場地環(huán)境變化引起的水泥土劣化深度及預(yù)測*

王曉倩，楊俊杰**，王 曼，蘇曉騰，焦德才，董猛榮

(1.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

1 研究背景

水泥是常用的固化材料，水泥加固土體形成的加固體應(yīng)用廣泛，可作為豎向承載的復(fù)合地基、基坑工程中的擋墻或防滲止水帷幕、路基或堤基工程中的大體積穩(wěn)定土等，而且水泥加固體工程量巨大[1-4]。然而，長期處于海水[5-6]、鹽漬土[7-9]和污染環(huán)境[10]等腐蝕場地中的水泥土等加固體，與混凝土、鋼材等建筑材料一樣不可避免地受到腐蝕作用，發(fā)生強(qiáng)度降低、滲透性增大的劣化現(xiàn)象。劣化的發(fā)生嚴(yán)重影響加固體的使用壽命[11-15]。

加固體的劣化由表及里逐漸發(fā)生。對于承受豎向荷載的水泥土樁，當(dāng)其表層劣化后，即使樁身強(qiáng)度具有足夠的安全儲備，如圖1所示，由于側(cè)阻力和端阻力降低，將導(dǎo)致樁的承載力降低，直接影響樁的服役性能。因此，研究水泥土劣化隨時(shí)間的演化規(guī)律及對劣化深度的預(yù)測，對于腐蝕地基中水泥土樁的長期承載力預(yù)測，具有一定的理論和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

楊俊杰等[16]根據(jù)工程背景，將加固體的劣化問題分成兩類并提出了相應(yīng)的室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M方法(見圖2)。

圖1 腐蝕地基中的水泥土樁Fig.1 The cement soil piles in the corrosive foundation

在非腐蝕場地形成一段時(shí)間的加固體，因場地受到污染或海水入侵、鹽漬化而發(fā)生的劣化問題屬于第一類，如圖2左側(cè)所示。對于這類劣化問題，可采用先將加固體標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間再與腐蝕環(huán)境相接觸的方式進(jìn)行浸泡模擬。目前的劣化研究基本上屬于第一類，而且主要研究集中在原土性質(zhì)、固化劑種類與添加量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、腐蝕性環(huán)境及加固體在其中的時(shí)間等各種因素對加固體強(qiáng)度的影響與影響機(jī)理方面[17-28]。Hara等[15]提出了指數(shù)函數(shù)形式的預(yù)測式，并與養(yǎng)護(hù)28 d后開始浸泡的水泥土劣化深度進(jìn)行了對比；MIAO[29]提出了對數(shù)函數(shù)形式的預(yù)測式，預(yù)測結(jié)果與養(yǎng)護(hù)1 d后開始浸泡的水泥土劣化深度進(jìn)行了對比。

圖2 劣化問題的分類及其研究思路Fig.2 Classification of deterioration problems and research design

另一方面，在污染場地、濱海及鹽漬化場地等腐蝕場地形成的加固體，其形成強(qiáng)度的同時(shí)即受到腐蝕介質(zhì)的侵蝕，這類劣化問題屬于第二類，如圖2右側(cè)所示。為了與實(shí)際情況相符，采用在加固體形成后不經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)立即使其與腐蝕環(huán)境接觸的方式進(jìn)行浸泡模擬。閆楠[30]分別提出了原土養(yǎng)護(hù)條件下和海水養(yǎng)護(hù)條件下的劣化深度預(yù)測式；楊俊杰等[31]研究了現(xiàn)場場地養(yǎng)護(hù)的濱海相軟土水泥土的劣化深度隨時(shí)間的演化規(guī)律并提出了水泥土劣化深度預(yù)測方法。

本文針對場地環(huán)境變化引起已有加固體的劣化問題，即第一類劣化問題，利用室內(nèi)模擬試驗(yàn)，討論水泥土劣化深度與浸泡時(shí)間的關(guān)系，顯然這類劣化與水泥土初始強(qiáng)度(不同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間)有關(guān)，因此，本文同時(shí)討論不同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間對劣化深度的影響，基于試驗(yàn)結(jié)果提出水泥土劣化深度預(yù)測方法。

2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)研究場地環(huán)境變化引起已有加固體的劣化問題，即水泥土形成時(shí)不含腐蝕介質(zhì)，且經(jīng)過一段時(shí)間后，腐蝕介質(zhì)開始侵入。故原土采用高嶺土并利用清水?dāng)嚢栊纬伤嗤?，?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后，使用人工海水進(jìn)行浸泡。

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為高嶺土，生產(chǎn)廠家是上海市奉賢奉城試劑廠，為商品用土，狀態(tài)呈白色細(xì)粉末，部分有易碎的塊，且有特殊的黏土味，加水濕潤后即產(chǎn)生類似粘土的臭氣，并變成深色。參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，測定高嶺土基本物理性質(zhì)，測試結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)用水泥為濰坊魯元建材有限公司生產(chǎn)的42.5號普通硅酸鹽水泥。

試驗(yàn)用海水由海水素人工調(diào)制而成。海水素由廣州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)益爾生物工程有限公司生產(chǎn)。人工海水的調(diào)制方法：按照每公斤海鹽溶解于30 kg水的比例(海水素∶水為1∶30)充分?jǐn)嚢枞芙猓宄悍€(wěn)定后使用。所配置的海水無色無泡沫無沉淀，離子強(qiáng)度滲透壓和緩沖容量與天然海水大致相同。

表1試驗(yàn)用土基本物理性質(zhì)
Table 1 The basic physical properties of the soil

試驗(yàn)用土Soilinthetest塑限/%Plasticlimit17mm液限/%17mmliquidlimit塑性指數(shù)Plasticityindex初始含水量/%Initialmoisturecontent比重Specificgravity高嶺土Kaolin33.272.138.90.22.70

2.2 試驗(yàn)技術(shù)路線和方案

試驗(yàn)技術(shù)路線如圖3所示。制備水泥土試樣，先在養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，達(dá)到設(shè)定養(yǎng)護(hù)時(shí)間后再進(jìn)行海水浸泡養(yǎng)護(hù)，最后對達(dá)到設(shè)定浸泡時(shí)間后的試樣實(shí)施微型貫入試驗(yàn)，確定劣化深度，討論劣化深度的演化規(guī)律，最后提出劣化深度預(yù)測式。

圖3 試驗(yàn)技術(shù)路線Fig.3 Technique route of test

微型貫入試驗(yàn)試樣的制備方案如表2所示。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

圖4為試驗(yàn)用設(shè)備，其中圖4(a)為用于原土、水泥、水的混合攪拌機(jī)；圖4(b)為制樣攪拌機(jī)；圖4(c)為微型貫入試驗(yàn)儀。

2.4 微型貫入試驗(yàn)試樣的制備及養(yǎng)護(hù)

試樣填筑在內(nèi)徑85 mm、內(nèi)高為105 mm的500 mL塑料燒杯(見圖5(a))內(nèi)，燒杯平均內(nèi)徑是探頭直徑的25倍，故使用上述燒杯可以消除試樣邊界效應(yīng)。整個(gè)試樣制樣時(shí)間控制在5 min之內(nèi)。之后將試樣放入養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(見圖5(b))，養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2)℃,相對濕度為90%以上。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期后再放入到頂面直徑180 mm，底面直徑140 mm、高160 mm的塑料紅桶內(nèi)進(jìn)行海水浸泡養(yǎng)護(hù)(見圖5(c))。為防止水分蒸發(fā)，影響人工海水的濃度，在紅桶頂部簡單封一層塑料薄膜。海水浸泡初期，每隔7 d換一次海水，4次以后每隔1月?lián)Q一次海水。最后海水浸泡養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期進(jìn)行微型貫入試驗(yàn)。

表2 試驗(yàn)方案一覽表Table 2 List of testing program

圖4 試驗(yàn)設(shè)備Fig.4 Test apparatus

3 微型貫入試驗(yàn)結(jié)果、劣化深度及其演化規(guī)律

3.1 微型貫入試驗(yàn)結(jié)果

圖6為不同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間、不同海水浸泡時(shí)間的水泥土試樣貫入阻力(N)與貫入深度(mm)的關(guān)系曲線。

圖5 試驗(yàn)制備及養(yǎng)護(hù)Fig.5 Test preparation and maintenance

圖6 微型貫入試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Micro penetration test results

由圖6可知，與浸泡時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間無關(guān)，貫入阻力隨貫入深度的變化趨勢基本相同；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長，貫入阻力穩(wěn)定時(shí)的值越大，說明標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間與水泥土初始強(qiáng)度具有對應(yīng)關(guān)系。

3.2 劣化深度

閆楠等根據(jù)劣化及未劣化試樣貫入阻力曲線特征定義了劣化深度[32]如圖7所示，劣化層包括貫入阻力為零的完全劣化層(深度為D1)和劣化過渡層(深度為D2)，劣化層的深度D即為劣化深度。

根據(jù)圖3微型貫入試驗(yàn)曲線和劣化深度定義，可得本試驗(yàn)試樣劣化深度，如表3所示。

圖7 劣化深度定義Fig.7 Definition of deterioration depth

表3 試樣劣化深度表Table 3 Sample deterioration depth table

Note:①Cement mixing content；②Curing period；③Deterioration depth；④Immersion

3.3 劣化深度演化規(guī)律

圖8為同一浸泡時(shí)間、不同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間的水泥土劣化深度關(guān)系圖。

圖8 劣化深度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間關(guān)系Fig.8 The relationship of depth and standard curing time

與浸泡時(shí)間無關(guān)，劣化深度隨標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，即隨水泥土初始強(qiáng)度的增大而減??；當(dāng)水泥土初始強(qiáng)度較低時(shí)，劣化速度較快，但是，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間超過28 d后，水泥土的劣化深度增加較慢，且趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)樗嗤了磻?yīng)在28 d前較充分，之后強(qiáng)度增長較慢的緣故。

圖9為同一標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，水泥土劣化深度隨浸泡時(shí)間的變化情況。水泥土劣化深度隨浸泡時(shí)間的增加而增大，浸泡前期劣化速度快，后期劣化速度降低。

4 場地環(huán)境變化引起的水泥土長期劣化深度預(yù)測

Hara等[15]提出了式(1)所示的指數(shù)函數(shù)預(yù)測式。

D=A×tB。

(1)

式中：D為劣化深度(mm)，t為劣化時(shí)間(年)，A、B為常數(shù)。Hara等取B為0.5，但給出A的物理意義較為復(fù)雜，缺乏實(shí)用性。MIAO[29]提出的對數(shù)函數(shù)如式(2)所示。

圖9 劣化深度與浸泡時(shí)間關(guān)系Fig 9 The relationship between deterioration depth and immersion time

D=alnb-aln(t+b)。

(2)

式中：a，b為與水泥土摻入比相關(guān)的常數(shù)。

MIAO預(yù)測式中的參數(shù)確定方法針對性較強(qiáng)，使用時(shí)存在一定的不確定性。

綜上所述，目前場地環(huán)境變化引起的水泥土長期劣化深度預(yù)測式，其中的待定參數(shù)或需通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定或難以確定，因此，預(yù)測式的預(yù)測功能較差。

本文提出與Hara等[15]形式相同，但可根據(jù)28 d劣化深度推測長期劣化深度的預(yù)測式，如式(3)所示。

(3)

式中：D為水泥土劣化深度(mm)，D28為28 d劣化深度(mm)，t為劣化時(shí)間(d)，A為待定常數(shù)。

圖10為水泥土劣化深度預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比情況。

圖10中(a)、(b)、(c)、(d)分別為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間0、1、28、90 d，水泥土劣化深度預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，對應(yīng)的回歸系數(shù)A分別為0.445 57、0.575 07、0.418 24、0.197 18，這一結(jié)果與腐蝕場地形成的水泥土劣化結(jié)果(A=0.5～0.7)[31]不同，表明水泥土的初始強(qiáng)度對劣化深度具有一定的影響，但是，影響規(guī)律有待進(jìn)一步的數(shù)據(jù)積累。

圖11為預(yù)測結(jié)果與Hara[15]試驗(yàn)結(jié)果對比。Hara采用Ariake 黏土，黏土含水量為237.2%，水泥摻量分別為每立方黏土50、70、100 kg，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d。得到的回歸系數(shù)A為0.510 59。

圖12為測結(jié)果與Miao[29]的試驗(yàn)結(jié)果的對比，Miao同樣采用Ariake黏土，水泥摻入比為10%，試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d。得到的回歸系數(shù)A為0.793 1。

圖10 劣化深度預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.10 The prediction of deterioration depth is compared with the experimental results

5 結(jié)論

利用室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M研究了場地環(huán)境變化引起的水泥土劣化問題。得到了如下的結(jié)論：

(1)水泥土劣化深度隨浸泡時(shí)間的增加而增大，浸泡前期劣化速度快，后期劣化速度降低。

(2)水泥土初始強(qiáng)度越低劣化速度越快。當(dāng)水泥土超過28 d強(qiáng)度后，劣化速度增加變慢，且趨于穩(wěn)定。

(3)提出了根據(jù)28 d劣化深度推測長期劣化深度的預(yù)測式。預(yù)測式與楊俊杰等[31]的腐蝕場地形成的水泥土劣化深度預(yù)測式形式相同，但根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到的待定參數(shù)A不同。場地環(huán)境變化引起的水泥土劣化問題的A約在0.2～0.8之間；腐蝕場地的水泥土劣化問題的A可取0.5～0.7。

圖12 劣化深度預(yù)測結(jié)果與Miao試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.12 The results of deterioration prediction are compared with the results of Miao test

(4)水泥土初始強(qiáng)度越高，A取值偏低，在0.2～0.5之間；初始強(qiáng)度越低，A取值偏高，在0.4～0.8之間。水泥土的初始強(qiáng)度對場地環(huán)境變化引起的水泥土劣化深度具有一定的影響，但是，影響規(guī)律有待進(jìn)一步的數(shù)據(jù)積累。