原土環(huán)境下水泥土強度衰減過程室內(nèi)試驗研究?

閆 楠， 楊俊杰， 劉 強， 董猛榮

(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100； 3.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

長期服役于腐蝕場地的水泥土將發(fā)生劣化[1-6]，從而對其使用壽命產(chǎn)生嚴重影響。

針對水泥土等加固體的劣化問題，楊俊杰等[7-10]根據(jù)不同的工程背景將其分為場地環(huán)境變化引起已有加固體的劣化問題(第一類劣化問題)和腐蝕場地形成的加固體的劣化問題(第二類劣化問題)。針對第一類劣化問題，Han和Bai[4]通過采用硫酸、硫酸鈉、氯化鎂等不同溶液對成型的水泥土實施浸泡，并對達到浸泡時間的試樣實施無側(cè)限抗壓強度試驗。劉泉聲等[11]利用不同濃度的氯化鈉溶液、氯化鎂和氯化鈉混合溶液、硫酸鎂和氯化鈉混合溶液模擬侵蝕環(huán)境，對浸泡90、180和270 d的水泥土試塊實施無側(cè)限抗壓強度試驗。Kitazume等[12]將試樣標準養(yǎng)護14 d后，放入黏土中，并對其實施力學(xué)測試。結(jié)果表明，隨著養(yǎng)護時間的增長，處在黏土環(huán)境中的水泥土未明顯劣化，但沒有明確給出黏土的性質(zhì)。Terashi等[13]首先將試樣在試樣筒內(nèi)分別養(yǎng)護(室內(nèi)溫度25 ℃，濕度85%)2 h(無側(cè)限抗壓強度60 kPa)和24 h(同640 kPa)后脫模，脫模后分別在三種環(huán)境下養(yǎng)護，即標準養(yǎng)護(用塑料袋密封試樣放入溫度20 ℃、濕度95%的恒溫恒濕箱內(nèi))、黏土養(yǎng)護(含水量是120%的川崎黏土)和海水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間最長均為730 d。對達到齡期的試樣實施無側(cè)限抗壓強度試驗。結(jié)果顯示，養(yǎng)護24 h脫模后放入三種環(huán)境下繼續(xù)養(yǎng)護的試樣，在同一齡期時，其無側(cè)限抗壓強度分別大于養(yǎng)護2 h的相應(yīng)的試樣；養(yǎng)護2和24 h脫模放入三種環(huán)境后，試樣的強度均呈隨齡期先增加后降低的趨勢，海水環(huán)境下強度在28 d左右，黏土環(huán)境和標準養(yǎng)護強度在180 d左右達到最大，海水環(huán)境下強度增加幅度最小，降低幅度最大，標準養(yǎng)護強度增加幅度最大、降低幅度最小，黏土環(huán)境居中。針對第二類劣化問題，Miao Jiali[14]、楊俊杰等[7-10]采用海水養(yǎng)護的方法，實施了室內(nèi)模擬試驗。研究表明，養(yǎng)護(浸泡)時間越長、水泥摻入比越小，水泥土的劣化深度越大。目前，水泥土劣化問題的室內(nèi)試驗研究多采用海水或化學(xué)溶液為腐蝕介質(zhì)對水泥土等加固體進行浸泡，模擬不同類型的腐蝕環(huán)境。而在原土中進行養(yǎng)護的相關(guān)試驗研究也針對的是第一類劣化問題。

原土環(huán)境作為水土耦合的較復(fù)雜系統(tǒng)，能夠更好地模擬現(xiàn)場場地環(huán)境，對水泥土劣化的室內(nèi)研究很有意義。針對第二類劣化問題，本文在海水環(huán)境中水泥土劣化研究[10]的基礎(chǔ)上，利用形成水泥土的原土對水泥土進行養(yǎng)護，實施微型貫入試驗(MCPT)、掃描電鏡(SEM)試驗、能譜(EDS)試驗、X射線衍射(XRD)試驗、化學(xué)測試及酸堿度測試等一系列力學(xué)、物理和化學(xué)試驗，并通過對比海水環(huán)境下的試驗結(jié)果，研究濱海相場地形成的水泥土的強度衰減過程。

1 試驗概況

1.1 試驗裝置及試驗材料

試驗裝置及試驗材料詳見文獻[10]。

1.2 試驗方案及方法

如圖1所示，首先制備水泥土試樣，然后進行原土養(yǎng)護。水泥土試樣的制備方法選用的試樣筒(內(nèi)徑85 mm、高105 mm的塑料燒杯)和養(yǎng)護筒(頂面直徑180 mm、底面直徑140 mm、高160 mm的塑料桶)詳見文獻[10]。水泥土養(yǎng)護期間，室溫保持在(21±3)℃，每隔30 d換土一次。實驗室條件控制與海水養(yǎng)護相同。

圖1 試樣養(yǎng)護Fig.1 Sample maintenance

對達到齡期的水泥土試樣實施相關(guān)試驗，試驗方案如表1所示。各種試驗的方法詳見文獻[10]。

表1 試驗方案Table 1 Testing program

注：*水泥摻入比為水泥與濕土的質(zhì)量之比。

Note：*Cement factoris defined as radio of the dry weight of the coment introduced to the wet weight of the soil.

①Curing environment；②Cement mixing content；③Curing time；④Test project；⑤Exposed to insitucday

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 貫入試驗結(jié)果及劣化的時空分布規(guī)律

2.1.1 貫入試驗結(jié)果與分析 圖2為貫入試驗得到的貫入阻力隨貫入深度的變化曲線。圖中曲線由貫入阻力結(jié)果的算數(shù)平均值繪成，誤差棒為數(shù)據(jù)的標準差，表示同一深度貫入阻力數(shù)值的離散程度，由圖可知，貫入阻力數(shù)據(jù)離散程度較低，試樣均勻性較好。

圖2 水泥土的貫入阻力-深度曲線(原土環(huán)境)Fig.2 Penetration resistance-penetration depth curves of cement soil (cured in marine soil)

由圖2可知，同一摻入比條件下，養(yǎng)護時間越長，水泥土表層貫入阻力降低越明顯，表明與海水環(huán)境一樣，原土環(huán)境中的水泥土同樣發(fā)生了由表及里的劣化現(xiàn)象[8]。

2.1.2 劣化深度─時間變化曲線 根據(jù)文獻[10]中水泥土劣化深度定義可得到水泥土劣化深度，圖3為劣化深度隨時間的變化規(guī)律。

圖3 原土環(huán)境與海水環(huán)境中水泥土劣化深度-時間變化曲線Fig.3 The deterioration depth-time curves of the cement soil in marine soil and sea water

原土環(huán)境和海水環(huán)境中的水泥土呈現(xiàn)相同的劣化規(guī)律，即，隨著養(yǎng)護時間的增長，劣化深度不斷增大；水泥摻入比越大，試樣的劣化深度越小。在本試驗條件下，在養(yǎng)護時間較短時，海水養(yǎng)護水泥土試樣的劣化深度較大，相反隨著養(yǎng)護時間的增加，原土中養(yǎng)護水泥土試樣的劣化深度超過海水養(yǎng)護試樣的劣化深度。

2.2 SEM試驗結(jié)果及分析

本次試驗使用Hitachi S-3500型掃描電子顯微鏡。為了確定試驗的主要元素，選取600倍數(shù)區(qū)輔以能譜分析。圖4為水泥摻入比為15%的水泥土養(yǎng)護360 d后的微觀結(jié)構(gòu)圖像。

從圖4可以看出，經(jīng)海水和原土分別養(yǎng)護360 d后，水泥土未劣化層的微觀結(jié)構(gòu)相對致密，整體性較好，有明顯的晶體纖維形成。劣化層中已存在較大體積的團粒結(jié)構(gòu)，但團粒間孔隙明顯，結(jié)構(gòu)密實程度較低，劣化影響了水泥土的固化過程，劣化后的水泥土具有非均質(zhì)特征。在8 000倍放大倍數(shù)下，原土和海水環(huán)境中同樣深度試樣的劣化層和未劣化層的微觀結(jié)構(gòu)無顯著差異。

圖4 摻入比為15%，海水與原土養(yǎng)護360 d未劣化及劣化水泥土的微觀結(jié)構(gòu)(×8 000)Fig.4 Microstructures of non-deteriorated and deteriorated cement soil samples cured under water and soil after 360 days with the cement ratio of 15% (×8 000)

能譜分析如圖5所示，原土環(huán)境中與海水環(huán)境中水泥土試樣所含有的主要元素相同，主要含有硅、鈣、鋁、鎂、鐵、鉀、鈉、氧、氯、碳、硫等元素。經(jīng)兩種環(huán)境養(yǎng)護后，水泥土劣化層中的Ca含量均有所降低。

圖5 海水與原土養(yǎng)護360 d、水泥摻入比為15%的水泥土能譜圖(×600)Fig.5 Energy spectrum diagrams of non-deteriorated and deteriorated cement soil samples cured 360 days with the cement ratio of 15% (×600)

2.3 XRD物相分析

試驗使用Bruker公司的D8 ADVANCE X射線衍射分析儀對水泥摻入比為15%，養(yǎng)護360 d試樣進行分析，結(jié)果如圖6所示。與海水環(huán)境中的試樣相似，水泥土試樣中存在碳酸鈣(CaCO3)、氫氧化鈣(Ca(OH)2)、氫氧化鎂(Mg(OH)2)、石膏(CaSO4·2H2O)、硅酸鎂水化物(M-S-H)、鋁酸鎂水化物(M-A-H)、C-S-H和鈣礬石(C-A-S-H)等化合物。劣化層中硅酸鈣水化物、鋁酸鈣水化物、碳酸鈣及氫氧化鈣等物質(zhì)的含量較未劣化層少，石膏、鋁酸鎂水化物、硅酸鎂水化物等物質(zhì)的含量較大。然而，硅酸鈣水化物、鋁酸鈣水化物、碳酸鈣等物質(zhì)是水泥土強度的主要來源，氫氧化鈣是促進水泥土固化的重要成分；石膏、氫氧化鎂等反應(yīng)產(chǎn)物的膠結(jié)強度較低，可能導(dǎo)致水泥土強度降低。由此可見，由于環(huán)境中的鎂離子、氯離子、硫酸根離子等侵蝕性離子的滲入，干擾了其正常的固化反應(yīng)，致使與養(yǎng)護環(huán)境接觸的一定深度內(nèi)的水泥土發(fā)生了明顯的鈣損失，在宏觀上表現(xiàn)為水泥土強度的衰減和劣化深度的增大。

圖6 海水與原土養(yǎng)護水泥土試樣的X射線衍射圖Fig.6 X-ray diffractions of cement soil samples

2.4 離子含量分析

圖7為水泥摻入比為15%，養(yǎng)護360 d的水泥土中鈣離子、鎂離子、硫酸根離子、氯離子等主要離子的含量和pH值分布情況。

圖7 原土環(huán)境中水泥土的離子含量測試Fig.7 Chemical tests of cement soil in marine soil

由圖7可以看出，原土環(huán)境中的水泥土中各離子含量隨深度變化規(guī)律與同期海水環(huán)境中水泥土中相同離子含量的變化規(guī)律相似。其中，鈣離子含量隨深度的增大而增大，鎂離子含量、硫酸根離子含量、氯離子的含量隨著深度的增大呈現(xiàn)減小趨勢，pH值隨深度增加而增大。由結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原土環(huán)境和海水環(huán)境中的主要離子種類相同，分別經(jīng)兩種環(huán)境養(yǎng)護試樣中主要離子含量的變化規(guī)律相似，因此在兩種環(huán)境中水泥土強度的衰減過程是相似的。此外，由圖7(e)發(fā)現(xiàn)，原土環(huán)境中試樣劣化層的pH值整體上較同期海水環(huán)境中試樣劣化層的pH值小。相關(guān)研究表明，pH值的降低會直接影響水泥土的凝硬反應(yīng)，并促使水化產(chǎn)物分解，對水泥土強度的形成不利[10,15-16]。因此，在該試驗中，pH值與水泥土的劣化具有顯著相關(guān)性。此外，有機質(zhì)的存在可使土體酸性增強，導(dǎo)致pH值降低[17]。由此可見，在原土環(huán)境無機鹽成分類型與海水環(huán)境相似的條件下，有機質(zhì)很大程度上影響了水泥土的劣化進程。但是，與海水中水泥土強度衰減過程相同，依次為腐蝕介質(zhì)抑制水泥土表面強度增長的過程和促使水泥土強度由表及里不斷降低的過程[10]。

3 結(jié)論

本文通過室內(nèi)原土環(huán)境模擬現(xiàn)場場地環(huán)境，進一步研究了濱海相軟土場地形成的水泥土的強度衰減問題，得到如下結(jié)論：

(1)原土環(huán)境和海水環(huán)境中的水泥土呈現(xiàn)相同的劣化規(guī)律，即，隨著養(yǎng)護時間的增長，劣化深度不斷增大；水泥摻入比越大，試樣的劣化深度越小。在本試驗條件下，在養(yǎng)護時間較短時，海水養(yǎng)護水泥土試樣的劣化深度較大，相反隨著養(yǎng)護時間的增加，原土中養(yǎng)護水泥土試樣的劣化深度超過海水養(yǎng)護試樣的劣化深度。

(2)水泥土劣化層結(jié)構(gòu)較松散，孔隙多而大，水泥土的劣化可導(dǎo)致水泥土孔隙比增大，滲透性增大。與此對應(yīng)，環(huán)境中侵蝕性離子的滲入干擾了水泥土的固化反應(yīng)，致使其發(fā)生了鈣溶出，在宏觀上表現(xiàn)為水泥土強度的衰減和劣化深度的增大。

(3)經(jīng)原土養(yǎng)護的水泥土中各離子含量的變化規(guī)律與同期海水環(huán)境中水泥土中對應(yīng)離子的含量變化規(guī)律相似。其中，鈣離子含量、碳酸根離子含量隨深度的增大而增大，鎂離子含量、硫酸根離子含量、氯離子含量和碳酸氫根離子的含量隨著深度的增大呈現(xiàn)減小趨勢。pH值隨深度增加而增大，但原土環(huán)境中試樣劣化層的pH值較同期海水環(huán)境中試樣劣化層的pH值小。而原土中的有機質(zhì)成分是pH值降低的主要原因。由此，濱海相場地中，有機質(zhì)對水泥土劣化過程的影響不可忽略。

(4)原土中水泥土強度衰減過程與海水中相同，即依次為腐蝕介質(zhì)抑制水泥土表面強度增長的過程和促使水泥土強度由表及里不斷降低的過程。