氯鹽干濕循環(huán)耦合作用下水泥土的力學(xué)性能

張經(jīng)雙， 段雪雷， 吳倩云， 劉永翔， 夏香港

(1.安徽理工大學(xué) 礦山地下工程教育部工程研究中心, 安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

當(dāng)工程中遇到軟土地基時(shí)，一般采用水泥土攪拌樁進(jìn)行加固[1-2].由于水泥材料脆性較大，通常添加固化劑和纖維來(lái)改善水泥土攪拌樁的物理與力學(xué)性能[3-5].中國(guó)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，水泥土樁的結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題顯得更加突出[6-7].尤其是在鹽類侵蝕環(huán)境下，復(fù)合水泥土的內(nèi)部組成和微觀結(jié)構(gòu)均會(huì)發(fā)生變化，從而影響其物理參數(shù)[8-9]、力學(xué)性質(zhì)[10-11]和變形特征[12-13].查甫生等[11]將水泥固化鉛污染土放入NaCl溶液中進(jìn)行浸泡，發(fā)現(xiàn)NaCl溶液導(dǎo)致固化土內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，壓縮性增大，強(qiáng)度降低.吳燕開等[12]通過(guò)在土體中加入鋼渣粉和水泥固化劑，探究了固化土抵抗海水的侵蝕能力，發(fā)現(xiàn)鋼渣粉可以降低海水對(duì)固化土的侵蝕作用.另外，地下水位的升降、潮汐變化、降雨及暴曬均會(huì)對(duì)水泥土攪拌樁路基產(chǎn)生干濕交替作用，導(dǎo)致其產(chǎn)生類似“疲勞作用”的破壞[14].國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)干濕循環(huán)作用下土體及改良土體的損傷研究已取得一些成果[15-18].如任克彬等[15]開展了干濕循環(huán)作用下遺址粉土的三軸排水剪切試驗(yàn)，得到遺址粉土的黏聚力和變形模量隨干濕循環(huán)次數(shù)先增后減的結(jié)論.Helson等[16]進(jìn)行了固化土在干濕循環(huán)作用下的耐久性試驗(yàn)，并定義了水泥土中水泥的臨界閾值.

以往研究成果為改良土體在鹽類侵蝕和干濕循環(huán)單一作用機(jī)制方面奠定了良好的基礎(chǔ)，但中國(guó)西北鹽漬土地區(qū)和沿海地區(qū)修建的橋梁路基工程等實(shí)際工程建設(shè)中，水泥土常常同時(shí)遭受鹽類侵蝕和干濕循環(huán)破壞.因此，開展水泥土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和物相分析研究，避免以往單純從強(qiáng)度和物理參數(shù)變化分析的片面性，能夠?qū)λ嗤猎诼塞}和干濕循環(huán)環(huán)境下的力學(xué)性能進(jìn)行綜合評(píng)估.

本文以纖維改良水泥黏土為研究對(duì)象，進(jìn)行了氯鹽-干濕循環(huán)耦合作用下水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、超聲波檢測(cè)、掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)試驗(yàn)，分析了氯鹽-干濕耦合環(huán)境下水泥土試件的劣化參數(shù)和應(yīng)力-應(yīng)變曲線，揭示了水泥土在耦合作用下的力學(xué)性能演化規(guī)律，并闡述其微觀作用機(jī)制，以期為水泥土在復(fù)雜工程地質(zhì)環(huán)境下的應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料和配合比

黏土選用淮南某地區(qū)地下5m基坑土，重度為1.92kN/m3，天然含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的含量、水膠比等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比)為23.8%，液限為41.60%，塑限為22.00%，其顆粒級(jí)配如圖1所示.水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥.粉煤灰選用淮南平圩電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰，其主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3.纖維選用耐腐蝕的單絲聚丙烯纖維，直徑48μm，長(zhǎng)度12mm.堿激發(fā)劑Ca(OH)2選用天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)的分析純.水為實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水.按干土質(zhì)量15.0%、8.0%和0.4%分別摻入水泥、粉煤灰和聚丙烯纖維，水膠比取0.5[5]；按水泥土總質(zhì)量1.0%摻入堿激發(fā)劑Ca(OH)2.將以上原材料拌和均勻并采用分層擊實(shí)法，制作成尺寸為φ50×50mm的圓柱形試件.

圖1 黏土的顆粒級(jí)配

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期90d的水泥土試件進(jìn)行編號(hào)，其中將未浸泡的水泥土試件作為參照組，編號(hào)為NS，其他試件編號(hào)如表1所示.為減少試件制作差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用NM-4A非金屬聲波檢測(cè)儀進(jìn)行超聲波檢測(cè).干濕循環(huán)(DW)和氯鹽侵蝕試驗(yàn)分別參照ASTM D4843-88《Standard test method for wetting and drying test of solid wastes》和文獻(xiàn)[19]中的改進(jìn)方法，將養(yǎng)護(hù)完成的試件放入40℃的烘箱中烘干12h后取出，分別置于恒溫20℃ 的清水(W)、4.5g/L NaCl溶液(SC4.5)、18.0g/L NaCl溶液(SC18)和30.0g/L NaCl溶液(SC30)中浸泡12h，1次干濕循環(huán)時(shí)間為24h，如此進(jìn)行0、4、8、12、16、20、28次干濕循環(huán).達(dá)到設(shè)定干濕循環(huán)次數(shù)后，將在不同質(zhì)量濃度氯鹽溶液和清水浸泡下的試件取出，進(jìn)行拍照、稱重，再次進(jìn)行超聲波檢測(cè)，并采用WDW-20微機(jī)控制電子式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，采用位移加載方式，加載速率為1mm/min.同時(shí)針對(duì)部分試件采用S-3400N型掃描電鏡和SMARTLAB9KW型X射線衍射儀進(jìn)行SEM和XRD分析.

表1 水泥土試件編號(hào)

2 結(jié)果分析

2.1 氯鹽-干濕循環(huán)耦合作用對(duì)水泥土的劣化作用

2.1.1表觀劣化特征

圖2為水泥土試件在不同溶液和干濕循環(huán)耦合作用下的外觀形貌.水泥土為不均勻復(fù)合材料，其內(nèi)部存在微裂紋和孔洞等初始損傷.由圖2可見：在氯鹽-干濕循環(huán)耦合作用下，經(jīng)歷12次干濕循環(huán)時(shí)，水泥土試件表層裂紋不斷擴(kuò)大，少量水泥土微顆粒剝落，其表面由原來(lái)的相對(duì)光滑演變?yōu)榇植冢唤?jīng)歷20次干濕循環(huán)后，水泥土試件表面剝落更加嚴(yán)重，出現(xiàn)水泥土塊片狀脫落，是由于底部氯鹽溶液有些許沉淀，且上部溶液壓小于下部溶液壓，致使?jié)B入水泥土試件下部的溶液多于上部，試件有所膨脹，在脫水狀態(tài)下失水較多，產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)更加明顯；經(jīng)歷28次干濕循環(huán)后，水泥土試件呈現(xiàn)小塊狀脫落，表層幾乎全部剝落，結(jié)構(gòu)變得更加疏松；隨著氯鹽溶液質(zhì)量濃度的增加，水泥土表層發(fā)生破壞的時(shí)間有所提前，劣化程度愈發(fā)嚴(yán)重.

圖2 水泥土試件在不同溶液和干濕循環(huán)耦合作用下的外觀形貌

2.1.2質(zhì)量變化率和相對(duì)波速

為直觀反映氯鹽-干濕循環(huán)耦合作用下水泥土表皮脫落、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化等損傷情況，將質(zhì)量變化率Δw和相對(duì)波速vr作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，兩者計(jì)算表達(dá)式如下：

(1)

(2)

式中：w0、wn分別為水泥土試件的初始質(zhì)量和第n次干濕循環(huán)后的質(zhì)量，g；v0、vn分別為水泥土試件的初始波速和第n次干濕循環(huán)后的縱波波速，m/s.

氯鹽-干濕循環(huán)耦合作用下水泥土試件的質(zhì)量變化率、相對(duì)波速與干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系如圖3所示.由圖3可見：(1)水泥土試件在氯鹽-干濕循環(huán)耦合作用下質(zhì)量損失逐漸增大，且增速由慢到快；在各溶液浸泡下，試件質(zhì)量變化率隨干濕循環(huán)次數(shù)增加的規(guī)律基本一致；氯鹽質(zhì)量濃度越高，其外觀表皮脫落越多，質(zhì)量損失越大.(2)水泥土試件的相對(duì)波速隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，且下降速度逐漸減緩；隨著氯鹽質(zhì)量濃度的增加，試件相對(duì)波速的下降速度先慢后快.氯鹽侵蝕水泥土表皮，致使其脫落，干濕循環(huán)和氯鹽侵蝕交替進(jìn)行，加速鹽類侵蝕，致使試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松；同時(shí)隨著氯鹽質(zhì)量濃度的升高，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)侵蝕更加嚴(yán)重.

圖3 水泥土試件的質(zhì)量變化率、相對(duì)波速與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

2.2 水泥土在氯鹽-干濕耦合作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2.1應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4為水泥土試件NS和W-DW4的應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線.由圖4可以看出，干濕循環(huán)作用下水泥土試件W-DW4的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與未浸泡試件NS相似，分為壓密階段、彈塑性階段、破壞階段和殘余階段.其他各組試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試件W-DW4基本相同.

圖4 不同溶液下水泥土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對(duì)在不同溶液和干濕循環(huán)耦合作用下的水泥土試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，得到其應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖5所示.圖5中水泥土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線各階段特征為：

圖5 不同溶液和干濕循環(huán)耦合作用下水泥土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(1)壓密階段 從受荷開始到15%～30%破壞荷載時(shí)為壓密階段.該階段水泥土試件內(nèi)部的孔隙逐漸壓密，應(yīng)力-應(yīng)變曲線相對(duì)平緩，曲線斜率可以近似反映水泥土內(nèi)部孔隙變化狀況.結(jié)合圖4(a)可知，水泥土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率較大，且應(yīng)變較小，為0.062～0.084，而在氯鹽溶液和干濕循環(huán)耦合作用下，水泥土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率隨著氯鹽溶液質(zhì)量濃度和干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸變小，且應(yīng)變整體大于未浸泡試件.

(2)彈塑性階段 從壓密階段結(jié)束到70%～80%破壞荷載時(shí)水泥土進(jìn)入為彈塑性階段.該階段應(yīng)力-應(yīng)變近似呈線性關(guān)系，水泥土試件內(nèi)部孔隙和裂縫穩(wěn)定發(fā)育、擴(kuò)展.與未浸泡的水泥土試件相比，在清水和氯鹽溶液中的水泥土試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率均出現(xiàn)不同程度的減小趨勢(shì)，且應(yīng)變?cè)龃?0%～70%；與清水相比，相同應(yīng)力條件下，氯鹽浸泡的水泥土試件峰值應(yīng)變略微增大.表明氯鹽溶液進(jìn)入水泥土內(nèi)部，軟化侵蝕其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，變形增大.

(3)破壞階段 當(dāng)軸向荷載增大至80%～100%破壞荷載時(shí)，水泥土試件逐漸擴(kuò)展并形成貫通裂縫，該階段應(yīng)變?cè)黾?.02～0.04，而應(yīng)力下降30%～50%.隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，復(fù)合水泥土破壞下降速率趨緩，表明NaCl溶液進(jìn)入水泥土內(nèi)部并與水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)和離子交換反應(yīng)，析出氯鹽結(jié)晶，增大了密實(shí)度，減緩了破壞下降速率.

(4)殘余階段 應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段拐點(diǎn)之后，當(dāng)應(yīng)變?cè)鲋?.08～0.12時(shí)，水泥土試件在清水、4.5、18.0、30.0g/L NaCl溶液中的應(yīng)力基本保持不變，表明在氯鹽-干濕循環(huán)耦合作用下，水泥土試件破壞后仍存在殘余應(yīng)力.在不同溶液浸泡下，水泥土試件的殘余應(yīng)力相差不大，為其峰值應(yīng)力的20%～40%.

2.2.2峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力

圖6分別為水泥土試件在清水、4.5、18.0、30.0g/L NaCl溶液下的峰值應(yīng)力(σu)和殘余應(yīng)力(σcr)隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線.由圖6可以看出：不同溶液浸泡下水泥土試件的峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減??；其關(guān)系曲線隨著循環(huán)次數(shù)的增加而趨于平緩；采用指數(shù)函數(shù)關(guān)系模型能夠較好地描述氯鹽-干濕循環(huán)耦合作用下水泥土的峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力變化規(guī)律.由圖6還可見：(1)干濕循環(huán)前，水泥土試件的峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力分別為4.94、2.01MPa；28次干濕循環(huán)后，在清水、4.5、18.0、30.0g/L NaCl溶液中水泥土的峰值應(yīng)力與殘余應(yīng)力分別下降48.79%和57.71%、52.63%和48.76%、56.88%和59.70%、57.89%和57.71%.(2)隨著氯鹽質(zhì)量濃度的增加，水泥土試件的峰值應(yīng)力逐漸下降，而殘余應(yīng)力并無(wú)明顯降低.原因在于水泥土經(jīng)歷干濕循環(huán)后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生干縮濕脹現(xiàn)象，引起內(nèi)部薄弱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中，誘發(fā)內(nèi)部微裂紋不斷發(fā)育、擴(kuò)展，溶液沿著裂縫進(jìn)入內(nèi)部，溶蝕礦物顆粒[18]；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，水泥土內(nèi)部的礦物顆粒流失逐漸增多，土骨架承受能力逐漸減弱，從而導(dǎo)致其峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力逐漸降低.

圖6 水泥土試件峰值應(yīng)力、殘余應(yīng)力與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系

2.2.3變形模量

在無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作用下，氯鹽-干濕循環(huán)耦合作用會(huì)直接影響水泥土的變形能力.引入變形模量E50(MPa)來(lái)衡量水泥土在復(fù)雜環(huán)境下的變形特征，其計(jì)算表達(dá)式為：

(3)

式中：ε為水泥土50%峰值應(yīng)力時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變.

圖7為水泥土試件變形模量與干濕循環(huán)次數(shù)、峰值應(yīng)力的關(guān)系.

圖7 水泥土試件變形模量與干濕循環(huán)次數(shù)、峰值應(yīng)力的關(guān)系

由圖7可以看出：(1)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同溶液下水泥土試件的變形模量逐漸減小，經(jīng)歷4次干濕循環(huán)時(shí)，水泥土試件在清水、4.5、18.0、30.0g/L NaCl溶液中的變形模量值分別下降19.24%、22.38%、27.18%和34.11%；經(jīng)歷4～20次干濕循環(huán)，水泥土試件的變形模量呈波動(dòng)式下降，下降速度逐漸減緩；經(jīng)歷28次干濕循環(huán)后，水泥土試件的變形模量在清水中趨向平緩，與干濕循環(huán)前相比，在4.5、18.0、30.0g/L NaCl溶液中呈線性下降，其變形模量值分別下降了49.33%、54.37%、57.50%和65.67%.原因在于水泥土脫濕時(shí)表面失水率高于內(nèi)部失水率，在其內(nèi)外部形成含水差，表面收縮變形大于內(nèi)部，誘發(fā)內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，脫濕之后的增濕吸水沿著裂縫繼續(xù)侵蝕內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生不可修復(fù)變形[18]，多次反復(fù)作用使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸破壞，變形逐漸增大.由圖7還可知，氯鹽-干濕耦合作用下水泥土試件基本滿足E50=18σu～27σu，可以反映氯鹽侵蝕和干濕循環(huán)耦合作用下水泥土試件強(qiáng)度與彈塑性變形之間的關(guān)系.

2.3 氯鹽-干濕循環(huán)作用下水泥土微觀結(jié)構(gòu)特征

氯鹽-干濕循環(huán)耦合作用導(dǎo)致水泥土試件外觀形貌侵蝕剝落、宏觀強(qiáng)度衰減，改變了水泥土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分.圖8、9分別為氯鹽-干濕循環(huán)前和不同溶液下水泥土試件經(jīng)歷28次干濕循環(huán)后的SEM照片和XRD圖譜.由圖8、9可知，未浸泡試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)裂紋和孔隙較少，原因在于經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)120d時(shí)，水泥土內(nèi)部水化反應(yīng)幾乎完成，生成了較多的C-S-H凝膠物質(zhì)和鈣礬石(AFt)，填充于內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，使其更加致密.在清水浸泡下，水泥土內(nèi)部產(chǎn)生許多孔隙和裂縫，內(nèi)部顆粒表面坑槽增多，且土體的破碎程度增加，出現(xiàn)團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)并趨向疏松，原因在于飽水和干濕作用下，自由水分子沿著水泥土內(nèi)部的纖維、微裂紋及微孔隙滲入其內(nèi)部，逐漸溶蝕內(nèi)部的礦物顆粒，水解內(nèi)部的膠結(jié)物質(zhì)，多次干濕作用后，水泥土內(nèi)部孔隙和裂紋逐漸貫通為裂縫，增濕飽和后，裂縫中的水帶走溶解物質(zhì)，致使內(nèi)部裂縫逐漸增大.在氯鹽溶液浸泡作用下，水泥土試件內(nèi)部在4.5g/L NaCl溶液中出現(xiàn)大量片狀晶體結(jié)構(gòu)Friedel鹽，隨著氯鹽質(zhì)量濃度的增高，內(nèi)部裂縫逐漸變寬，孔隙逐漸增大，結(jié)構(gòu)更加松散.原因在于氯鹽溶液中的Cl-有著較強(qiáng)的滲透性[20]，與水泥土內(nèi)存在的C3A生成了Friedel鹽，減少了AFt的生成[21]，且溶液中的Cl-可滲透進(jìn)入水泥土基體中，吸附在內(nèi)部生成的AFt上，削弱了水化產(chǎn)物的膠結(jié)能力[22]；同時(shí)溶液中的Na+加強(qiáng)了土體顆粒表面的雙電層，弱化了土顆粒結(jié)構(gòu)之間的黏結(jié)力[11]，從而降低宏觀強(qiáng)度和增大變形.上述微觀分析結(jié)果與氯鹽-干濕循環(huán)耦合作用下水泥土宏觀力學(xué)性能的規(guī)律基本一致.

圖8 氯鹽-干濕循環(huán)作用下水泥土試樣的SEM照片

圖9 氯鹽-干濕循環(huán)下水泥土試樣的XRD圖譜

3 結(jié)論

(1)在氯鹽-干濕循環(huán)耦合作用下，水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在壓密階段、彈塑性階段、破壞階段和殘余階段；隨著氯鹽質(zhì)量濃度和干濕循環(huán)次數(shù)的增加，水泥土試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線階段的斜率逐漸減小而應(yīng)變逐漸增大，且經(jīng)歷28次干濕循環(huán)后，在清水、4.5、18.0、30.0g/L NaCl溶液中水泥土的峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力分別下降48.79%和57.71%、52.63%和48.76%、56.88%和59.70%、57.89%和57.71%，水泥土破壞后的殘余應(yīng)力為峰值應(yīng)力的20%～40%.氯鹽浸泡對(duì)水泥土的峰值應(yīng)力有劣化效應(yīng)，而對(duì)殘余應(yīng)力的影響不明顯，峰值應(yīng)力、殘余應(yīng)力與干濕循環(huán)次數(shù)近似呈指數(shù)函數(shù)下降關(guān)系.

(2)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，水泥土變形模量逐漸減小.與干濕循環(huán)前相比，經(jīng)歷28次干濕循環(huán)后，水泥土的變形模量在清水、4.5、18.0、30.0g/L NaCl溶液中分別下降了49.33%、54.37%、57.50%和65.67%.

(3)氯鹽-干濕循環(huán)耦合作用改變了水泥土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，在清水與氯鹽溶液浸泡下，水泥土內(nèi)部膠結(jié)物質(zhì)溶蝕流失，內(nèi)部礦物反應(yīng)生成易溶物質(zhì)，誘發(fā)了裂紋和孔隙的擴(kuò)展、貫通，導(dǎo)致其宏觀強(qiáng)度降低、變形增大.