能影響的試驗(yàn)研究

    2015-02-17 07:41:16陳四利楊雨林胡大偉
    巖土力學(xué) 2015年11期
    關(guān)鍵詞:滲透系數(shù)齡期清水

    陳四利,楊雨林,周 輝,胡大偉

    (1.沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870;2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430071)

    1 引 言

    由于水泥土施工工藝簡單、工期短、價格低廉而且還有低滲透和高強(qiáng)度的特點(diǎn),目前,它不僅用于地基加固、基坑支護(hù)中的擋墻、大體積穩(wěn)定土以及路基墊層,而且還被用于基坑工程中的防滲止水帷幕[1]。近些年,關(guān)于水泥土的滲透性我國學(xué)者進(jìn)行了許多的研究。大多數(shù)學(xué)者采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境制作養(yǎng)護(hù)水泥土進(jìn)行滲透試驗(yàn),研究齡期、水泥摻量比及添加劑對水泥土滲透性的影響[2-4]。陳四利等[5]研究了水泥土在凍融情況下力學(xué)和滲透特性。袁榮宏等[6]主要研究水泥土滲透系數(shù)隨圍壓變化的試驗(yàn)。董凱赫[7]采用正交試驗(yàn)的方法分析滲透系數(shù)在水泥摻量、膨潤土摻量、粉煤灰摻量影響下的變化規(guī)律。龐文臺等[8]對復(fù)合水泥土進(jìn)行了抗?jié)B性能的試驗(yàn)研究。眾所周知,水泥土防滲工程多數(shù)與地下水接觸,然而,地下水大多含有腐蝕性介質(zhì)具有侵蝕性,會導(dǎo)致水泥土防滲性能的降低甚至失效。在侵蝕性地下水地層中不僅要重視水泥土的使用安全性,還要重視水泥土施工制作時,地下水對水泥土的影響,特別是需要利用場地地下水直接成樁的粉噴水泥土的施工工藝,地下水的污染狀況對成樁質(zhì)量具有較大影響?,F(xiàn)在許多學(xué)者越來越關(guān)注有關(guān)這方面的研究,如寧寶寬等[9-11],陳四利等[12],劉新等[13],白曉紅等[14]學(xué)者對水泥土在特定化學(xué)污染環(huán)境(不同化學(xué)溶液、不同濃度以及不同pH 值等)下的力學(xué)性質(zhì)展開了有益的研究。然而,對腐蝕環(huán)境下水泥土的滲透性的研究還鮮有報(bào)道。眾所周知,在實(shí)際工程中地下侵蝕環(huán)境不是單一的化學(xué)成分,是多種腐蝕介質(zhì)的共同作用。因此,本文根據(jù)工程實(shí)際情況,考慮多種腐蝕性介質(zhì)的影響,如污水環(huán)境下水泥土滲透特性的腐蝕效應(yīng),探討水泥土滲透系數(shù)變化規(guī)律,對水泥土的滲透理論研究和對采用水泥土施工或加固的巖土工程都具有積極的意義。

    為分析復(fù)雜環(huán)境對水泥土滲透性的影響,本文設(shè)計(jì)了水泥土配合比,并將水泥土試件分別置于污水和清水環(huán)境中養(yǎng)護(hù),利用水泥土滲透儀進(jìn)行水泥土的滲透試驗(yàn)。

    2 試驗(yàn)方案及試件制備

    2.1 試驗(yàn)材料和試樣制備

    試驗(yàn)采用強(qiáng)度等級為42.5 的普通硅酸鹽水泥,其質(zhì)量符合國家建材標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)所用土為沈陽市某地的粉質(zhì)黏土,經(jīng)過風(fēng)干,碾壓,并且通過2.0 mm篩,主要的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。

    表1 試驗(yàn)用土樣主要物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Main physical properties of soil specimen

    清水采用自來水,污水取自沈陽某工程工地附近,該場地地下水受到了工業(yè)廢水和生活污水的滲漏影響,污水檢測后其主要化學(xué)成分如表2 所示,其pH 值為6.5。

    表2 污水的化學(xué)成分Table 2 Chemical compositions of sewage

    水泥土試件中的水泥摻量采取3 種配制形式,即水泥摻量分別為9%、12%、15% 3 種配合比試驗(yàn),土、水泥、水(清水或污水)質(zhì)量比分別為1 :0.09 :0.18,1 :0.12 :0.24,1 :0.15 :0.3。根據(jù)《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[15]的要求,滲透試驗(yàn)試件采用截頭圓錐行試模,尺寸為上口內(nèi)徑為70 mm,下口內(nèi)徑為80 mm,高度為30 mm。制備24 組,每組3 個試件,共計(jì)72 個試件。

    這里需要說明的是,3 種配合比均分別用清水?dāng)嚢韬臀鬯當(dāng)嚢瑁瑢⑺麄兂浞謹(jǐn)嚢韬?,裝入試模中靜置 24 h 脫模,清水?dāng)嚢璧脑嚰糜谇逅叙B(yǎng)護(hù)(簡稱清水環(huán)境),污水?dāng)嚢璧脑嚰糜谖鬯叙B(yǎng)護(hù)(簡稱污水環(huán)境),室內(nèi)溫度約為16~26 ℃,分別養(yǎng)護(hù)至 30、60、90 和120 d 待用。試件養(yǎng)護(hù)情況如圖1(a)所示。

    2.2 試驗(yàn)方案

    根據(jù)《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[15]和試驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求,進(jìn)行水泥土試件滲透試驗(yàn),主要儀器設(shè)備有水泥土滲透儀(YXSS-25 型)。如圖1(b)所示。

    對養(yǎng)護(hù)齡期為30、60、90、120 d 的試件進(jìn)行滲透試驗(yàn)(試驗(yàn)溫度為20 ℃)以獲取滲透的相關(guān)參數(shù)。

    圖1 水泥土試件養(yǎng)護(hù)和滲透儀Fig.1 Curing of cemented soil specimens and penetration apparatus

    3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

    3.1 水泥摻量對水泥土滲透性的影響

    根據(jù)在污水和清水環(huán)境下不同水泥摻量、不同齡期水泥土滲透系數(shù)的變化規(guī)律,在水溫T ℃時水泥土的滲透系數(shù)kT按下列計(jì)算:

    式中:kT為水溫T ℃時水泥土滲透系數(shù)(cm/s),精確至0.01×10-ncm/s;t為時間間隔(s);A為試件中部橫截面(cm2);h為滲徑,即試件高度(cm);V為經(jīng)時間間隔t 滲出的水量(mL);i為水力梯度;p為施加的滲透壓力(MPa);γw為水的重度(N/cm3),取0.009 8 N/cm3。

    如圖2 所示,4 種齡期(30、60、90 和120 d),在清水環(huán)境下水泥土滲透系數(shù)隨水泥摻量的增加而降低,水泥摻量為9%~12%區(qū)間的水泥土滲透系數(shù)降低幅度大于水泥摻量為12%~15%區(qū)間的水泥土滲透系數(shù)的降低幅度。污水和清水環(huán)境下的水泥土滲透系數(shù)變化趨勢基本相同,但清水環(huán)境滲透系數(shù)明顯小于污水環(huán)境的滲透系數(shù)。齡期120 d 時,水泥摻量為9%、12%和15%時的清水環(huán)境滲透系數(shù)分別為4×10-9、0.95×10-9和0.57×10-9cm/s,而污水環(huán)境滲透系數(shù)分別升至11.33×10-9、3.9×10-9和2.23×10-9cm/s。9%水泥摻量時污水環(huán)境滲透系數(shù)相對清水環(huán)境滲透系數(shù)增加7×10-9cm/s,12%水泥摻量時污水環(huán)境滲透系數(shù)相對清水環(huán)境滲透系數(shù)增加3×10-9cm/s,15%水泥摻量時污水環(huán)境滲透系數(shù)相對清水環(huán)境滲透系數(shù)增加1.66×10-9cm/s。

    圖2 水泥土在不同齡期滲透系數(shù)隨水泥摻量的變化規(guī)律Fig.2 Permeability variations of cemented soil with cement content at different curing ages

    上述分析表明,在清水和污水環(huán)境下增加水泥摻量都可以大量降低水泥土的滲透系數(shù),但水泥摻量越大時,水泥土摻量的增加對水泥土的滲透系數(shù)影響越小。在不同齡期和不同水泥摻量下,污水環(huán)境對水泥土產(chǎn)生侵蝕作用,致使污水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)大于清水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)。水泥土的滲透系數(shù)隨著水泥摻量的增加可以減緩污水環(huán)境對水泥土的腐蝕效應(yīng)。

    3.2 齡期對水泥土滲透系數(shù)的影響

    圖3 污水與清水環(huán)境水泥土滲透系數(shù)隨齡期的變化規(guī)律Fig.3 Permeability variations of cemented soil in sewage and clean water environments with different curing ages

    如圖3 所示,3 種水泥摻量(9%、12%和15%),清水和污水環(huán)境在齡期60 d 前的滲透系數(shù)都是逐漸減小的,清水環(huán)境減小幅度略大于污水環(huán)境,結(jié)果表明,小于齡期60 d 污水環(huán)境對水泥土滲透系數(shù)的影響不大,隨著齡期的增加其清水環(huán)境下的水泥土滲透系數(shù)逐漸減小,但減小幅度不大,逐步趨于平緩。而污水環(huán)境下隨著齡期的增加,60 d 后水泥土滲透系數(shù)逐步增大,而且增大幅度越來越大。水泥摻量15%時齡期30、60、90 和120 d 時的清水養(yǎng)護(hù)滲透系數(shù)分別為 1.19×10-9、0.59×10-9、0.57×10-9和0.57×10-9cm/s,而污水養(yǎng)護(hù)分別升至1.6×10-9、1.4×10-9、1.51×10-9和2.93×10-9cm/s。齡期30 d的水泥土污水滲透系數(shù)上升了0.41×10-9cm/s,齡期 60 d 的水泥土污水滲透系數(shù)上升 0.81×10-9cm/s,齡期90 d 的水泥土污水滲透系數(shù)上升0.94×10-9cm/s,齡期120 d 的水泥土污水滲透系數(shù)上升2.36×10-9cm/s。

    3.3 污水對水泥土腐蝕的滲透模型

    如圖4 所示,在清水環(huán)境下對于9%、12%和15%水泥摻量的水泥土隨著齡期的增加,其水泥土的滲透系數(shù)均呈冪數(shù)減小,利用回歸方法可得清水環(huán)境下水泥土滲透系數(shù)隨齡期的回歸方程分別為

    式中:在清水環(huán)境下,kq9、kq12、kq15分別為水泥摻量9%、12%、15%的滲透系數(shù)(10-9cm/s);t為齡期(d);R2為相關(guān)系數(shù)。

    圖4 清水環(huán)境下水泥土滲透系數(shù)的變化規(guī)律Fig.4 Permeability variations of cemented soil in clean water environment

    根據(jù)式(3)~(5)可得清水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)隨水泥摻量和齡期兩個因素的回歸方程為

    式中:kq為清水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)(10-9cm/s);x為水泥摻量。

    如圖5 所示,在污水環(huán)境下對于9%、12%和15%水泥摻量的水泥土隨著齡期的增加其水泥土的滲透系數(shù)均呈冪數(shù)減小,利用回歸方法可得污水環(huán)境下水泥土滲透系數(shù)隨齡期的回歸方程分別為

    式中:在污水環(huán)境下,kw9、kw12、kw15分別為水泥摻量9%、12%、15%的滲透系數(shù)(10-9cm/s)。

    根據(jù)以上分析可知,對于污水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)受到水泥摻量、齡期的影響,隨著齡期的增加,水泥土的滲透系數(shù)均逐步增大。根據(jù)式(7)~(9)可得污水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)隨水泥摻量和齡期兩個因素的回歸方程為

    式中:kw為污水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)(10-9cm/s)。

    圖5 污水環(huán)境下60 d 之后水泥土滲透系數(shù)的變化規(guī)律Fig.5 Permeability variations of cemented soil in sewage environment after 60 days

    3.4 水泥土滲透前的化學(xué)成分分析

    在滿足《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[16]的要求下,分別切取滲透前試件的清水和污水環(huán)境0、90 和120 d 的3 種水泥摻入比水泥土試件上的土樣,選擇面朝下方的土樣,將切下來的土樣分別裝入不同的塑料袋中密封。然后將取出的土樣曬干壓碎,取出100 g 土樣并加入50 ml 蒸餾水,浸泡一段時間后,在震蕩儀上震蕩2 h,再用離心機(jī)把溶液離心1 h,用孔徑為0.22 μm 的濾膜過濾掉廢渣,用化學(xué)滴定法測定濾液中 Ca2+,Mg2+,Cl-,的濃度。

    圖6為不同水泥摻量水泥土中鈣離子含量隨齡期的變化規(guī)律,不論是清水還是污水環(huán)境,隨著齡期的增加,水泥土中鈣離子的含量越高、水泥摻量越多水泥土中的鈣離子也越多,其影響也越大。圖中數(shù)據(jù)表明,清水環(huán)境下水泥土中鈣離子含量大于污水環(huán)境下水泥土中鈣離子含量,這是因?yàn)槲鬯h(huán)境下污水中部分離子會與水泥中鈣離子發(fā)生反應(yīng),會阻礙水泥的水化水解反應(yīng),同時又與水泥水化后的產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng),從而影響水泥土中的鈣離子含量。

    圖6 不同水泥摻量下鈣離子隨齡期的變化規(guī)律Fig.6 Variations of Ca2+ concentration with curing age at different cement contents

    圖7為不同水泥摻量水泥土中鎂離子含量隨齡期的變化規(guī)律,無論是清水還是污水環(huán)境,同齡期(0、90 和 120 d)的水泥土隨著水泥摻量的增大,其水泥土中鎂離子的含量也增大。在清水環(huán)境下水泥土中的鎂離子的含量隨著齡期的增加而逐步減小,而污水環(huán)境下水泥土中的鎂離子的含量隨著齡期(個別齡期的數(shù)據(jù)測試失?。┑脑黾佣杂性龃蟆Ρ确治隹芍?,污水環(huán)境下水泥土中鎂離子含量大于清水環(huán)境下鎂離子含量。

    圖8為不同水泥摻量水泥土中硫酸根離子含量隨齡期的變化規(guī)律。無論是清水還是污水環(huán)境,同齡期水泥土隨著水泥摻量的增大,其水泥土中硫酸根離子的含量也增大。在清水環(huán)境下水泥土中硫酸根離子的含量隨著齡期的增加而逐步減小,而污水環(huán)境下水泥土中硫酸根離子的含量隨著齡期的增加而逐步增大。污水環(huán)境下水泥土中硫酸根離子含量大于清水環(huán)境下水泥土中硫酸根離子含量。這表明在養(yǎng)護(hù)和拌制時污水中的硫酸根離子對水泥土具有腐蝕作用。污水環(huán)境中含有,就會與水泥水化水解產(chǎn)物鋁酸三鈣發(fā)生反應(yīng),會生成鈣礬石結(jié)晶,反應(yīng)化學(xué)式為

    圖7 不同水泥摻量下鎂離子隨齡期的變化規(guī)律Fig.7 Variations of Mg2+ concentration with curing age at different cement contents

    在污水環(huán)境下,水泥土水化初期,水化物中含有一定數(shù)量的鈣礬石,當(dāng)鈣礬石帶有結(jié)晶水時,其體積會增大,這樣導(dǎo)致水泥土中的孔隙減少,提高了水泥土的強(qiáng)度和抗?jié)B性。這也解釋了為什么污水環(huán)境下水泥土在前30 d的強(qiáng)度和清水環(huán)境下水泥土強(qiáng)度幾乎相等[17]。但隨著水泥土水化時間的增加(>30 d),在水泥土中的含量充足的情況下,長時間的發(fā)生化學(xué)反應(yīng),鈣礬石會大量的增加,水泥土體積不斷地膨脹,導(dǎo)致水泥土開裂產(chǎn)生裂縫,從而降低水泥土的強(qiáng)度和抗?jié)B性,試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著齡期的增加,污水環(huán)境下水泥土的強(qiáng)度和抗?jié)B性越來越小。

    圖8 不同水泥摻量下硫酸根離子隨齡期的變化規(guī)律Fig.8 Variations of SO42- concentration with curing age at different cement contents

    圖9為不同水泥摻量水泥土中氯離子含量隨齡期的變化規(guī)律。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,污水環(huán)境下水泥土中氯離子的含量大于清水環(huán)境下水泥土中氯離子含量。氯離子的含量隨著齡期變化與硫酸根離子的含量變化規(guī)律相同。這表明在養(yǎng)護(hù)和拌制時污水中的氯離子對水泥土具有腐蝕作用。氯離子與水泥土反應(yīng)化學(xué)式主要為

    氯離子Cl-與CaO·Al2O3·6H2O發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成無膠凝作用的水化鋁酸鈣,導(dǎo)致水泥土中的鈣離子含量降低,致使氫氧化鋁減少,抑制了鈣礬石的增加。反應(yīng)生成的疏松的水化鋁酸鈣包裹在反應(yīng)物表面,阻礙水化物與氫氧化鈣的反應(yīng),生成的膠凝物減少,從而影響水泥土的抗?jié)B性。

    圖9 3 種水泥摻量下不同離子隨齡期的變化規(guī)律Fig.9 Variations of Cl- concentration with curing age at different cement contents

    4 結(jié) 論

    (1)無論是清水還是污水環(huán)境,水泥土的滲透系數(shù)隨著水泥摻量的增加而逐步減小,污水和清水環(huán)境下的水泥土滲透系數(shù)變化趨勢基本相同,但清水環(huán)境滲透系數(shù)明顯小于污水環(huán)境的滲透系數(shù)。

    (2)當(dāng)齡期 <60 d 時,無論是清水還是污水環(huán)境,水泥土的滲透系數(shù)均逐步減小,污水環(huán)境的滲透系數(shù)大于清水環(huán)境的滲透系數(shù)。當(dāng)齡期 >60 d 時,隨著齡期的增加其清水環(huán)境下的水泥土滲透系數(shù)逐漸減小,而污水環(huán)境下隨著齡期的增加,其水泥土滲透系數(shù)逐步增大。

    (3)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),分別建立了清水環(huán)境和污水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)隨水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期兩個因素的回歸曲線方程。

    (4)分析主要離子含量表明,清水或污水環(huán)境隨著水泥摻量增加,水泥土中的Ca2+,Mg2+,離子含量均增大,而且污水的Mg2+,離子含量增大的幅度大于清水的增長幅度。清水環(huán)境中的Mg2+,Cl-,離子含量逐步減小。而污水環(huán)境隨著齡期增加Ca2+,Mg2+,Cl-,離子含量逐步增大,污水對水泥土產(chǎn)生腐蝕作用。

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