硫酸根侵蝕下水泥土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究

夏正兵

(江蘇城市職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院,南通 226006)

0 引 言

水泥土是水泥和土攪拌后相互結(jié)合的產(chǎn)物,將水泥作為固化劑,從而提高了土的強(qiáng)度,起到了加固的作用。此外,水泥土攪拌樁法是處理地基的一種方法,此方法在施工時(shí)方便快捷,效果好,在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)外,有關(guān)水泥土的研究已廣泛進(jìn)行。水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響因素有多種,比如土的性質(zhì)、水泥的種類(lèi)、水泥的含量、養(yǎng)護(hù)齡期和含水量等。然而水泥土用于工程應(yīng)用中會(huì)受到環(huán)境的影響,有關(guān)環(huán)境侵蝕對(duì)水泥土的力學(xué)性質(zhì)也已研究較多。A.Weise等[1]研究了淡水、海水對(duì)水泥處理軟黏土強(qiáng)度的影響,并探討了強(qiáng)度變化的機(jī)理;CHEN等[2]研究了水泥土中滲透時(shí)間對(duì)水泥土剪切強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響,并研究了水泥土的滲透性質(zhì);N.Miura等[3]簡(jiǎn)述了原位技術(shù),分析了高含水黏土強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律;寧寶寬等[4]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究表明,酸堿侵蝕對(duì)水泥的強(qiáng)度有影響;白曉紅等[5]模擬了多種污染環(huán)境下水泥土的力學(xué)性質(zhì),并分析了齡期對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響;訾巖珂等[6]研究了硫酸銨對(duì)水泥土的侵蝕,分析了相應(yīng)的荷載與位移的關(guān)系;陳中學(xué)等[7]探討了水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要影響因素;董曉強(qiáng)等[8]揭示了污染土對(duì)水泥土的影響,分析了水泥齡期、水泥類(lèi)型和污染土類(lèi)型對(duì)是泥土抗壓強(qiáng)度的影響;韓鵬舉等[9]通過(guò)在水泥土摻有不同含量的硫酸鈉,分析了硫酸鈉對(duì)水泥土固化過(guò)程的影響;趙程等[10]從壓實(shí)水泥土的微觀分析了密實(shí)度對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響。

本文通過(guò)試驗(yàn)探究了水泥土在不同濃度硫酸根環(huán)境下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化,并根據(jù)硫酸鎂溶液中水泥土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn),分析了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與溶液濃度的關(guān)系,為水泥土的工程應(yīng)用提供一定的技術(shù)參考資料。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

黃土取自山西省呂梁市某工地,其物理性質(zhì)見(jiàn)表1,其顆粒級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。水泥采用42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥,其主要化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1黃土基本物理指標(biāo)

Table 1The basic physical indicators of loess

圖1 黃土的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)Fig 1 Particle grading curve ofloess

1.2 試驗(yàn)方法

配制不同濃度的MgSO4溶液,分別為5 g/L、10 g/L 、20 g/L;同時(shí)配制了5種不同濃度的H2SO4溶液:2 g/L、4.5 g/L、9 g/L、18 g/L、22 g/L;清水為對(duì)照組。

表2水泥的主要化學(xué)成分

Table 2Main chemical composition of cement

1.3 試樣制備

將黃土烘干、碾碎后過(guò)2 mm的篩,水泥摻量為黃土干重量的15%,材料配比表見(jiàn)表3。將混合料在攪拌機(jī)中攪拌均勻后,裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的鋼模中成型,放在振動(dòng)臺(tái)上振搗3 min,然后把表面刮平,24 h后拆模。

表3材料配比表

Table 3Material ratio

1.4 試驗(yàn)過(guò)程

將拆模后的試樣放入配制好的溶液中養(yǎng)護(hù),每個(gè)濃度下設(shè)置3個(gè)平行試樣,達(dá)到齡期后采用WAW-2000 微機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(圖2)測(cè)試無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,加載速率為5 mm/min,測(cè)試結(jié)果取三者平均值,相對(duì)誤差超過(guò)30%的舍棄。

圖2 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Universal testing machine

2 結(jié)果與分析

2.1 清水養(yǎng)護(hù)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

清水養(yǎng)護(hù)(28 d)試樣的荷載-位移曲線(xiàn)如圖3所示。由圖3可知,水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)可以分為三個(gè)階段。分析各階段曲線(xiàn)與試樣外觀的變化可以發(fā)現(xiàn),在初始階段(位移小于1 mm),隨位移的增大,荷載增大的幅度較緩,試樣逐漸被擠壓密實(shí),接近彈性階段;在持續(xù)加載階段,隨著位移增加,荷載增大較快,試樣中的薄弱部位出現(xiàn)了小裂紋,試樣中的孔隙減小,密實(shí)度提高,當(dāng)荷載達(dá)到最大時(shí),裂紋繼續(xù)擴(kuò)展,逐漸貫通;在軟化階段,試樣中的裂紋繼續(xù)擴(kuò)展,寬度逐漸增大,試樣結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞,荷載隨位移的增大下降較快。綜上,水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)先接近線(xiàn)彈性變化后下降較快。

圖3 清水養(yǎng)護(hù)試樣強(qiáng)度-位移曲線(xiàn)關(guān)系Fig.3 Relationship between strength and displacement during fresh water

2.2 硫酸鎂溶液養(yǎng)護(hù)試樣抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變的關(guān)系

三種濃度硫酸鎂溶液養(yǎng)護(hù)(28 d)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與軸向應(yīng)變關(guān)系如圖4所示。由圖4可知,水泥土在三種不同硫酸鎂溶液中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)相似,但與圖3中清水浸泡試樣的曲線(xiàn)具有明顯區(qū)別,具體表現(xiàn)在,硫酸鎂溶液浸泡試樣的破壞強(qiáng)度增加,并且在持續(xù)加載階段的應(yīng)變區(qū)間縮短。其中,浸泡在濃度為20 g/L硫酸鎂溶液中的試樣強(qiáng)度峰值最小,并且?guī)缀醪淮嬖诔掷m(xù)加載階段;而在5 g/L和10 g/L濃度溶液中浸泡試樣的強(qiáng)度-應(yīng)變曲線(xiàn)幾乎重疊,并且其破壞強(qiáng)度較高。

分析認(rèn)為,一定濃度的硫酸鹽對(duì)水泥的水化具有促進(jìn)作用,可提高水泥土的強(qiáng)度;但當(dāng)硫酸鹽濃度較高時(shí),又會(huì)使水泥的水化產(chǎn)物CSH分解,降低水泥的膠凝作用,從而使硫酸鹽的增強(qiáng)作用減弱。

圖4 硫酸鎂溶液試樣強(qiáng)度-位移曲線(xiàn)關(guān)系Fig4 Relationship between strength and displacement during magnesium sulfate solution

從圖4中20 g/L硫酸鎂溶液浸泡試樣的強(qiáng)度-應(yīng)變曲線(xiàn)還能看出,強(qiáng)度隨應(yīng)變呈接近線(xiàn)性增加后又呈近似線(xiàn)性下降,說(shuō)明高濃度的硫酸鎂可使水泥土的脆性增加。

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與硫酸濃度的關(guān)系

圖5為養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與硫酸濃度的關(guān)系。由圖5可以看出,當(dāng)硫酸濃度為9 g/L時(shí),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.6 MPa,當(dāng)硫酸濃度為22 g/L時(shí),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.6 MPa。硫酸濃度為0的對(duì)照組強(qiáng)度最小,只有1.104 MPa。

圖5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與硫酸濃度的關(guān)系Fig 5 Relationship between unconfined compressive strength and sulfuric acid concentration

分析認(rèn)為,在硫酸浸泡下,水泥發(fā)生水化反應(yīng)生成了硅酸鈣和鋁酸鈣,當(dāng)硫酸侵蝕容易進(jìn)入水泥土的孔隙中,生成了鈣礬石(AFt)[11]。當(dāng)硫酸濃度較低時(shí),生成的少量鈣礬石進(jìn)入孔隙,提高了式樣的密實(shí)度,所以強(qiáng)度會(huì)小幅提高;當(dāng)硫酸濃度增大時(shí),鈣礬石產(chǎn)生較多,鈣礬石會(huì)使得體積膨脹,造成式樣的疏松,使得水泥土發(fā)生破壞,故而強(qiáng)度迅速下降。

2.4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與硫酸鎂濃度的關(guān)系

圖6為圖4中軸向應(yīng)變?yōu)?.1%處不同濃度硫酸鎂浸泡試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。從圖6可以看出,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨硫酸鎂溶液濃度的增大先增大后減小,與圖5的變化規(guī)律是類(lèi)似的。在鎂離子的作用下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比硫酸作用下小,降低了水泥土的抗壓性能。當(dāng)硫酸鎂的溶度為10 g/L時(shí),水泥土的抗壓強(qiáng)度為1.35 MPa左右,隨著硫酸鎂濃度的進(jìn)一步增大,抗壓強(qiáng)度降低。

圖6 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與硫酸鎂濃度的關(guān)系Fig.6 Relationship between unconfined compressive strength and magnesium sulfate concentration

擬合后發(fā)現(xiàn),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與硫酸鎂濃度成二次拋物線(xiàn)關(guān)系。公式如下:

qu=-0.002c2+0.045c+1.104

式中:qu為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,MPa;c為硫酸鎂濃度,單位g/L。

2.5 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

不同硫酸鎂溶液侵蝕時(shí)間下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可知,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)先增大后減小,與清水浸泡試樣對(duì)比得到,硫酸鎂溶液浸泡使試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小,清水浸泡試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大。

分析認(rèn)為,隨齡期的增長(zhǎng),水泥與土結(jié)合產(chǎn)生膠結(jié)作用,使得土體與水泥相互粘結(jié)。而加入硫酸鎂后,硫酸鎂腐蝕水泥的水化產(chǎn)物,造成強(qiáng)度降低。

圖7 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系Fig.7 Relationship between unconfined compressive strength and erosion time

3 結(jié) 論

(1) 清水浸泡試樣在初始階段,隨位移的增大,荷載增大幅度較緩,表現(xiàn)為彈性變形特征;硫酸鎂浸泡試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變的增加而增加較快且兩者呈線(xiàn)性關(guān)系,浸泡在濃度為20 g/L硫酸鎂溶液中發(fā)水泥土的抗壓強(qiáng)度峰值最小。

(2) 隨著硫酸鎂濃度的增加,水泥土的抗壓強(qiáng)度先增加、后減小,強(qiáng)度與硫酸鎂濃度呈二次函數(shù)關(guān)系。

(3) 硫酸鎂溶液浸泡使試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小,清水浸泡試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大。