礦物摻合料在水泥土防腐蝕中的試驗(yàn)研究

沈建國(guó)，何 旸

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

0 引 言

在復(fù)合地基中使用水泥土可以有效提高地基承載力、穩(wěn)定性和抗?jié)B性，且施工成本低廉，具有良好的加固效果和經(jīng)濟(jì)效益。已有研究表明[1-5]，摻入適量礦物摻合料可以改善水泥土的孔隙結(jié)構(gòu)，提高水泥土的密實(shí)度，進(jìn)而提高水泥土的強(qiáng)度和抗?jié)B性能。然而，目前關(guān)于腐蝕環(huán)境下?lián)接械V物摻合料的水泥土耐久性研究較少，尤其是大摻量摻合料對(duì)水泥土防腐蝕性能的影響更是不得而知，有待深入研究。

為了探究大摻量摻合料對(duì)水泥土防腐蝕性能的影響，本文以連云港徐圩新區(qū)的一復(fù)合地基為研究背景，開(kāi)展了大摻量摻合料在復(fù)合地基水泥土防腐蝕中的試驗(yàn)研究，并為此類(lèi)復(fù)合地基水泥土的膠凝材料設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究背景

本研究的背景工程位于連云港市徐圩新區(qū)，離海岸線約5 km。根據(jù)勘探結(jié)果，此工程在勘探深度范圍內(nèi)的地基土主要由雜填土、粉質(zhì)粘土、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及粉砂組成，表層存在約16 m厚的淤泥。為了確保工程結(jié)構(gòu)的安全可靠，選用水泥攪拌樁、高壓旋噴樁的復(fù)合地基方案對(duì)地基進(jìn)行加固。

采用上述方案對(duì)地基進(jìn)行加固時(shí)，水泥土形成的樁體易受到環(huán)境中侵蝕介質(zhì)的腐蝕，進(jìn)而影響復(fù)合地基的加固效果。為了確定環(huán)境中侵蝕介質(zhì)的腐蝕強(qiáng)度，筆者對(duì)此工程的地下水水質(zhì)和場(chǎng)地土易溶鹽進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如表1所示。

表1 地下水水質(zhì)和場(chǎng)地土易溶鹽分析試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1中的分析結(jié)果，按《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》[6](GB/T 50476-2008)和《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》[7](TB10005-2010)對(duì)此工程的環(huán)境作用等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，評(píng)定結(jié)果如表2所示。

表2 工程環(huán)境作用等級(jí)

由表2可知，此工程環(huán)境中氯鹽、硫酸鹽對(duì)水泥土的腐蝕將十分嚴(yán)重。綜合考慮工程所處的腐蝕環(huán)境及成本因素，復(fù)合地基選用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的抗硫酸鹽硅酸鹽水泥或者采用大摻量摻合料代替部分抗硫酸鹽硅酸鹽水泥。

為了確保上述復(fù)合地基方案的加固效果，本文開(kāi)展了大摻量摻合料在復(fù)合地基水泥土防腐蝕中的試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)材料及方案

2.1 水泥土材料及配比

水泥土設(shè)計(jì)以《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[8](JGJ/T 233-2011)中水泥土攪拌法為基準(zhǔn)，土體材料為工程現(xiàn)場(chǎng)淤泥質(zhì)土，膠凝材料摻入比為18 %，水膠比為0.5。

針對(duì)水泥土所用膠凝材料，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了8種膠凝材料方案，膠凝材料組分配比如表3所示。試驗(yàn)所用膠凝材料分別采用海螺牌P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，P·HSR 42.5級(jí)抗硫酸鹽硅酸鹽水泥；南京熱電廠的Ⅱ級(jí)(F類(lèi))粉煤灰；唐山鋼鐵廠生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣粉。

表3 膠凝材料組分配比

2.2 水泥土力學(xué)性能試驗(yàn)方案

參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》[9](ISO法)(GB/T 17671-1999)中試驗(yàn)方法，按表3中膠凝材料方案成型8組膠砂試件，測(cè)試膠砂試件7 d和28 d的抗折、抗壓強(qiáng)度。

依據(jù)JGJ/T 233-2011中試驗(yàn)方法，按表3中膠凝材料方案成型8組水泥土試件，試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，測(cè)試水泥土30 d和60 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2.3 水泥土抗硫酸鹽性能與水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)方案

參照《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法》[10](GB/T 749-2008)和《混凝土抗硫酸鹽類(lèi)侵蝕防腐劑》[11](JC/T 1011-2006)，對(duì)表3中各膠凝材料方案的抗蝕系數(shù)和膨脹系數(shù)進(jìn)行評(píng)定。試驗(yàn)所用侵蝕溶液分別為5 %Na2SO4溶液和根據(jù)工程實(shí)際配制的模擬侵蝕溶液(以下簡(jiǎn)稱(chēng)模擬侵蝕溶液)，其中Cl-濃度為29 636 mg/L、SO42-濃度為2 786 mg/L。5 %Na2SO4溶液中的SO42-濃度約為模擬侵蝕溶液的12倍。

依據(jù)JGJ/T 233-2011中成型方法，按表3中的膠凝材料方案成型8組水泥土試件，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12](GB/T 50082-2009)中抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，評(píng)定水泥土試件的抗硫酸鹽等級(jí)。試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，取出部分試件浸泡在侵蝕溶液中，其余試件則繼續(xù)在養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。

在水泥土試件強(qiáng)度測(cè)試中，浸泡所用侵蝕溶液分別為5 %Na2SO4溶液和模擬侵蝕溶液。置于侵蝕溶液中的試件浸泡至30 d后取出，同時(shí)取出標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件，測(cè)試不同養(yǎng)護(hù)條件下水泥土抗壓強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 大摻量摻合料水泥土力學(xué)性能

各膠凝材料方案的膠砂強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 膠凝材料膠砂強(qiáng)度 MPa

由表4可知可知，LZ-K組的7 d膠砂抗折和抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高，而28 d相對(duì)較低。各組方案28 d膠砂抗壓強(qiáng)度除LZ-F2組外，均高于LZ-K組。

各膠凝材料方案成型的水泥土30 d、60 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖1所示。

各組水泥土30 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均在3.0 MPa～4.9 MPa之間，LZ-G1組的強(qiáng)度最高，LZ-K組的強(qiáng)度較低。至60 d齡期后，各組水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在5.0 MPa～6.9 MPa之間，摻有礦物摻合料的各組抗壓強(qiáng)度均大于LZ-K組，LZ-G1組的強(qiáng)度最高。

圖1 水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

膠砂強(qiáng)度與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果表明，采用礦物摻合料代替部分抗硫酸鹽硅酸鹽水泥后，試件的力學(xué)性能會(huì)有所提高，提高效果隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大。

3.2 大摻量摻合料水泥土抗硫酸鹽性能

3.2.1 抗蝕系數(shù)

各膠凝材料方案的抗蝕系數(shù)如表5所示。

表5 膠凝材料抗蝕系數(shù)

依據(jù)文獻(xiàn)[11]的規(guī)定，抗蝕系數(shù)K應(yīng)大于0.85。由表5可知，除LZ-0組(模擬侵蝕溶液中)外，各方案的抗蝕系數(shù)系數(shù)K均大于0.85。LZ-F1組和LZ-H1組在兩種侵蝕溶液中的抗蝕系數(shù)均大于LZ-K組。由上述結(jié)果可知，采用大摻量摻合料對(duì)膠凝材料抗蝕系數(shù)有一定的影響，但效果并不顯著。

3.2.2 膨脹系數(shù)

各膠凝材料方案的膨脹系數(shù)如圖2所示。依據(jù)文獻(xiàn)[11]的規(guī)定，其膨脹系數(shù)E不應(yīng)大于1.50。由圖2可知，各方案的膨脹系數(shù)E均小于1.50，大摻量情況下膠凝材料在侵蝕溶液中的膨脹系數(shù)均小于LZ-K組。由此說(shuō)明，采用大摻量摻合料代替部分抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，可以有效降低膠凝材料的膨脹系數(shù)。

圖2 各方案膨脹系數(shù)

3.2.3 抗硫酸鹽等級(jí)

各組水泥土試件在不到10次浸烘循環(huán)后，均已破壞。因此，借鑒文獻(xiàn)[12]的試驗(yàn)方法不能區(qū)分各方案抗硫酸鹽侵蝕性能的優(yōu)劣，無(wú)法評(píng)價(jià)大摻量摻合料對(duì)水泥土抗硫酸鹽等級(jí)的影響，關(guān)于水泥土抗硫酸鹽等級(jí)的試驗(yàn)方法有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

3.3 不同養(yǎng)護(hù)條件水泥土抗壓強(qiáng)度

不同侵蝕溶液中浸泡30 d后的水泥土試件如圖3所示。

圖3 不同侵蝕溶液中浸泡30 d的水泥土試件

由圖3可知，在高濃度硫酸鹽(5 %Na2SO4)浸泡下，水泥土不到30 d就出現(xiàn)崩解破壞，而采用模擬侵蝕溶液浸泡，水泥土試件表觀無(wú)明顯變化。

由于5 %Na2SO4溶液中的試件已出現(xiàn)崩解破壞，試驗(yàn)只對(duì)模擬侵蝕溶液浸泡的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，不同養(yǎng)護(hù)條件下水泥土試件抗壓強(qiáng)度對(duì)比如圖4所示。

由圖4可知，模擬侵蝕溶液浸泡后的試件抗壓強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式無(wú)明顯變化，個(gè)別組(LZ-K和LZ-G1)的強(qiáng)度值甚至還略有提高。由此說(shuō)明，在背景工程環(huán)境中采用大摻量摻合料取代部分抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，并不會(huì)引起水泥土抗壓強(qiáng)度的明顯下降。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)條件下水泥土試件抗壓強(qiáng)度對(duì)比

水泥土在5 %Na2SO4溶液出現(xiàn)崩解破壞，而在模擬侵蝕溶液中抗壓強(qiáng)度未出現(xiàn)明顯下降，造成這一現(xiàn)象的主要原因[13]是：侵蝕溶液中的SO42-與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成了鈣礬石，鈣礬石易在溶液中析出，可填補(bǔ)水泥土的孔隙，增加水泥土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)溶液中SO42-濃度過(guò)大時(shí)，反應(yīng)生成的鈣礬石過(guò)多，引起水泥土體積膨脹，當(dāng)膨脹力大于水泥土的膠結(jié)力時(shí)，導(dǎo)致水泥土崩解破壞。

4 復(fù)合地基水泥土膠凝材料設(shè)計(jì)

將各膠凝材料方案的28 d膠砂強(qiáng)度、30 d水泥土強(qiáng)度、抗蝕系數(shù)以及膨脹系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總，并以LZ-K組為對(duì)照組進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表6所示。

表6 各膠凝材料方案試驗(yàn)結(jié)果匯總比較

表6中膠砂強(qiáng)度和水泥土強(qiáng)度欄，強(qiáng)度每增加或減少10 %為一個(gè)+或者-；抗蝕系數(shù)和膨脹系數(shù)僅定性判斷較優(yōu)+或較劣-。

由表6可知，LZ-0、LZ-G1、LZ-G2組的力學(xué)性能較好，但抗硫酸鹽性能略有不足。相比之下，LZ-H1組(普通硅酸鹽42.5水泥55 %+粉煤灰15 %+礦渣粉30 %)的各項(xiàng)性能均優(yōu)于LZ-K組，其抗腐蝕性能優(yōu)于抗硫酸鹽硅酸鹽水泥。因此，此類(lèi)復(fù)合地基水泥土的膠凝材料設(shè)計(jì)可優(yōu)先選用LZ-H1方案，能夠明顯提高水泥土的防腐蝕性能。

5 結(jié) 論

通過(guò)大摻量摻合料在復(fù)合地基水泥土防腐蝕中的試驗(yàn)研究，本文獲得的結(jié)論主要如下：

(1)采用礦物摻合料代替部分抗硫酸鹽硅酸鹽水泥后，水泥土的力學(xué)性能會(huì)有所提高，提高效果隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大。

(2)硫酸鹽腐蝕環(huán)境下，大摻量摻合料對(duì)膠凝材料抗蝕系數(shù)的影響并不明顯，但可以有效降低膠凝材料的膨脹系數(shù)。大摻量摻合料水泥土在5 %Na2SO4溶液中浸泡30 d就會(huì)出現(xiàn)崩解破壞，而在模擬侵蝕溶液中抗壓強(qiáng)度不會(huì)出現(xiàn)明顯下降。

(3)對(duì)于腐蝕環(huán)境下的復(fù)合地基，水泥土可選用配比為“普通硅酸鹽42.5水泥55 %+粉煤灰15 %+礦渣粉30 %”的膠凝材料方案，能明顯提高水泥土的防腐蝕性能。