地下水硫酸鹽溶液濃度對(duì)水泥土抗剪強(qiáng)度影響研究

赫榮富

(遼寧澤成水利工程檢測(cè)服務(wù)有限公司，遼寧 新民 110300)

水泥土由于取材較為方便，價(jià)格較低，在水利工程擋墻、閘壩帷幕防滲中得到推廣和應(yīng)用[1- 3]。地下水硫酸鹽溶液中氯離子、鈣離子、硫酸鹽離子、碳酸鹽離子與水泥土較易發(fā)生物理化學(xué)作用，使得水泥土的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生較大程度變化，影響水泥土的正常使用。當(dāng)前，地下水硫酸鹽溶液對(duì)水泥抗剪強(qiáng)度的影響逐步得到國內(nèi)許多學(xué)者的關(guān)注和研究[4- 8]，但是大都采用數(shù)學(xué)物理模型方式進(jìn)行研究，采用抗剪強(qiáng)度原型試驗(yàn)方式研究的還較少，而多項(xiàng)研究成果表面抗剪強(qiáng)度原型試驗(yàn)方式成為當(dāng)前研究水工材料特性的重要途徑[9- 15]。本文結(jié)合抗剪強(qiáng)度原型試驗(yàn)方式，定量探討不同濃度地下水硫酸鹽溶液對(duì)水泥抗剪強(qiáng)度的影響。研究成果對(duì)于水泥土的取材方案設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)方案

采用室外采樣，室內(nèi)試驗(yàn)的方式對(duì)不同濃度地下水硫酸鹽溶液對(duì)水泥土抗剪強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析，選取的水泥土的主要物理特性參數(shù)見表1。試驗(yàn)樣本中水泥、細(xì)砂、粘土的配比分別為：1∶3.43∶4.85。將水泥土試驗(yàn)樣本進(jìn)行攪拌制成試件如圖1所示，試驗(yàn)控制的溫度為23℃～39℃，在試件完成后進(jìn)行為期90d的養(yǎng)護(hù)后，開始進(jìn)行抗剪強(qiáng)度及腐蝕時(shí)間的試驗(yàn)分析。

表1 試驗(yàn)水泥土的主要物理特性參數(shù)

圖1 水泥土試件

1.1 試件抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方案

在試件完成后，將試件進(jìn)行不同剪切應(yīng)力的試驗(yàn)，在進(jìn)行剪切應(yīng)力試驗(yàn)時(shí)，將土樣剪切的速率控制在1.5mm/min之內(nèi)，當(dāng)剪切試驗(yàn)完成后，結(jié)合以下方程進(jìn)行抗剪強(qiáng)度的計(jì)算，計(jì)算方程為：

(1)

式中，τf—水泥土的抗剪強(qiáng)度，kPa；C—剪切應(yīng)力校正系數(shù)，N/mm；R—剪切應(yīng)力試驗(yàn)讀數(shù)，mm；A—水泥土剪切橫截面積，cm2。

1.2 試件腐蝕時(shí)間強(qiáng)度試驗(yàn)

將養(yǎng)護(hù)期過后的試件分別放入到濃度為0.5、1.0、1.5mg/L的標(biāo)準(zhǔn)硫酸鹽溶液中進(jìn)行腐蝕時(shí)間強(qiáng)度試驗(yàn)。在試驗(yàn)中應(yīng)將水泥土與標(biāo)準(zhǔn)硫酸鹽溶液的質(zhì)量比控制在1.5以上，各水泥土試件在腐蝕時(shí)間中不能進(jìn)行相互接觸。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同濃度下剪切應(yīng)力～應(yīng)變?cè)囼?yàn)分析

對(duì)不同濃度下的剪切應(yīng)力及其相應(yīng)的應(yīng)變率進(jìn)行分析，試驗(yàn)分析結(jié)果如圖2所示。

從試驗(yàn)分析結(jié)果可看成，隨著試驗(yàn)腐蝕時(shí)間的不斷遞增，水泥土的應(yīng)力以及彈性模量并未出現(xiàn)明顯的峰值變化，而隨著試驗(yàn)腐蝕時(shí)間的不斷遞增，其應(yīng)力及其相應(yīng)的應(yīng)變率都呈現(xiàn)明顯的遞增變幅。

各濃度下的應(yīng)變當(dāng)達(dá)到90d以上后出現(xiàn)明顯的遞增變緩趨勢(shì)。在各濃度下其應(yīng)力～應(yīng)變的變化曲線的峰值呈現(xiàn)先遞增后逐步變化的趨勢(shì)，在60d浸泡腐蝕的初期，水泥土出現(xiàn)壓實(shí)應(yīng)力變化的過程，但隨著濃度的增加，其應(yīng)力壓實(shí)變化影響程度逐步減弱，隨著浸泡腐蝕時(shí)間的不斷增加，水泥土內(nèi)部腐蝕呈現(xiàn)由內(nèi)向外逐步擴(kuò)散，在濃度較高的硫酸鹽溶液下，水泥土的剛度隨著腐蝕時(shí)間的遞增而逐步下降。

2.2 不同腐蝕時(shí)間下剪切應(yīng)力～應(yīng)變?cè)囼?yàn)分析

對(duì)不同硫酸鹽溶液腐蝕時(shí)間下的剪切應(yīng)力～應(yīng)變?cè)囼?yàn)進(jìn)行分析，試驗(yàn)分析如圖3所示。

從圖3中可看成，當(dāng)硫酸鹽濃度低于1.5mg/L時(shí)，其各腐蝕期下的應(yīng)力～應(yīng)變曲線變化不明顯，而當(dāng)硫酸鹽的濃度達(dá)到1.5mg/L時(shí)，其應(yīng)力～應(yīng)變曲線的峰值和曲率都發(fā)生較為明顯的變化，60d時(shí)其應(yīng)力～應(yīng)變曲線變化不明顯的原因在于早期水泥土硬化效果較差，使得其曲線變化程度較低。而隨著腐蝕時(shí)間的逐步增加，其應(yīng)力～應(yīng)變曲線變化程度逐步遞增，這主要是受到水泥土與硫酸鹽溶液物化作用的增加所致。而隨著腐蝕時(shí)間段額遞增，其物化作用逐步減弱，其應(yīng)力～應(yīng)變曲線變化顯著性也逐步降低，這主要是因?yàn)殡S著腐蝕時(shí)間的遞增，水泥土內(nèi)部孔隙逐步增多，使得其內(nèi)部膨脹開裂的程度增加，使得其應(yīng)力變化減弱。

圖2 不同濃度剪切應(yīng)力～應(yīng)變?cè)囼?yàn)分析

2.3 不同濃度硫酸鹽溶液對(duì)水泥土抗剪強(qiáng)度的影響分析

在各試驗(yàn)方式應(yīng)力～應(yīng)變?cè)囼?yàn)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)不同濃度硫酸鹽溶液對(duì)水泥抗剪強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)分析，分析結(jié)果見表2，并對(duì)不同濃度下水泥土法向應(yīng)力～抗剪強(qiáng)度變化曲線進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4所示。

表2 不同濃度硫酸鹽溶液下水泥土不同時(shí)期的抗剪強(qiáng)度分析結(jié)果

圖3 不同腐蝕時(shí)間應(yīng)力～應(yīng)變?cè)囼?yàn)分析結(jié)果

圖4 不同濃度水泥土法向應(yīng)力～抗剪強(qiáng)度變化試驗(yàn)結(jié)果

圖5 各法向應(yīng)力不同溶液腐蝕時(shí)間抗剪強(qiáng)度變化試驗(yàn)結(jié)果

從表中可看成，隨著硫酸鹽濃度的遞增，在不同浸泡腐蝕期下水泥土的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)先遞增而減小的變化趨勢(shì)，其轉(zhuǎn)折變化點(diǎn)即表示為水泥土抗剪強(qiáng)度變化的峰值點(diǎn)，在峰值變化點(diǎn)后，隨著硫酸鹽濃度的增加，其抗剪強(qiáng)度逐步減小，通過試驗(yàn)分析，從圖4中可分析出，各濃度下抗剪強(qiáng)度～法向應(yīng)力變化散點(diǎn)圖中，其趨勢(shì)變化線的斜率為內(nèi)摩擦角，而截距為其粘聚力，從試驗(yàn)結(jié)果可看出，在相同的濃度下，同一個(gè)腐蝕時(shí)間段，其濃度變化下的斜率即內(nèi)摩擦角變化較小，通過試驗(yàn)分析，地下水硫酸鹽溶液濃度每增加0.5mg/L，其抗剪強(qiáng)度減少0.6MPa，內(nèi)摩擦力減少3°，粘聚力減少0.8MPa。

2.4 不同溶液腐蝕時(shí)間對(duì)水泥土抗剪強(qiáng)度的影響分析

對(duì)不同溶液腐蝕時(shí)間下水泥土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)分析，分析結(jié)果如圖5所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，在不同法向應(yīng)力下，隨著腐蝕時(shí)間的遞增，水泥土的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)較為明顯的逐步遞減變幅，對(duì)于同一種硫酸鹽濃度而言，隨著浸泡腐蝕時(shí)間的逐步加大，水泥土受到地下硫酸鹽溶液腐蝕的效應(yīng)也逐步增強(qiáng)。從其變化特性可分析出，隨著地下水硫酸鹽溶液腐蝕時(shí)間的遞增，水泥土抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)線性遞減變化，其中對(duì)內(nèi)摩擦力影響最為明顯，但對(duì)粘聚力影響程度較弱。

3 試驗(yàn)結(jié)論

(1)在實(shí)際工程中，為保證水泥土的抗剪強(qiáng)度，應(yīng)盡量選取地下水硫酸鹽溶液濃度在1.0mg/L以下的水泥土，這類水泥土抗剪強(qiáng)度隨腐蝕時(shí)間增加呈現(xiàn)先遞減后趨于穩(wěn)定的變化，而濃度若高于1.0mg/L后，其抗剪強(qiáng)度先遞增再快速遞減，抗剪強(qiáng)度難以保證。

(2)在不同法向應(yīng)力下，水泥土受腐蝕時(shí)間其抗剪強(qiáng)度影響不同，其抗剪強(qiáng)度峰值一般出現(xiàn)在70d以后。

(3)本文未能就增加受硫酸鹽溶液腐蝕影響下水泥土的抗剪強(qiáng)度相關(guān)措施進(jìn)行探討，在以后的研究中還應(yīng)重點(diǎn)探討水泥土外加劑的使用分析。