硫酸鈉-干濕-凍融共同作用對水泥土性能的影響

劉慕宸， 崔自治， 宋鑫

(寧夏大學土木與水利工程學院， 銀川 750021)

水泥土是在原來松散或者經(jīng)過粉碎的土中，將適量水、水泥、其他組分(如粉煤灰、礦渣等)摻入，經(jīng)拌和、壓實和養(yǎng)護后形成的混合料[1-2]。因其具備節(jié)能環(huán)保、價格低廉、來源廣泛等優(yōu)點，目前在防滲護坡、地基基礎(chǔ)等被大量使用。譬如在交通工程中作為基礎(chǔ)穩(wěn)定層材料在加固軟土地基及路面墊層中應(yīng)用，在水利工程中作為防滲護坡材料被應(yīng)用于邊坡支護及壩體防滲[3-4]。

寧夏回族自治區(qū)境內(nèi)鹽湖數(shù)目眾多，知名的海原鹽湖就坐落在寧夏海原縣西北部[5-6]。同時硫酸鹽也是一種工業(yè)生產(chǎn)中的常見物質(zhì)，因而寧夏的土壤中硫酸鹽含量偏高。在鹽類腐蝕下，水泥土的理化特征、力學性能等均會發(fā)生一定改變[7-9]。寧夏位于黃土高原、蒙古高原、青藏高原的交匯地帶，地處西北內(nèi)陸干旱半干旱地區(qū)，年平均降水量僅166.9～647.3 mm，年平均蒸發(fā)量卻達1 312.0～2 204.0 mm，區(qū)內(nèi)氣候干燥且蒸發(fā)強烈，在雨季時土體時常處于干濕交替狀態(tài)[10-11]。同時寧夏屬季節(jié)性凍土區(qū)，大部分地區(qū)晝夜溫差可達12～15 ℃，夏季高溫可達36 ℃左右，冬季極端低溫在-22 ℃以下。因此該地區(qū)的水泥土樁基會受到鹽類腐蝕、干濕循環(huán)和凍融循環(huán)的共同作用[12]。

徐麗娜等[13]研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用下土的性質(zhì)對水泥土力學性質(zhì)及破壞狀態(tài)具有重要的影響。水泥土的無側(cè)限抗壓強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸下降。牛雷等[14]試驗結(jié)果表明:玉米秸稈纖維和玄武巖纖維均能增強水泥土延性，提高其強度，兩種纖維水泥土強度均呈現(xiàn)先增大后減小的特點。王鐵行等[15]認為動強度指標劣化度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加先增大再減小甚至出現(xiàn)負值，不同干濕循環(huán)幅度的臨界干濕循環(huán)次數(shù)不同。嚴浩然等[16]發(fā)現(xiàn)在凍融環(huán)境下，納米黏土在凍融循環(huán)初期對濱海水泥土微觀結(jié)構(gòu)的改性效果好，通過概率密度函數(shù)分布可知納米黏土抑制了濱海水泥土超大孔隙發(fā)育。牛雷等[17]認為齡期和振搗時間的增加或者土的天然含水量的減少能夠提高纖維水泥土抗壓強度，摻入纖維的水泥土在低溫水養(yǎng)條件下28 d無側(cè)限抗壓強度依舊會提高。周海龍等[18]認為破壞形態(tài)、破壞應(yīng)變受高徑比與水泥摻量的影響很大，變形模量與無側(cè)抗壓強度基本滿足線性關(guān)系。宋鑫等[19]研究發(fā)現(xiàn)強度隨干濕循環(huán)次數(shù)呈指數(shù)函數(shù)下降，硫酸鹽的劣化作用較氯鹽更為顯著,且硫酸鹽的劣化作用隨其濃度的升高而增強。

壓實度和水泥摻量是影響水泥土性能的重要參數(shù)，研究它們和水泥土耐久性、強度之間的關(guān)系，能夠為工程現(xiàn)場施工提供經(jīng)濟方案思路。同時，以往研究多注重于改善水泥土樁基在鹽類腐蝕、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)單一條件下的性能并取得了一定的進展。但實際工程中的水泥土往往受到這3種因素共同作用?，F(xiàn)以水泥土的形貌特征、質(zhì)量、波速、峰值強度、殘余強度、電阻率、含鹽量等為研究對象，總結(jié)多重因素共同作用下水泥土劣化規(guī)律，并分析作用機理，以期為復(fù)雜環(huán)境下水泥土材料的應(yīng)用提供理論支撐，對中國寧夏鹽堿地區(qū)水泥黃土工程干濕-凍融循環(huán)損害評價及防治具有一定意義。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

受取樣、運輸和保管條件限制，試驗選用寧夏同心地區(qū)黃土，取樣后進行含水率、擊實、液塑限等試驗，以測定其物理性質(zhì)，結(jié)果如表1所示。對試驗黃土進行顆粒篩分試驗，黃土粒徑分布表見表2。試驗用水為蒸餾水，水泥選用寧夏賽馬P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其主要成分如表3所示，其物理性能指標如表4所示，硫酸鈉選取天津致遠公司生產(chǎn)的分析純級無水硫酸鈉。

表1 寧夏同心黃土物理性質(zhì)

表2 寧夏同心地區(qū)黃土粒徑分布表

表3 水泥的主要成分

表4 水泥的物理性能指標

1.2 水泥土試樣制作

首先，將原狀黃土將經(jīng)過烘干，置于橡膠墊上用木槌搗碎，然后過0.25 mm孔徑的篩進行篩分，將水泥加入黃土進行干拌，直到顏色均勻一致，然后再加入水，使用砂漿攪拌機進行攪拌以保證能混合均勻，結(jié)合寧夏地區(qū)水泥土攪拌樁施工工程實例和《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ/T 233—2011)[20]設(shè)置對應(yīng)壓實度和水泥摻量如表5所示，各組硫酸鈉溶液的濃度見表6。制樣時選擇最優(yōu)含水率，選取相對應(yīng)配合比的水泥和水，將黃土、水泥和水攪拌均勻后采用分層壓樣法分為5層壓實成樣，水泥土試樣規(guī)格為直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱體。成樣后先在橡膠模及保鮮膜中養(yǎng)護2 d，期滿后將其移至20 ℃純凈水中養(yǎng)護至28 d，在養(yǎng)護時注意浸泡的高度要高于試樣的高度。

表5 各組的壓實度和水泥摻量

表6 各組硫酸鈉溶液的濃度

1.3 試驗方法

此試驗參照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[21]進行，參照中國西北地區(qū)自然環(huán)境，季節(jié)性氣候和晝夜溫差變化，結(jié)合實驗具體要求，首先將養(yǎng)護齡期達28 d的水泥土試樣參照寧夏地區(qū)夏季最高溫在40 ℃烘箱中烘干，再進行真空飽和濕潤后在清水和不同濃度溶液浸泡12 h，為一次干濕循環(huán)。緊接著參照冬季最低溫在-20 ℃恒溫冷凍箱中凍結(jié)12 h，最后置于20 ℃條件下融化12 h，為一次凍融循環(huán)。設(shè)置一次干濕-凍融大循環(huán)時間為48 h。在達到設(shè)定的干濕-凍融循環(huán)次數(shù)(0、4、8、12、16、20、24)后，將試樣取出拍照、稱重，DJUS-05非金屬超聲波儀測定波速，HPS2512直流低電阻測試儀測定電阻率，TSZ-2(1T)全自動三軸儀測定水泥土無側(cè)限抗壓強度，加載按位移控制，設(shè)定速率0.6 mm/min，在軸向應(yīng)變達20%立即終止實驗。在第24次循環(huán)結(jié)束時使用DDBJ-350電導(dǎo)率儀進行含鹽量測定。

每個試樣設(shè)3個平行樣本，以3個試件測值算術(shù)平均值作為該試樣的試驗值。當3個測值的最大值或最小值有一個與中間值之差絕對值超過中間值的15%，取中間值作為該試件的試驗值；若兩個測值與中間值差值絕對值超過中間值的15%，則結(jié)果無效，重新試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 壓實度和水泥摻量對試樣性質(zhì)的影響

2.1.1 對質(zhì)量的影響

壓實度和水泥摻量對質(zhì)量的影響見圖1。因為壓實度只有3個值，未做散點圖擬合處理?？梢缘贸?，質(zhì)量和壓實度呈線性增長關(guān)系，根據(jù)壓實度定義式，即

圖1 質(zhì)量與壓實度、水泥摻量的關(guān)系

λ=ρ/ρd

(1)

式(1)中：λ為壓實度；ρ為密度；ρd為最大干密度。

可以得

m=λρdV

(2)

式(2)中：m為質(zhì)量；V為體積。即試樣規(guī)格一致時，質(zhì)量與壓實度成正比。而水泥摻量越大，由于硅酸鹽水泥密度大于黃土密度，同時水化反應(yīng)生成了密實的水化產(chǎn)物和結(jié)合水，因而試樣的初始質(zhì)量越大，且近似和水泥摻量(12%～24%)成線性關(guān)系。

2.1.2 對波速的影響

圖2所示為波速與壓實度、水泥摻量的關(guān)系。

圖2 波速與壓實度、水泥摻量的關(guān)系

可以看出，隨著壓實度增大，水泥土波速也隨之增大，因為聲音在固體中傳播速度遠大于空氣中傳播速度。若水泥土試樣的壓實度大則其孔隙度小，結(jié)構(gòu)中空氣就越少，波速也就越大。但是隨著壓實度增大，對于波速增加不再那么明顯。

隨著水泥摻量的提升，波速也隨之增大。一方面是水泥硬化漿體的波速要遠大于在黃土中的波速，另一方面是隨著水泥摻量的增大，生成了更多水化硅酸鈣凝膠和結(jié)晶化合物，使土體顆粒結(jié)合更加緊密，振動傳遞時能量損耗降低。

2.1.3 對峰值強度和殘余強度的影響

峰值強度是應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線上最高點對應(yīng)的應(yīng)力值。達到該值時試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，變形加劇，承載能力顯著下降。峰值強度過后在曲線上大致穩(wěn)定最終強度為殘余強度，殘余強度是發(fā)生宏觀破壞后的最小抵抗應(yīng)力。對試樣采取無側(cè)限抗壓試驗，測定峰值強度與殘余強度后，將數(shù)據(jù)處理后得到圖3。

圖3 峰值強度、殘余強度與壓實度、水泥摻量的關(guān)系

壓實度和水泥摻量對初始峰值強度和殘余強度的影響如圖3所示，水泥土試樣的壓實度和水泥摻量越大，其峰值強度和殘余強度也會越大。因為壓實度大則水泥土試樣結(jié)構(gòu)致密，土體顆粒之間黏聚力大。而水泥摻量越大，生成的水化硅酸鈣凝膠等水化產(chǎn)物使得土團顆粒結(jié)合緊密并且填充了孔隙，試樣承載外界荷載能力增強，且在12%～24%范圍內(nèi)，峰值強度與殘余強度近似與水泥摻量之間呈現(xiàn)二次函數(shù)增長的關(guān)系，前期增長較快，后期增長放緩。

2.2 循環(huán)過程對耐久性影響分析

2.2.1 外貌特征變化

T2組在清水中和0.2 mol/L的硫酸鈉溶液中外觀變化情況如圖4、圖5所示。

圖4 在清水中試樣外觀變化

在清水中，前12次循環(huán)試樣都無明顯變化，在12次循環(huán)后隨著次數(shù)的增加，試樣損毀開始變得嚴重，表面腐蝕剝落。鹽溶液中的試樣在初始4次循環(huán)中，試樣基本未發(fā)生明顯變化，只是在試樣兩端有少許顆粒脫落，在經(jīng)歷8次循環(huán)后，試樣表面開始出現(xiàn)細微裂縫，但裂縫之間彼此獨立并不連接，在鹽溶液中的試樣開始泛霜。在經(jīng)歷12次循環(huán)后，水泥土表面的裂紋不斷擴大并且小部分裂縫開始貫通，試樣變得較為粗糙，兩端泛霜嚴重。在經(jīng)歷20次循環(huán)后，試樣裂紋擴大并且大部分互相貫通，試樣表面大部分疏松脫落，露出了內(nèi)部結(jié)構(gòu)。經(jīng)歷24次循環(huán)后，試樣的表面基本完全被破壞，表現(xiàn)出一種凹凸不平的狀態(tài)。隨著鹽溶液濃度的增加，這種劣化作用也表現(xiàn)得更為明顯。同種溶液中水泥土表層破壞越早，則其劣化程度也愈加嚴重。

2.2.2 質(zhì)量變化率

為直觀地描述水泥土試樣在硫酸鹽和干濕-凍融共同作用下質(zhì)量變化情況，引入質(zhì)量變化率pm作為評價指標，表達式為

(3)

式(3)中：pm為水泥土質(zhì)量變化率，%；mn為經(jīng)過了n次干濕-凍融循環(huán)后的質(zhì)量，g；m0為初始質(zhì)量，g。按照式(3)計算可以得到T3組質(zhì)量變化率與干濕-凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖6所示。

質(zhì)量變化率與干濕-凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖6所示，水泥土經(jīng)歷干濕-凍融循環(huán)時的質(zhì)量整體上呈先增后減的規(guī)律。

圖6 質(zhì)量變化率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

水泥土試樣前4次質(zhì)量略微上升，在清水中干濕-凍融循環(huán)質(zhì)量呈緩慢下降趨勢，最終質(zhì)量損失在1.15%左右。在Na2SO4溶液中的試樣質(zhì)量在前期時有所增加，考慮為鹽分的遷移累積以及石膏、鈣礬石和鈣硅石結(jié)晶等產(chǎn)物的生成；隨著干濕-凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣表面疏松脫落導(dǎo)致質(zhì)量下降；質(zhì)量是增加還是減少取決于這兩種因素在不同時期哪個起到了主導(dǎo)作用。

隨著硫酸鹽濃度的增加，對試件腐蝕愈發(fā)嚴重，于是質(zhì)量下降更快、更多。在經(jīng)歷了24次干濕-凍融循環(huán)后，試樣S1、S2、S3質(zhì)量變化率為0.12%、-0.42%、-2.47%。S1因整體腐蝕較S2、S3較輕，在循環(huán)中內(nèi)部填充了鹽分和結(jié)晶產(chǎn)物后，質(zhì)量較初始還略有上升。

2.3 循環(huán)過程對力學性能影響分析

2.3.1 波速

為了直觀反映水泥土試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)變化的情況，引入相對波速vr作為評價指標，表達式為

(4)

式(4)中：vr為試樣的相對波速；v0、vn分別為試樣的初始波速以及第n次干濕-凍融循環(huán)后的波速，km/s。按照式(4)計算可得相對波速與干濕-凍融循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 相對波速與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖7可知相對波速與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。水泥土試樣在前8次干濕-凍融循環(huán)中相對波速減少的趨勢較為明顯，在后面的干濕-凍融循環(huán)中減少的趨勢較為平緩，原因在于循環(huán)前期試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)因劣化破壞產(chǎn)生孔隙和裂縫，循環(huán)后期破壞達到一定程度時，孔隙和裂縫的增加已經(jīng)不再明顯。同時在鹽溶液中減小的幅度要大于在清水中，原因在于在鹽溶液中，由于循環(huán)過程中硫酸鈉結(jié)晶產(chǎn)生孔隙壓力，同時硫酸鈉與水泥土中物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)腐蝕了水泥黃土骨架，試樣內(nèi)部破壞程度更加嚴重，產(chǎn)生了更多的裂縫和孔洞。

在硫酸鹽溶液中進行干濕-凍融循環(huán)時，雖然試樣整體波速下降，但隨著鹽溶液濃度的增大，試樣的相對波速也隨之增大。因為波速是在干燥狀態(tài)下測得，綜合考慮一方面為硫酸鈉與氫氧化鈣反應(yīng)生成了石膏膠體和鈣礬石等產(chǎn)物，填充了試樣內(nèi)部空隙，另一方面是鹽溶液的濃度越大，遷移到水泥土試樣內(nèi)部的硫酸鈉晶體也越多，從而導(dǎo)致波速上升。

2.3.2 峰值強度和殘余強度

水泥土試樣在0.2 mol/L硫酸鈉溶液中的峰值強度和殘余強度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖8所示。

由圖8可知，隨著干濕-凍融次數(shù)的增加峰值強度與殘余強度不斷減小，前4次循環(huán)下降速度快，后期下降的速度快，和循環(huán)次數(shù)近似呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)下降的關(guān)系，峰值強度下降的速度比殘余強度更快。

圖8 峰值強度和殘余強度與循環(huán)次數(shù)關(guān)系

2.4 鹽分遷移規(guī)律

為準確描述水泥土試樣中的鹽分遷移的情況，先測量試驗過程中水泥土試樣在真空飽和濕潤情況下電阻數(shù)值，和循環(huán)結(jié)束后將水泥土試樣充分搗碎后與蒸餾水均勻攪拌后形成混合液的電導(dǎo)率，最后將其換算成電阻率ρ和含鹽量ω作為評價指標，得到電阻率與干濕-凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖9所示，含鹽量與溶液濃度的關(guān)系如圖10所示。

由圖9可知，在清水中，試樣電阻率下降相較鹽溶液中極其緩慢，且近似和干濕-凍融循環(huán)次數(shù)成一種線性下降關(guān)系，在24次循環(huán)后只降低了7.29%，且其電阻率遠大于在鹽溶液中進行循環(huán)的試樣。而硫酸鈉溶液則極有利促進試樣導(dǎo)電性能的增強，S1、S2、S3隨著浸潤鹽溶液濃度越高，電阻率下降得越多。但是試樣S2與S3相差無幾，考慮原因為水泥土內(nèi)部空隙是一定的，因而所能填充鹽分也是一定的，當鹽溶液濃度達到一個閾值時，水泥土試樣內(nèi)部也無法再進入更多鹽分。

圖9 電阻率和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

試樣電阻率隨著干濕-凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，且前期下降較為明顯，從第12次循環(huán)開始后下降較為平緩，干濕-凍融循環(huán)和硫酸鹽膨脹結(jié)晶導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變是電阻率減少主要因素。此外進行一定次數(shù)循環(huán)后，試樣內(nèi)部空隙絕大部分已經(jīng)被鹽分所占據(jù)，再進行循環(huán)對補充的鹽分相較之前不是那么明顯。

循環(huán)24次后試樣的含鹽率與硫酸鈉溶液濃度關(guān)系如圖10所示，如果硫酸鈉溶液濃度越高，那么鹽分遷移到試樣的表面及內(nèi)部則越多，則其含鹽量也越大，外觀特征表現(xiàn)為泛霜現(xiàn)象越嚴重。同時，在試樣W中也檢測出少許鹽分，可以認為是原狀黃土本身含有的鹽分以及水泥水化反應(yīng)后生成的鹽，主要為水化硅酸鈣、硅酸三鈣以及氫氧化鈣等。

圖10 循環(huán)24次不同濃度溶液的水泥土試樣含鹽量

3 結(jié)論

(1)壓實度越大，水泥土試樣的質(zhì)量、波速、峰值強度與殘余強度也越大。在12%～24%范圍內(nèi)，質(zhì)量、波速、峰值強度與殘余強度近似與水泥摻量成線性增長。

(2)隨著循環(huán)次數(shù)增加，在清水中的試樣外觀從無明顯變化到表面逐漸剝落，在鹽溶液中的試樣還會產(chǎn)生泛霜現(xiàn)象，產(chǎn)生裂縫并逐漸貫通。隨著鹽溶液濃度增大，試樣腐蝕更加嚴重。循環(huán)過程中試樣質(zhì)量呈現(xiàn)先略微增加再減少的趨勢，且鹽溶液濃度越大減小得越快。

(3)試樣波速在循環(huán)前期下降較慢后期減小變快，在鹽溶液中波速整體較初始波速降低，同一循環(huán)次數(shù)，鹽溶液濃度越大的試樣波速越大。峰值強度和殘余強度與循環(huán)次數(shù)近似成指數(shù)下降的關(guān)系，前期下降得快后期下降得慢，且峰值強度下降速度和幅度都大于殘余強度。

(4)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，水泥土電阻率開始降低，且鹽溶液中減小較清水中十分明顯。浸泡溶液濃度大的試樣含鹽量高。