硫酸鎂對水泥改良砂力學(xué)特性的影響研究

王 哲

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,湖北 武漢 430063)

海南國際旅游島先行試驗區(qū)第一期路網(wǎng)工程——文黎大道延伸線廣泛分布濱海、泄湖相砂土，該粉細(xì)砂粘粒含量低、級配不良，為滿足工程需要，擬對該粉細(xì)砂進(jìn)行水泥改良.

綜上所述，學(xué)者們雖然針對MgSO4對水泥改良土的侵蝕作用展開了大量研究，但是研究中侵蝕程度多只借助水泥土的無側(cè)限強度的變化，研究指標(biāo)單一，對侵蝕后水泥改良土其他力學(xué)性能如應(yīng)力應(yīng)變曲線的研究不夠深入.

本文選取MgSO4作為侵蝕液，以海南東南部濱海細(xì)砂為研究對象，借助于改裝后的無側(cè)限強度測試儀，研究了不同侵蝕液濃度、不同侵蝕齡期對水泥改良砂應(yīng)力應(yīng)變曲線、無側(cè)限強度的影響，研究結(jié)果對于水泥改良砂MgSO4侵蝕評價、侵蝕條件下本構(gòu)關(guān)系等的研究都具有十分重要的意義.

1 試驗儀器

試驗中改良砂的水泥摻量為2%、6%、10%，上述三種水泥摻量的改良砂強度較大，黏土無側(cè)限強度試驗儀并不適用，故對三軸儀進(jìn)行了改裝，以進(jìn)行無側(cè)限強度試驗，改裝后儀器如圖1所示.

圖1中，底座的位移通過與底座相連的百分表讀取，軸向應(yīng)力則通過與試樣相連的測力計百分表讀數(shù)經(jīng)計算得到，在實驗開始前，施加一定的預(yù)壓力以使儀器連接部分接觸充分，在試驗過程中，底座每上升0.02 mm時讀取一次測力計百分表的讀數(shù).

圖1 無側(cè)限抗壓強度試驗儀Fig.1 Unconfined compressive strength tester

2 試驗過程

2.1 試驗材料

試驗用砂取自海南省東南部陵水縣，歷史沉積環(huán)境為低能的淺水環(huán)境，以細(xì)砂為主，主要成分為二氧化硅，性質(zhì)十分穩(wěn)定.

試驗用水泥為海螺牌P.C325復(fù)合硅酸鹽水泥，水泥在儲存中用塑料桶密封，防止水泥受潮.

2.2 試驗方案

3 試驗結(jié)果分析

3.1 硫酸鎂溶液對無側(cè)限強度的影響

水泥改良砂經(jīng)MgSO4溶液浸泡后的無側(cè)限強度變化見圖2至3所示.

在1 g/L、4 g/L MgSO4溶液中即使浸泡4周水泥改良砂試樣表面也無變化，而在9 g/L、18 g/L MgSO4溶液中水泥改良砂在浸泡的第2周即出現(xiàn)明顯的破損裂紋，試樣的破損情況見圖4所示.

從圖2、3，并結(jié)合圖4試驗中的觀察現(xiàn)象，可以看出，MgSO4溶液濃度低于4 g/L時，水泥改良砂的無側(cè)限強度在4周內(nèi)隨著MgSO4溶液濃度的增長并沒有明顯的下降，而MgSO4溶液濃度高于4 g/L時，即使在侵蝕的早期試樣強度衰減程度也很大，且隨著MgSO4溶液濃度、侵蝕時間的增長，這種侵蝕作用更加明顯，水泥改良砂強度進(jìn)一步減小.

圖2 水泥摻量2%改良砂MgSO4溶液浸泡后無側(cè)限強度變化Fig.2 Unconfined strength change of sand modified by 2 percent cement eroded by MgSO4 liquid

圖3 水泥摻量6%、10%改良砂在MgSO4溶液中浸泡后無側(cè)限強度變化Fig.3 Unconfined strength change of sand modified by 6 and 10 percent cement eroded by MgSO4 liquid

圖4 水泥改良砂在9 g/L MgSO4溶液中侵蝕2周后試樣表面破壞情況Fig.4 Surface damage of the cement modified sample after erosion in magnesium sulfate solution with a solution of 9 gram per liter for two weeks

可見，MgSO4溶液對水泥砂的侵蝕存在一個濃度闕值，低于這個濃度闕值時對水泥改良砂的侵蝕作用很小，文獻(xiàn)[11]也通過試驗得到MgSO4溶液濃度大于4.5 g/L時，對水泥土有強烈腐蝕作用.

這是由于MgSO4濃度較小時，其與水泥水化物反應(yīng)生成的鈣礬石較少，該鈣礬石填充了土顆粒間的孔隙，使得水泥改良砂無側(cè)限強度并未明顯下降.隨著MgSO4溶液濃度、侵蝕齡期的增長，當(dāng)土顆粒間的孔隙被填充滿后，新生成的鈣礬石會對試樣產(chǎn)生膨脹力，在試樣中產(chǎn)生了微裂隙，進(jìn)而導(dǎo)致試樣強度降低.

3.2 硫酸鎂溶液對無側(cè)限應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

在不同MgSO4濃度溶液中浸泡不同時間后各水泥改良砂無側(cè)限應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5～6所示.

圖5 改良砂在不同濃度MgSO4溶液中侵蝕后無側(cè)限應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 Unconfined stress-strain curve of modified sand eroded by different concentration of MgSO4 liquid

圖6 水泥改良砂在4 g/L MgSO4溶液中侵蝕不同時間無側(cè)限應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Unconfined stress-strain curve of modified sand eroded by 4 g per liter of MgSO4 liquid for different time

圖5(b)中水泥摻量6%的改良砂在18 g/L MgSO4溶液中侵蝕1周后試樣即出現(xiàn)大量的裂紋，稍加荷載即破壞，無法獲取其應(yīng)力應(yīng)變曲線.高路彬[15]發(fā)現(xiàn)水泥土無側(cè)限應(yīng)力應(yīng)變曲線在荷載作用下將依次經(jīng)歷裂紋及氣孔的閉合、線彈性響應(yīng)、微缺陷穩(wěn)態(tài)擴展、裂紋貫通及非穩(wěn)態(tài)擴展4個階段，4個階段特性如下：

(1)裂紋及氣孔閉合：表現(xiàn)下凸性，材料被強化，垂直于壓應(yīng)力方向孔洞受壓而閉合，故其下凸特性所持續(xù)的應(yīng)變范圍在一定程度上可以反映試樣中孔隙的多少.

(2)線彈性響應(yīng)：應(yīng)力應(yīng)變曲線近似為直線，此階段局部應(yīng)力集中但還不足以使材料中的微裂紋缺陷演化.

(3)微缺陷穩(wěn)態(tài)擴展：應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)生彎曲，并伴有非彈性變形.

(4)裂紋貫通及非穩(wěn)態(tài)擴展：試樣中的裂紋發(fā)生分叉、繞行和貫通現(xiàn)象，應(yīng)力水平降低，表現(xiàn)為峰值后的軟化效應(yīng).

通過圖5～6可以看到，水泥摻量為2%的改良砂的應(yīng)力應(yīng)變曲線將只經(jīng)歷線彈性響應(yīng)、微缺陷穩(wěn)態(tài)擴展、裂紋貫通及非穩(wěn)態(tài)擴展而破壞，并沒有氣孔閉合階段，而水泥摻量6%、10%的改良砂的應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)則依次經(jīng)歷氣孔閉合階段、線彈性響應(yīng)、微缺陷穩(wěn)態(tài)擴展而破壞，之所以未出現(xiàn)裂紋貫通及非穩(wěn)態(tài)擴展的軟化現(xiàn)象，主要是由于高摻量水泥改良砂試樣脆性較強，在達(dá)到應(yīng)力峰值時，試樣即喪失強度.

水泥摻量2%與水泥摻量6%和10%改良砂應(yīng)力應(yīng)變曲線的差異主要是水泥摻量不同時砂顆粒間的膠結(jié)作用不同所導(dǎo)致：水泥摻量為2%的改良砂顆粒間連接較弱，由于沒有圍壓的約束，在軸向荷載作用下，砂顆粒間的側(cè)向擠壓變形也較明顯，難以壓實，故并沒有出現(xiàn)氣孔閉合階段，而水泥摻量6%、10%的改良砂顆粒間膠結(jié)作用強，試樣以軸向變形為主，能夠依次經(jīng)歷氣孔閉合階段、線彈性響應(yīng)、微缺陷穩(wěn)態(tài)擴展階段.

比較圖5至圖6還可以發(fā)現(xiàn)，對于低摻量的改良砂，MgSO4溶液濃度、侵蝕時間對改良砂無側(cè)限應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)的影響很小，隨著在MgSO4溶液濃度、侵蝕時間的增長，水泥改良砂無側(cè)限應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值前曲線的上凸特性逐漸明顯，表明試樣受到MgSO4溶液侵蝕后微缺陷穩(wěn)態(tài)發(fā)展階段逐漸明顯，非彈性變形逐漸增大，但曲線整體形態(tài)變化不大；而MgSO4溶液濃度、侵蝕時間對高摻量水泥改良砂的應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)影響較大.在MgSO4溶液濃度較低、侵蝕早期，水泥摻量6%、10%的改良砂的應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)三階段特性，而隨著MgSO4溶液濃度、侵蝕時間的增長，改良砂的無側(cè)限應(yīng)力應(yīng)變曲線逐漸過渡到以氣孔閉合階段、微缺陷的穩(wěn)態(tài)擴展為主，而線彈性階段特征不明顯，表明在MgSO4溶液的侵蝕下，試樣在荷載作用下局部應(yīng)力集中較快，很快跳過線彈性階段，這是由于隨著MgSO4溶液侵蝕作用的加強，試樣中的微裂縫逐漸積累，在荷載作用下應(yīng)力易于集中的緣故；且隨著MgSO4溶液濃度、侵蝕時間的增長，水泥改良砂試樣的氣孔閉合階段所持續(xù)的應(yīng)變逐漸增長，表明試樣里的孔隙逐漸增多，在一定程度上反映受到MgSO4溶液的侵蝕越嚴(yán)重.改良砂無側(cè)限應(yīng)力應(yīng)變曲線顯示的侵蝕規(guī)律與無側(cè)限強度顯示的侵蝕規(guī)律整體上一致.

4 結(jié)論

對MgSO4溶液侵蝕作用下水泥改良砂在不同侵蝕液濃度、侵蝕時間條件下無側(cè)限強度變化和無側(cè)限應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究，得到的結(jié)論如下：

(1)MgSO4溶液對水泥改良砂的侵蝕存在一個濃度闕值，濃度低于4 g/L時，水泥改良砂無側(cè)限強度在4周內(nèi)并沒有明顯的下降，而MgSO4溶液濃度高于4 g/L時，試樣強度衰減程度則很大，隨著MgSO4濃度的增加和侵蝕時間的增長，整體上水泥改良砂強度逐漸減小.

(2)水泥摻量2%的改良砂，MgSO4溶液濃度和侵蝕時間對其無側(cè)限應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)的影響較小，改良砂的應(yīng)力應(yīng)變曲線將只經(jīng)歷線彈性響應(yīng)、微缺陷穩(wěn)態(tài)擴展而破壞，并沒有氣孔閉合階段.

(3)水泥摻量6%、10%的改良砂，在MgSO4溶液濃度小、侵蝕早期，在軸向應(yīng)力的作用下，試樣能依次經(jīng)歷氣孔閉合階段、線彈性階段、微缺陷的穩(wěn)態(tài)擴展階段三階段而破壞；而在MgSO4溶液濃度高、侵蝕時間長時，試樣氣孔閉合階段持續(xù)應(yīng)變增大，此后試樣即進(jìn)入微缺陷的穩(wěn)態(tài)擴展階段，線彈性階段不明顯.