凍融-硫酸鹽腐蝕循環(huán)作用下水泥穩(wěn)定土的損傷情況

張一奔

(河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院工程經(jīng)濟學(xué)院，鄭州 450000)

鹽漬土是一種物理化學(xué)性質(zhì)特殊的土體，廣泛分布在我國西北平原地區(qū)，是該地區(qū)常見的路基材料[1]。鹽漬土的形成與土層孔隙溶液在滲流過程中積累的鹽分有重要關(guān)聯(lián)，在含鹽孔隙液的影響下，土壤中的硫酸鹽含量顯著提高，形成了鹽漬土這種特殊土體[2]。此外，受西北地區(qū)極端嚴(yán)寒氣候的影響，凍融和鹽鹵的腐蝕作用會對鹽漬土材料形成耦合效應(yīng)，嚴(yán)重危害土壤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[3]。鹽漬土是路基填料的安全隱患之一，腐蝕程度與其物理化學(xué)性質(zhì)和賦存條件均有密切關(guān)系[4]。當(dāng)前，國內(nèi)外大量學(xué)者對鹽-凍腐蝕條件下土壤的損傷特征開展了研究，發(fā)現(xiàn)土壤的腐蝕往往由表層向內(nèi)部逐漸滲透和發(fā)展，最終使土壤內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)與礦物組成發(fā)生變異，大幅削弱土壤的工程性能[5-6]。

水泥攪拌固化法是對土壤填料進行加固的一種常見方法，利用水泥的水化反應(yīng)，養(yǎng)護后在土料中生成大量水化硅酸鈣，使固化后復(fù)合材料的性能滿足工程要求[7]。然而作為一種多孔材料，長期潛伏于地下的水泥土容易受到硫酸鹽腐蝕的影響[8]。凍融循環(huán)的作用又進一步加劇了材料的腐蝕，引發(fā)公路工程的翻漿、冒泥和過大沉降等病害，造成巨大的經(jīng)濟損失和安全隱患[9]。同時，在硫酸鹽和凍融效應(yīng)的作用下，水泥土的微觀結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)較大變異，進一步降低工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性[10]?；诖?，一些學(xué)者采用一系列試驗分析研究了路基填料中鹽漬土的物理特性與腐蝕效應(yīng)的關(guān)系。楊保存等研究了凍脹與鹽脹共同作用下，水泥土路基填料的變形和沉降特征，得出自由水凍結(jié)與硫酸鹽化學(xué)腐蝕是水泥土發(fā)生體積變化和開裂的本質(zhì)原因[11]。張靈通等[12]研究了路基填料(水泥土)，結(jié)果表明路基不均勻變形的主要誘因是鹽-凍作用使填料出現(xiàn)疏松與破碎變形。賈景超等開展了不同硫酸鹽濃度下水泥土試樣的室內(nèi)無側(cè)限壓縮測試，得到了水泥強度指標(biāo)與硫酸鹽濃度的定量關(guān)系[13]?，F(xiàn)有的文獻多只側(cè)重于評價硫酸鹽和凍融循環(huán)對水泥土強度與變形特征的影響，鮮見結(jié)合物化特征與強度指標(biāo)的綜合研究，且從細微觀角度揭示硫酸鹽與凍融耦合效應(yīng)本質(zhì)機理的分析還有待于深入[14]。

本工作以水泥摻量為5%(質(zhì)量分數(shù)，下同)的改性鹽漬土為對象，研究了硫酸鹽與凍融循環(huán)共同作用下材料的質(zhì)量損失和強度衰減程度，隨后開展了礦物分析和壓汞測試，以期得到硫酸鹽與凍融循環(huán)耦合作用下，水泥改性鹽漬土工程的性能變異規(guī)律，為西北地區(qū)鹽漬土路基的設(shè)計和施工提供理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗原材料

鹽漬土散土樣取自甘肅省中部地區(qū)，為典型粉質(zhì)黏土。散土樣為褐色，含有大量黏粒與粉粒，通過X射線衍射分析，得到粉質(zhì)黏土的主要礦物成分如表1所示，其中石英與高嶺石含量最高，均超過了20%(質(zhì)量分數(shù))。現(xiàn)場測得土體含水率為17.22%，天然密度為2.09 g/cm3，滲透系數(shù)為1.208×10-6cm/s。對粉質(zhì)黏土的顆粒尺寸進行分析，得到的級配曲線如圖1所示。由圖1可見：該土樣中的顆粒級配較差，曲率系數(shù)為1.32，不均勻系數(shù)達到2.75。

表1 土樣的主要礦物成分Tab. 1 Main mineral composition of the soil sample %

利用硅酸鹽水泥熟料進行水泥土的拌和，水泥標(biāo)號為P. O. 42.5級，水泥顆粒的比表面積為324.9 m2/kg，養(yǎng)護28 d的單軸抗壓強度為43.19 MPa。

采用普通自來水?dāng)嚢杷嗯c散土，在試驗過程中，向自來水中添加0.5%(質(zhì)量分數(shù))減水劑以降低漿料的需水量。

圖1 粉質(zhì)黏土的顆粒級配曲線Fig. 1 The grading curve of silty clay soil

1.2 試樣

試驗采用自制硅酸鹽水泥摻量為5%(質(zhì)量分數(shù)，下同)的改性鹽漬土樣。制備前先烘干散土，然后向散土中摻入5%水泥并人工干拌，在混合料中倒入自來水(水與固相顆粒的質(zhì)量比為0.25)，用水泥漿料攪拌機充分拌和后，將漿料倒入模具中，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護環(huán)境中養(yǎng)護2 d，脫模后再進行28 d養(yǎng)護。本工作所用試樣形狀為圓柱體，表面腐蝕試驗用試樣直徑61.8 mm，高20 mm；單軸壓縮試驗用試樣直徑39.1 mm，高80 mm。

采用3%(質(zhì)量分數(shù))Na2SO4溶液對試樣進行凍融和腐蝕的循環(huán)處理，處理方法如下：室溫條件下將水泥土試樣置于Na2SO4溶液中浸泡2 h，隨后置于低溫箱(溫度設(shè)為-20 ℃)中凍結(jié)12 h，之后再將水泥土試樣置于Na2SO4溶液中解凍(溫度為室溫)，此為一次循環(huán)。本工作對試樣進行0～60次循環(huán)處理，取經(jīng)過0、2、4、8和12個循環(huán)周期后的試樣進行性能表征。

1.3 試驗方法

采用普通數(shù)碼相機記錄經(jīng)過不同次數(shù)凍融-硫酸鹽腐蝕循環(huán)后水泥土試樣(下文簡稱試樣)的表面形貌；采用X射線衍射分析試樣的化學(xué)成分；采用液壓控制式萬能測試機進行單軸抗壓強度測試(剪切速率為0.025 MPa/s)；采用壓汞試驗測定試樣的孔徑分布特點，每個循環(huán)周期下取三個平行試樣，標(biāo)記為1號，2號和三號；采用掃描電子顯微鏡觀察試樣的微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀腐蝕形貌

由圖2可見：凍融-腐蝕循環(huán)處理后，試樣的表面形貌發(fā)生了顯著變化。原始試樣表面較平整和光滑，沒有出現(xiàn)大的孔隙和裂隙；經(jīng)過2次循環(huán)處理后，試樣表面出現(xiàn)白色的斑點腐蝕物，礦物化學(xué)分析顯示此為鈣質(zhì)硫酸鹽化合物[15]；經(jīng)過4次循環(huán)處理之后，試樣表面的腐蝕斑點數(shù)量明顯增多；經(jīng)過8次循環(huán)處理后，試樣表面覆蓋的腐蝕物繼續(xù)增多；經(jīng)過12次循環(huán)處理后，腐蝕物幾乎覆蓋整個試樣外表面，呈聚集狀。宏觀腐蝕形貌觀察結(jié)果表明，在凍融和硫酸鹽腐蝕的耦合作用下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣表面腐蝕物增多，腐蝕加劇。

(a) N=0 (b) N=2 (c) N=4 (d) N=8 (e) N=12圖2 經(jīng)過不同次數(shù)凍融-腐蝕循環(huán)后，試樣的表面宏觀形貌Fig. 2 Surface macromorphology of samples after different freeze-thaw-corrosion cycles

2.2 化學(xué)成分

由圖3可見：原始試樣中含有大量Ca4Al2O7·19H2O和Ca(OH)2，即針狀鈣礬石等礦物的含量相對較高[16]，在凍融-硫酸鹽腐蝕的循環(huán)作用下，鈣礬石大量分解，Ca(OH)2含量減少。此外，隨著凍融-硫酸鹽腐蝕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的Ca(OH)2衍射峰值逐漸降低，即Ca(OH)2含量隨腐蝕程度增加而持續(xù)下降。推斷Na2SO4溶液中的SO42-與水泥土中的Ca(OH)2發(fā)生了離子交換，見式(1)[17]。

2OH-

(1)

圖3 經(jīng)過不同次數(shù)凍融-腐蝕循環(huán)后，試樣的礦物成分分析結(jié)果Fig. 3 Mineral composition analysis results of samples after different freeze-thaw-corrosion cycles

2.3 力學(xué)性能

由圖4可見：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈典型的應(yīng)變軟化特點，且破壞呈脆性特征。由圖4還可見：試樣的破壞經(jīng)過了初始壓密階段、彈性變形階段與脆性破壞階段。初始壓密時，軸向應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增大，彈性變形時，應(yīng)力與應(yīng)變呈直線上升；脆性破壞時，應(yīng)力發(fā)生突變，且向下跌落。

圖4 經(jīng)過不同次數(shù)凍融-腐蝕循環(huán)后，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig .4 Stress-strain curves of the samples after different freeze-thaw-corrosion cycles

以試樣的峰值應(yīng)力作為水泥土的無側(cè)限抗壓強度(UCS)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線直線段的斜率作為彈性模量E，二者是反映材料承載性能與彈性變形能力的強度指標(biāo)。由圖5可見：經(jīng)過0～2次循環(huán)后，試樣的強度指標(biāo)大幅下降，而經(jīng)過8次循環(huán)后，無側(cè)限抗壓強度與彈性模量幾乎保持不變。

圖5 經(jīng)過不同次數(shù)凍融-腐蝕循環(huán)后，試樣強度指標(biāo)的變化情況Fig .5 Change of strength indexes of samples after different freeze-thaw-corrosion cycles

2.4 孔徑分布

單位質(zhì)量孔隙體積可以表征水泥土內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的損傷程度， 故采用壓汞測試計算經(jīng)過不同次數(shù)循環(huán)后試樣的單位質(zhì)量孔隙體積Va。由圖6可見：試樣的孔徑呈“單峰”分布，且曲線峰值隨循環(huán)次數(shù)增加逐漸上升。這說明凍融-硫酸鹽腐蝕對試樣孔隙結(jié)構(gòu)有顯著影響，且影響了孔徑分布特點。根據(jù)孔徑分布曲線，以水泥土孔徑d為指標(biāo)，將孔隙劃分為小孔隙(0～1 μm)、中孔隙(1～10 μm)與大孔隙(10～200 μm)。

由孔徑分布特征獲得的小孔隙、中孔隙和大孔隙的體積分布如圖7所示?？梢钥闯?，受凍融與硫酸鹽腐蝕的耦合作用，試樣的損傷較為顯著。小孔隙、中孔隙和大孔隙的累積體積均隨循環(huán)次數(shù)增加呈升高的趨勢，且大孔隙體積的上升幅度尤其明顯。凍融和腐蝕作用擴大了試樣內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，且對大孔隙的影響最為明顯。

(a) N=0 (b) N=2 (c) N=4

(d) N=8 (e) N=12圖6 經(jīng)過不同次數(shù)凍融-腐蝕循環(huán)后，試樣的孔徑分布曲線Fig .6 The pore size distribution curves of the samples after different freeze-thaw-corrosion cycles

圖7 不同尺寸孔隙的分布直方圖Fig. 7 Histogram of pore distribution with different sizes

2.5 討論

2.5.1 力學(xué)性能與孔隙體積的關(guān)系

圖8所示為試樣微觀結(jié)構(gòu)(Va)與強度指標(biāo)(UCS)的關(guān)系。可以看出，隨著試樣Va的增加，其強度呈典型的線性下降趨勢，這表明微觀結(jié)構(gòu)的損傷程度對水泥土的強度有明顯影響，且孔隙指標(biāo)與強度指標(biāo)的相關(guān)性較強?；诖?，本工作可以根據(jù)孔隙的分布特征來近似預(yù)測強度在凍融-硫酸鹽腐蝕循環(huán)效應(yīng)下的變化特征和規(guī)律。

圖8 試樣強度與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系Fig. 8 Relationship between strength and microstructure of the samples

2.5.2 水泥土的腐蝕損傷機理

由圖9可見：原始試樣內(nèi)部較為密實，不存在裂隙；經(jīng)過4次凍融和腐蝕循環(huán)后，試樣內(nèi)部開始出現(xiàn)微裂隙，且微裂隙的形狀多為不規(guī)則多邊形，說明硫酸鹽溶液的滲入造成土體結(jié)構(gòu)的劣化；經(jīng)過12次循環(huán)后，試樣內(nèi)部的裂隙貫通和延伸，形成了連通性較好的長裂隙。SEM觀察結(jié)果表明，硫酸鹽和凍融的耦合作用引起了試樣微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變異，裂隙分布改變。究其原因，主要是水泥土內(nèi)部的水泥水化物受腐蝕作用后分解流失，同時由于凍融過程中產(chǎn)生的凍脹力擴張了裂隙，促進了裂隙的連通。硫酸鹽腐蝕和凍融兩種效應(yīng)耦合作用在材料內(nèi)部時，裂隙體積逐漸擴大，使得土顆粒之間的密實程度下降，導(dǎo)致強度性能隨之衰減[16-18]。綜上，在凍融與硫酸鹽腐蝕循環(huán)的耦合效應(yīng)下，試樣宏觀力學(xué)性能劣化的根本原因是其微結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕損傷。

(a) N=0 (b) N=4 (c) N=12圖9 經(jīng)過不同次數(shù)凍融-腐蝕循環(huán)后，試樣的SEM形貌Fig. 9 SEM morphology of samples after different freeze-thaw-corrosion cycles

3 結(jié)論

(1) 隨著凍融-腐蝕循環(huán)次數(shù)的增加，溶液與水泥土中的離子發(fā)生反應(yīng)引起水泥水化物的溶解，導(dǎo)致水泥土表面覆蓋的腐蝕物逐漸增加。

(2) 水泥土的彈性模量和無側(cè)限抗壓強度隨循環(huán)次數(shù)增加而逐漸下降，且經(jīng)過0～2次循環(huán)后的變化最為顯著。另外，腐蝕和凍融的作用導(dǎo)致水泥土內(nèi)部孔隙體積增加，水泥土的強度指標(biāo)與單位孔隙體積存在良好的線性關(guān)系，即微觀結(jié)構(gòu)的變化會影響力學(xué)性能。水泥土在凍融與硫酸鹽腐蝕循環(huán)耦合效應(yīng)下表現(xiàn)出的力學(xué)性能劣化的根本原因是其微結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷。