鹽溶液對(duì)于水泥土抗壓強(qiáng)度和電阻率的影響

霍海峰，王文博

（中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300）

水泥土做為一種有效的軟土地基處理方式已被廣泛應(yīng)用在工程實(shí)踐中，然而由于巖土工程處于開(kāi)放的環(huán)境中，水泥土在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中不可避免受到外界水環(huán)境的侵蝕，如生活污水、化工污水及地下水，其直接影響著力學(xué)指標(biāo)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)水泥土進(jìn)行了一系列研究，Shihata等[1]發(fā)現(xiàn)Ca2+擴(kuò)散到周圍環(huán)境可使水泥土表層劣化。董曉強(qiáng)等[2]研究了電阻率與力學(xué)指標(biāo)的關(guān)系，認(rèn)為電阻率可有效反映水泥土的污染程度和抗壓強(qiáng)度。白曉紅等[3]認(rèn)為硫酸對(duì)水泥土侵蝕作用顯著。寧寶寬等[4]探討了不同PH值下水泥土的力學(xué)效應(yīng)。宋新江等[5]通過(guò)三周壓縮固結(jié)排水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為軟化型，軟化程度與圍壓有關(guān)。馬冬梅[6]通過(guò)掃描電子顯微鏡及X射線衍射試驗(yàn)研究高含鹽量水泥土的強(qiáng)度，表明Mg2+、Cl-、SO42-都對(duì)水泥土強(qiáng)度有負(fù)面作用。黃新恩等[7]認(rèn)為生活污水和造紙廠污水未改變水泥土彈塑性本質(zhì)。劉東峰[8]通過(guò)對(duì)侵蝕在氯化鈉和氯化鎂溶液中的水泥土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，從化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度分析了兩種溶液的侵蝕機(jī)理。Chun等[9]通過(guò)試驗(yàn)確定了水泥與海相軟土的配比，使得加固最為理想。邢皓楓等[10]通過(guò)掃描電子顯微鏡研究可溶鹽引起水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)的過(guò)程和機(jī)理。史晉榮等[11]模擬氯化物在水泥土內(nèi)的離子環(huán)境，測(cè)定水泥土抗壓強(qiáng)度和變形，發(fā)現(xiàn)鈉離子較鎂離子對(duì)水泥土強(qiáng)度和變形影響小。劉泉聲等[12]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和理論推導(dǎo)，得出水泥土試塊最大強(qiáng)度出現(xiàn)在90～270天之間。

盡管前人對(duì)鹽溶液影響研究有了較多成果，但由于所研究土體土性差別明顯，很多結(jié)論并未統(tǒng)一。故本文針對(duì)天津典型黏土做了化學(xué)侵蝕下水泥土強(qiáng)度和電阻率變化規(guī)律研究，試驗(yàn)考慮了常見(jiàn)腐蝕離子、pH值及腐蝕等級(jí)的影響，并得到有意義的結(jié)論，其試驗(yàn)結(jié)果為在天津地區(qū)進(jìn)行軟土處理設(shè)計(jì)及施工提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

土樣取自天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)附近地表以下1.2～1.5 m，風(fēng)干碾碎后過(guò)2 mm的篩，其液限為40%，塑限為15%，密度1.81 g/cm3，成分分析如表1所示。水泥為普通硅酸鹽水泥（42.5#）。試驗(yàn)步驟如下：

表1 土樣主要化學(xué)成分含量Tab.1 Main chemical composition of soil sample

1）制樣 將風(fēng)干土、水泥、水按比例1∶0.13∶0.48充分?jǐn)嚢?，裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標(biāo)準(zhǔn)磨具中，靜置24 h后脫模放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)7天。參考《巖土工程勘查規(guī)范》（GB50021-2001），配置不同腐蝕等級(jí)的Na2SO4、MgCl2、NaOH和H2SO4溶液。環(huán)境類型?、蝾?，PH取A類，并加清水對(duì)照組，如表2～表3所示。將試塊完全浸泡在溶液中，以便能充分發(fā)生反應(yīng)。

表2 腐蝕評(píng)價(jià)Tab.2 Corrosion evaluation

表3 pH值腐蝕評(píng)價(jià)Tab.3 pH value corrosion evaluation

2）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 采用萬(wàn)用實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，進(jìn)行3組平行試驗(yàn)取其平均值為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3）電阻率試驗(yàn) 浸泡所需齡期（7、14、28、60、90天）后取出試塊，晾至表面無(wú)水膜，選取表面平整面噴涂石墨，夾緊電極板進(jìn)行電阻率測(cè)試。

4）電鏡試驗(yàn) 采用電鏡對(duì)浸泡后的土體進(jìn)行細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)，經(jīng)過(guò)切樣、脫水、鍍金和掃描4個(gè)階段。SEM圖像均采用LeicaQwin5000圖像處理軟件進(jìn)行處理及分析，選擇100～150之間的閾值分析孔隙及顆粒形態(tài)特征。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

1）硫酸根離子

硫酸根離子不同腐蝕等級(jí)下水泥土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化如圖1所示。不同腐蝕等級(jí)下，水泥土抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)出前期（28天內(nèi)）增長(zhǎng)較快，之后增長(zhǎng)放緩的趨勢(shì)。隨著腐蝕等級(jí)的提高，抗壓強(qiáng)度先增后減，當(dāng)鹽溶液濃度提高到強(qiáng)腐蝕時(shí)，水泥土抗壓強(qiáng)度將低于清水養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度。如養(yǎng)護(hù)時(shí)間為90天時(shí)，微腐蝕、中腐蝕、清水養(yǎng)護(hù)和強(qiáng)腐蝕環(huán)境下，水泥土抗壓強(qiáng)度分別為 3.3 MPa、3.5 MPa、3 MPa和 2.6 MPa。

圖1 硫酸根不同腐蝕等級(jí)下抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律Fig.1 Development law of compressive strength under different corrosion grades of sulfate

鹽溶液中Na+將與水泥水化生成Ca（OH）2中的Ca2+進(jìn)行離子交換，并產(chǎn)生硫酸鈣，硫酸鈣消耗大量的水生成鈣礬石晶體，從而提高水泥土的強(qiáng)度。其化學(xué)反應(yīng)式如下鈣礬石的生成反應(yīng)迅速，其把大量的自由水以結(jié)晶水形式固定，由電鏡掃描可發(fā)現(xiàn)，鈣礬石以針狀結(jié)晶形式析出。圖2分析了7天、28天、60天后的內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)，可看出清水制樣時(shí)水化產(chǎn)物將顆粒聯(lián)結(jié)在一起，形成整體性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。鹽溶液下，細(xì)觀結(jié)構(gòu)中單元間接觸更加緊密，土體內(nèi)部孔隙顯著減小，28天的可見(jiàn)有細(xì)小的針狀晶體，60天后針狀體不斷發(fā)展，可明顯看出懸浮在土體表面上。這種針狀顆粒即鈣礬石，其或填充于各縫隙之間，或覆蓋在土體顆粒的表面，將不同物質(zhì)緊密聯(lián)結(jié)在一起，加強(qiáng)了各單元間的膠結(jié)作用，促進(jìn)了強(qiáng)度的增長(zhǎng)。可見(jiàn)硫酸納的存在所形成的水化物將改變結(jié)構(gòu)的連結(jié)形式，使得膠結(jié)強(qiáng)度進(jìn)一步提升。

圖2 水泥土細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)展規(guī)律Fig.2 Development law of cement soil under microstructure

由于晶體含有大量結(jié)晶水，將顯著增加土體的體積。隨著硫酸鈉溶液腐蝕等級(jí)的提高，土體將進(jìn)一步密實(shí)并促進(jìn)強(qiáng)度增長(zhǎng)；但當(dāng)硫酸鈉的量超過(guò)一定臨界值時(shí)，由于土體中孔隙已被完全填充，過(guò)多的晶體析出將使水泥土開(kāi)裂，使得強(qiáng)度降低。由本次試驗(yàn)可看出，強(qiáng)腐蝕等級(jí)下水泥土強(qiáng)度顯著下降，甚至低于清水養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度。

2）鎂離子

圖3為鎂離子不同腐蝕等級(jí)下水泥土抗壓強(qiáng)度的變化。可看出，不同等級(jí)下水泥土抗壓強(qiáng)度均增加。與硫酸根離子不同的是，鎂離子的存在將降低水泥土的抗壓強(qiáng)度，且隨著腐蝕等級(jí)的提高，強(qiáng)度減弱效果更加顯著。如養(yǎng)護(hù)時(shí)間90天時(shí)，清水養(yǎng)護(hù)、微腐蝕、中腐蝕和強(qiáng)腐蝕下的抗壓強(qiáng)度分別為3 MPa、2.7 MPa、2.5 MPa和 2.4 MPa。

圖3 鎂離子不同腐蝕等級(jí)下抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律Fig.3 Development law of compressive strength under different corrosion grades of magnesium

MgCl2與水泥水化產(chǎn)物水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O）反應(yīng)生成 MgO·SiO2·H2O，如式（2）和式（3）所示，而MgO·SiO·2H2O膠結(jié)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于水化產(chǎn)物水化硅酸鈣，故鎂離子的存在將降低水泥土的抗壓強(qiáng)度，且隨著溶液腐蝕等級(jí)的提高，減弱效果不斷加強(qiáng)，反應(yīng)式為

3）pH 值

圖4為pH值分別為11和3時(shí)水泥土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展。其中堿性環(huán)境采用NaOH溶液，酸性環(huán)境采用H2SO4溶液，清水溶液的pH值為7?？梢钥闯鲭S著pH值的增大，水泥土抗壓強(qiáng)度不斷增加。

圖4 pH值腐蝕等級(jí)微和強(qiáng)時(shí)抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系Fig.4 Relationship between compressive strength and age when pH value corrosion grade is micro and strong

當(dāng)溶液為氫氧化鈉時(shí)，如式（4）～式（6）所示，經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)生成硅酸鈉（Na2SiO3）和鈉長(zhǎng)石（Na2O·Al2O·36SiO2）。在內(nèi)部空間形成蜂窩狀的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，使得土體更加緊密，可加強(qiáng)水泥土的強(qiáng)度。反應(yīng)式為

而H+與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)，降低了水泥土的堿性，且與水化產(chǎn)物水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O）等反應(yīng)，破壞了水泥土膠凝結(jié)構(gòu)，故具有降低水泥土強(qiáng)度的作用。反應(yīng)式為

圖5和圖6為水泥土在酸堿溶液下養(yǎng)護(hù)28天后的細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)比圖，與氫氧化鈉溶液相比，硫酸溶液下土體內(nèi)部縫隙較多，增大了土體的孔隙，并直接影響著抗壓強(qiáng)度的發(fā)展。

圖5 硫酸溶液養(yǎng)護(hù)Fig.5 Maintenance of sulfuric acid solution

圖6 氫氧化鈉溶液養(yǎng)護(hù)Fig.6 Sodium hydroxide solution maintenance

2.2 電阻率試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7和圖8為Na2SO4溶液和MgCl2溶液養(yǎng)護(hù)下的水泥土電阻率變化圖。水泥土電阻率隨齡期均表現(xiàn)出現(xiàn)快速增長(zhǎng)、后增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩的規(guī)律。

圖7 Na2SO4電阻率與齡期關(guān)系圖Fig.7 Relationship between Na2SO4resistivity and age

圖8 MgCl2電阻率與齡期關(guān)系圖Fig.8 Relationship between MgCl2resistivity and age

隨著Na2SO4溶液腐蝕等級(jí)的提高，電阻率表現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。這是由于水化物的生成將不斷填充孔隙，造成孔隙水減少而結(jié)構(gòu)更密實(shí)，使得水泥土電阻率增加。當(dāng)腐蝕等級(jí)達(dá)到強(qiáng)時(shí)，大量水化物的產(chǎn)生破壞了水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，土體開(kāi)裂造成土中水的增加，使得電阻率有所降低。而鎂離子的存在生成了膠結(jié)性較差的水化物，水泥土結(jié)構(gòu)相對(duì)較為疏松，故電阻率有所降低。

pH值分別為11和3時(shí)，土體電阻率變化如圖9所示?？梢钥闯鰌H值為3時(shí)電阻率較小，這是由于水泥土的電阻率較大程度上決定于孔隙水的電阻率，如前文所述，硫酸溶液降低了水泥土膠凝結(jié)構(gòu)，孔隙比相對(duì)增加，故造成電阻率減小。相反，氫氧化鈉溶液環(huán)境下，土體間的相互連接作用得到加強(qiáng)，水泥土中水含量減小，電阻率相對(duì)增大。

圖9 pH值腐蝕等級(jí)微和強(qiáng)時(shí)電阻率與齡期關(guān)系Fig.9 Relationship between resistivity and age when pH value corrosion grade is micro and strong

本文將水泥土電阻率與抗壓強(qiáng)度進(jìn)行聯(lián)系，可看出，盡管不同鹽溶液間水泥土抗壓強(qiáng)度差別較大，如電阻率為120 Ω·m時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大值接近最小值的2倍，線性相關(guān)系數(shù)較低。但總體上看，抗壓強(qiáng)度與電阻率成線性關(guān)系，隨著電阻率的增加水泥土抗壓強(qiáng)度不斷增大，如圖10所示。

圖10 電阻率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.10 Relationship between resistivity and compressive strength

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下水泥土抗壓強(qiáng)度和電阻率的變化規(guī)律，對(duì)比清水和鹽溶液浸泡細(xì)觀結(jié)構(gòu)，得到以下結(jié)論：

1）鹽溶液環(huán)境對(duì)于水泥土強(qiáng)度影響顯著。硫酸根離子腐蝕等級(jí)分別為微、中和強(qiáng)時(shí)，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，且強(qiáng)腐蝕下抗壓強(qiáng)度小于清水養(yǎng)護(hù)；隨著鎂離子濃度的增加，水泥土抗壓強(qiáng)度逐漸減小。隨著PH值的增加，水泥土抗壓強(qiáng)度不斷增大，這是由于堿溶液下土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。

2）隨著硫酸根離子濃度的增加，水泥土電阻率先增大后減??；鎂離子的存在對(duì)于電阻率的增加有抑制作用；隨著pH值的增加，水泥土電阻率有所增加。

3）鹽溶液環(huán)境下，水泥土電阻率與抗壓強(qiáng)度呈一定的線性關(guān)系。

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