高含鹽水泥土的力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)研究

邢皓楓，張 好，李浩銘

（同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092）

深層攪拌技術(shù)是一種將軟土與固化劑（包括水泥、粉煤灰、復(fù)合固化劑等）攪拌混合的地基加固技術(shù)[1-4]。鑒于深層攪拌技術(shù)具有提高地基承載力、減少地基沉降變形、施工簡單以及工程造價低廉等優(yōu)勢，在道路、機(jī)場、港口等軟土地基處理中被廣泛使用[2-3]。然而，對于海相沉積的高含鹽軟土而言，因其可溶鹽含量較高，使得該類水泥土具有溶陷、鹽脹、腐蝕等不良工程特性[2-4]。在工程后期運(yùn)營過程中，極易發(fā)生路基沉降、路面翻漿等病害，嚴(yán)重影響道路壽命，增加維護(hù)成本。為減少此類病害的發(fā)生，降低后期的維護(hù)成本，對高含鹽水泥土的力學(xué)特性以及固化機(jī)理的研究十分必要，其可為后續(xù)沿海地區(qū)地基的設(shè)計(jì)施工提供理論依據(jù)。

水泥土作為水泥和原狀土的拌合物，其力學(xué)特性必然受到水泥、原狀土、水以及氣候等因素的影響[5]。目前，有關(guān)水泥土力學(xué)特性的研究已逐步展開。一些學(xué)者[6-9]通過開展宏觀層面的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究不同因素（諸如化學(xué)溶液的種類、濃度及pH值、偏高嶺土含量、水泥摻入量、水灰比和外加劑等）對水泥土力學(xué)特性影響。另有部分學(xué)者[10-12]通過掃描電鏡（SEM）以及X射線衍射（XRD）等微觀觀測技術(shù)，研究含鹽水泥土的劣化規(guī)律以及外加劑對水泥土劣化的抑制效應(yīng)?，F(xiàn)有研究雖對水泥土的力學(xué)特性及其影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，但是針對不同影響因素下高含鹽水泥土力學(xué)特性的微觀層面分析以及其固化機(jī)理的研究還較少[13]。為弄清海相沉積的軟土中高含量可溶鹽對水泥土力學(xué)特性的影響以及其固化機(jī)理，本文以連云港海相沉積高含鹽軟土為例，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，開展高含鹽水泥土中Mg2+、Cl?和三種可溶鹽離子對水泥固化土宏觀力學(xué)特性影響及其變化規(guī)律的試驗(yàn)研究。同時，借助環(huán)境掃描電鏡（ESEM）和X射線衍射儀（XRD）等微觀測試技術(shù)及分析手段，研究可溶鹽離子變化對高含鹽水泥土的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分的影響，從宏微觀的角度分析高含鹽水泥土的固化機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料

1.1 高含鹽軟土

本次試驗(yàn)研究對象為江蘇臨海高速公路連云港灌云標(biāo)段（LHGYX-LQ1～2）的海相沉積軟土，取樣深度約為地下3 m處。通過現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)，獲得了連云港高含鹽軟土的物理性質(zhì)和力學(xué)特性參數(shù)。連云港軟土試驗(yàn)結(jié)果分別見表1和表2。

表1 連云港軟土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of the Lianyungang soft soil

表2 連云港軟土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 2 Mechanical properties of the Lianyungang soft soil

取連云港軟土進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果如表3所示，為便于對比研究，表3中同時給出了上海軟土的分析結(jié)果。依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）[14]規(guī)定，連云港海相沉積軟土屬于亞氯鹽漬土、強(qiáng)鹽漬土和有機(jī)質(zhì)土。與上海海相沉積軟土相比，連云港軟土的易溶鹽離子Mg2+、Cl?和含量明顯偏高，故研究重點(diǎn)為Mg2+、Cl?和含量對水泥土強(qiáng)度的影響。

表3 連云港軟土和上海軟土化學(xué)分析結(jié)果[7]Table 3 Results of the chemical analysis of two different soft soils

1.2 硅酸鹽水泥

試驗(yàn)采用普通硅酸鹽水泥（P.O 32.5），基本特性如表4所示。

2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)27組試驗(yàn)配比方案，開展不同離子類型和含量以及3種可溶鹽離子共存對高含鹽水泥土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案如表5所示。

依據(jù)水泥土作為高速公路路基填料、水泥土攪拌樁、高壓旋噴注漿等加固技術(shù)中的水泥摻入比和實(shí)際水灰比，同時考慮使水泥、軟土以及可溶鹽離子更加充分的反應(yīng)，借鑒相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果[7,10,16-17]，本次試驗(yàn)水泥摻入比為21%，水灰比為0.5。

表4 普通硅酸鹽水泥（P.O 32.5）的基本參數(shù)[15]Table 4 Basic properties of ordinary portl and cement（P.O 32.5）

表5 可溶性鹽離子含量配比方案Table 5 Experiment scheme of soluble salt ions

配比前，將現(xiàn)場取回軟土樣進(jìn)行處理。嚴(yán)格按照《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ/T 233—2011）的要求處理[18]。首先，將土樣風(fēng)干、碾碎，過2 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩；再將篩選后的土樣浸水?dāng)嚢璩赡酀{，靜置48 h使土顆粒沉淀，濾去清水，反復(fù)3次，洗去軟土樣自身可溶鹽離子，得到“洗凈土”。

按試驗(yàn)方案中試樣的配比，稱取一定量的“洗凈土”、水泥、可溶鹽以及蒸餾水。試驗(yàn)過程中，為避免可溶鹽以晶體形式存在而與水泥土反應(yīng)不充分，先將可溶鹽和蒸餾水混合、充分?jǐn)嚢枋怪蔀榭扇茺}溶液；再將稱好的“洗凈土”和水泥拌和均勻；最后，將拌合物與可溶鹽溶液加入微型攪拌機(jī)中拌和均勻，待制樣用。

采用無側(cè)限抗壓試驗(yàn)研究可溶鹽離子對水泥土強(qiáng)度的影響。試塊采用手工壓注成型，將拌和均勻的水泥土用手工壓注法置于70.70 mm×70.70 mm×70.70 mm的試模內(nèi)，在振動臺上充分振動，排出試塊內(nèi)部空氣。待24 h后進(jìn)行脫模，保存于塑料袋中，送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（T=20±2℃，RH=95%）內(nèi)養(yǎng)護(hù)至指定時間。為探究可溶鹽離子在不同時間下對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，養(yǎng)護(hù)時間設(shè)置為7，14，28，60，90，180，270，360 d。

待試塊養(yǎng)護(hù)至指定時間，立即開展無側(cè)限抗壓試驗(yàn)。本次試驗(yàn)采用華龍WDW-600型（產(chǎn)品規(guī)格：600 kN；精度等級：0.50級；示值精度和變形測量精度：±0.50%）微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)測定水泥土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)時將試塊置于承壓板的中部，加載速率控制在1 mm/min。

試驗(yàn)結(jié)果取3個試塊測試結(jié)果的平均值作為該組試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。如單個試塊測試值與平均值的差值超過平均值的±15%時，該試塊的測試值予以剔除，取余下2個試塊測試結(jié)果的平均值作為該組試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，如剔出后試塊的測試值不足2個，則該組試驗(yàn)結(jié)果視為無效，重做至滿足要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單一離子不同含量對水泥土強(qiáng)度的影響

影響水泥土強(qiáng)度的可溶鹽離子主要為Mg2+、Cl?和，且各離子在水泥土固化過程中發(fā)揮不同作用，為研究可溶鹽離子對水泥土強(qiáng)度的影響特性，本次配比方案1#～15#考慮單一離子含量的變化對水泥土強(qiáng)度的影響。通過不同離子類型及含量的配比和無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，研究各齡期下，尤其長期條件下的高含鹽水泥土強(qiáng)度特性及變化規(guī)律。圖1為不同齡期下單一離子含量對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 不同離子含量條件下對水泥土抗壓強(qiáng)度Fig.1 Influences of different ion contents on the cement-soil strength

從圖1中可以看出，單一Mg2+含量的增加導(dǎo)致水泥土的強(qiáng)度降低。隨著齡期的增加，不同Mg2+含量的試塊抗壓強(qiáng)度間的差異越明顯。另外，隨著齡期的增加，各組試塊抗壓強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)齡期在60 d之前時，試塊抗壓強(qiáng)度隨齡期增幅較大；當(dāng)齡期在60 d之后，試塊抗壓強(qiáng)度隨齡期增幅相對變緩。單一Cl?含量對試塊抗壓強(qiáng)度的影響與單一Mg2+的影響基本一致。同時，單一含量對試塊抗壓強(qiáng)度的影響與單一Mg2+和Cl?的影響有所不同。當(dāng)齡期在60 d之前時，試塊的抗壓強(qiáng)度隨含量的增加呈現(xiàn)出先減小而后逐漸增加的趨勢，這一趨勢與單一Mg2+和Cl?的影響顯著不同。而當(dāng)齡期在60 d之后時，試塊的抗壓強(qiáng)度隨含量的增加而減小，這一趨勢與單一Mg2+和Cl?的影響一致。

綜上所述，Mg2+和Cl?的含量對試塊的抗壓強(qiáng)度具有抑制作用，隨著Mg2+和Cl?的含量增加，水泥土試塊的抗壓強(qiáng)度明顯降低。對于單一而言，試塊的早期抗壓強(qiáng)度隨含量的增加呈現(xiàn)出先減小而后增加，試塊的中后期抗壓強(qiáng)度隨含量的增加而減小。

3.2 3種離子共存對水泥土強(qiáng)度的影響

連云港軟土中Mg2+、Cl?和的含量均相對較高，研究3種可溶鹽離子共存條件下試塊的強(qiáng)度十分必要，故本次開展3種離子共存條件下的試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試。圖2為Mg2+、Cl?和共存條件下試塊的抗壓強(qiáng)度。從圖2中可以看出，當(dāng)水泥土中不摻入任何離子時（25#），其強(qiáng)度比同齡期下?lián)饺隡g2+、Cl?和試塊的強(qiáng)度要高；當(dāng)同時摻入低含量的Mg2+、Cl?和時（16#），試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相應(yīng)下降；隨著Mg2+、Cl?和含量同時增加（26#和27#），各齡期水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。Mg2+、Cl?和共存對水泥強(qiáng)度有較大的負(fù)作用，且隨著3種離子含量的增加，試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降顯著。

圖2 3種離子共存條件下試塊的抗壓強(qiáng)度Fig.2 Strength of the cement-soil samples under coexistence of three ions

Mg2+、Cl?和共存對水泥強(qiáng)度對試塊抗壓強(qiáng)度的增長有較強(qiáng)的抑制作用，但Mg2+、Cl?和含量同時變化所導(dǎo)致的水泥土強(qiáng)度降低并不是單一可溶性鹽離子作用的簡單疊加，在這一復(fù)雜的多離子漿土體系中，各種離子之間存在一定交互作用。為研究Mg2+、Cl?和對水泥土強(qiáng)度的影響程度，開展了這3種離子的正交試驗(yàn)（16#～24#），分析各離子對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響程度。試塊抗壓強(qiáng)度如表6所示。為分析Mg2+、Cl?和對水泥土強(qiáng)度的影響程度，本次采用極差分析法和方差分析法相結(jié)合。極差的大小反映了試驗(yàn)中各因素對結(jié)果影響程度的大小，極差越大表明該因素影響程度越大。方差分析的基礎(chǔ)是變差分解，即將總變差平方和分解為各因素效應(yīng)變差平方和與誤差效應(yīng)平方和。首先假設(shè)各因素對結(jié)果都有影響，且試驗(yàn)結(jié)果樣本服從正態(tài)，然后考察各因素的效應(yīng)平方和與誤差效應(yīng)平方和之比，比值服從F分布，比值越大對應(yīng)概率越小，即為誤差效應(yīng)的概率越小，說明該因素對分析結(jié)果有影響假設(shè)成立的概率越大，即為該因素對分析結(jié)果影響大。

根據(jù)上述試驗(yàn)原理和試驗(yàn)方法，不同齡期條件下，Mg2+、Cl?和的極差和方差如表7所示。通過各離子的極差和方差的計(jì)算結(jié)果，分析其對試塊抗壓強(qiáng)度的影響程度。

表6 16#～24#試塊的抗壓強(qiáng)度Table 6 Strength of cement-soil samples 16# to 24# /MPa

表7 不同齡期條件下Mg2+、Cl?和的極差和方差計(jì)算結(jié)果Table 7 Calculation results of the range and variance

表7 不同齡期條件下Mg2+、Cl?和的極差和方差計(jì)算結(jié)果Table 7 Calculation results of the range and variance

齡期/d極差 方差影響程度Mg2+ Cl? SO2?4 Mg2+ Cl? SO2?4 7 4.12e-2 3.55e-2 1.65e-2 2.72e-3 1.94e-3 4.44e-4 SO2?4 Mg2+＞Cl?＞14 7.75e-2 1.21e-1 3.83e-2 1.01e-2 2.24e-2 2.82e-3 SO2?4 Cl?＞Mg2+＞28 8.73e-2 1.87e-1 2.38e-1 1.14e-2 6.35e-2 8.57e-2 SO2?4＞Cl?＞Mg2+60 5.55e-1 4.26e-1 2.94e-1 4.64e-1 2.77e-1 1.59e-1 SO2?4 Mg2+＞Cl?＞90 2.71e-1 3.63e-1 1.11e-1 1.10e-1 1.97e-1 2.15e-2 SO2?4 Cl?＞Mg2+＞180 1.79e-1 4.86e-1 3.70e-1 5.09e-2 4.10e-1 2.41e-1 SO2?4 Cl?＞＞Mg2+270 5.10e-1 2.94e-1 1.59e-1 3.96e-1 1.29e-1 3.85e-2 SO2?4 Mg2+＞Cl?＞360 2.28e-1 1.74e-1 1.44e-1 8.35e-2 5.66e-2 2.15e-2 SO2?4 Mg2+＞Cl?＞

從表7中可以看出，極差和方差分析結(jié)果有很好的相關(guān)性，能夠較好地評價Mg2+、Cl?和共存對水泥土強(qiáng)度的影響程度。根據(jù)極差和方差結(jié)果可知，Mg2+、Cl?和不同程度地影響了試塊的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間較短時，Cl?對試塊抗壓強(qiáng)度的影響最大，Mg2+次之，最弱；而當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間較長時，Mg2+對試塊抗壓強(qiáng)度的影響最大，Cl?次之，最弱。

綜上所述，Mg2+、Cl?和共存對水泥強(qiáng)度有較大的抑制作用，隨著離子含量的增加，試塊的強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著下降的趨勢。此外，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，不同可溶性鹽離子對試塊強(qiáng)度的影響程度不同；對試塊早期強(qiáng)度影響最大的是Cl?，Mg2+次之，最弱；對試塊中后期強(qiáng)度影響最大的是Mg2+，Cl?次之，最弱。

4 高含鹽水泥土微觀分析

可溶鹽離子通過影響水泥土的水化和離子交換過程、改變水泥土空間結(jié)構(gòu)分布來影響水泥土的力學(xué)特性，為了解可溶鹽離子與水泥土的微觀作用機(jī)理，借助環(huán)境掃描電鏡（ESEM）的手段，分別研究單離子和多離子作用下水泥土的水化和離子交換過程中其微觀結(jié)構(gòu)空間分布特征。

本次共選取5#、10#、15#、25#和27#試塊開展不同齡期（7，28，60，90，180，360 d）下的ESEM分析和X-射線衍射分析。由于文章篇幅限制，本次選取養(yǎng)護(hù)28 d試塊的ESEM（圖3）和XRD分析結(jié)果進(jìn)行分析（圖4）。

圖3 28 d試塊ESEM照片對比Fig.3 ESEM pictures of the cement-soils at 28 d curing ages

圖4 25#和27#試塊XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of cement-soil samples 25 and 27

從圖3中可以看出，原狀土是由大量的片層狀體排列成實(shí)體式基質(zhì)結(jié)構(gòu)，少量粒狀體分布在片層狀基質(zhì)中，多為“邊?面”和“邊?邊”的結(jié)合方式連結(jié)，構(gòu)成“黏土基質(zhì)結(jié)構(gòu)”。在不摻入任何可溶鹽的水泥土中（25#），片狀的黏土礦物被絮（網(wǎng)）狀和簇狀的物質(zhì)粘結(jié)起來，絮（網(wǎng)）狀和簇狀的物質(zhì)是水泥與軟土混合后發(fā)生水解和水化反應(yīng)生成的水化硅酸鈣（C-S-H）和水化鋁酸鈣（C-A-H）凝膠。此外，在28 d齡期時試塊表面有少量針棒狀的鈣礬石生成，零星地分布于顆粒表面和粒間孔隙中。這些微晶物質(zhì)含量的增多使土顆粒之間的聯(lián)結(jié)類型從接觸連結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z結(jié)連結(jié)，水泥土的孔隙變少，水泥土變密實(shí)，處理后的軟土強(qiáng)度會有較大的提高。

從僅摻入Mg2+的試塊（5#）的ESEM照片中可以看出，試塊表面分布有少量的絮（網(wǎng)）狀、簇狀的C-SH和C-A-H凝膠物，且有較明顯的孔隙和貫穿縫存在，縫隙間無纖維狀的水化產(chǎn)物或者針棒狀的鈣礬石生成。與25#試塊相比，Mg2+的摻入給水泥土的微觀結(jié)構(gòu)帶來了較大的影響。

從僅摻入Cl?的試塊（10#）的ESEM照片中可以看出，試塊表面同樣分布有微量的絮（網(wǎng)）狀、簇狀的CS-H和C-A-H凝膠物，左右兩側(cè)存在2條貫穿縫，試塊的骨架構(gòu)成疏松，水化產(chǎn)物數(shù)量較少，表面孔洞明顯。

當(dāng)同時摻入Mg2+、Cl?和時，在土-水-水泥-鹽離子體系中，黏土顆粒形態(tài)依然可見，幾乎無絮（網(wǎng)）狀、簇狀的C-S-H、C-A-H凝膠的生成，僅有極少量的針棒狀鈣礬石晶體的分布，顆粒之間的膠結(jié)不夠充分，試塊中存在較大孔隙。由此可見，Mg2+、Cl?和共存對水泥土的微觀組成特征有顯著的影響，使水泥土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能明顯降低。

從25#和27#試塊的XRD圖譜中也可以看出，27#試塊中C-S-H和C-A-H的峰值變?nèi)酰鳰-S-H和M-A-H出現(xiàn)明顯的峰值，但M-S-H與M-A-H的生成量較C-S-H和C-A-H要少，其分散于C-S-H和C-AH凝膠之中，使得C-S-H和C-A-H的膠凝性變差，從而降低水泥土的強(qiáng)度。

5 結(jié)論

（1）Mg2+、Cl?和對試塊的強(qiáng)度有不同程度的負(fù)面影響。對于單一離子作用時，試塊的強(qiáng)度隨著Mg2+和Cl?含量的增加而降低，而試塊的早期強(qiáng)度隨含量的增加先降低后增加，中后期強(qiáng)度隨含量的增加而降低。對于多種離子共同作用時，隨著Mg2+、Cl?和含量的增加，試塊的強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著下降的趨勢。

（2）針對不同齡期的試塊，不同可溶性鹽離子對試塊強(qiáng)度的影響程度不同。對試塊早期強(qiáng)度影響最大的是Cl-，Mg2+次之，最弱；對試塊中后期強(qiáng)度影響最大的是Mg2+，Cl?次之，最弱。

（3）可溶性鹽離子導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度降低的原因在于，可溶鹽離子參與反應(yīng)，消耗水泥土中C-S-H和CA-H凝膠，并生成大量的M-S-H、M-A-H、氯化鈣結(jié)晶、輕質(zhì)氯化鎂結(jié)晶和水化氯鋁酸鈣結(jié)晶，M-S-H和M-A-H分散于C-S-H和C-A-H凝膠中，降低水泥土的膠結(jié)力，結(jié)晶物質(zhì)的生成一定程度上提高水泥土的強(qiáng)度，而隨著晶體膨脹到一定程度時，膨脹力高于試塊的膠結(jié)力，進(jìn)而導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生，水泥土的強(qiáng)度下降。