鋼渣粉水泥固化淤泥土氯鹽侵蝕下力學(xué)性能及機(jī)理研究

吳燕開(kāi),李文艷,郭肖陽(yáng),馬艷慧,苗盛瑤

(山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院,青島 266590)

現(xiàn)今,因海洋湖泊工程逐漸增加,而淤泥具有含水率高、強(qiáng)度低等特點(diǎn),淤泥處理成為海洋湖泊工程建設(shè)中的首要任務(wù)。

氯鹽侵蝕下的工程易腐蝕易損壞,因此進(jìn)行氯鹽侵蝕研究對(duì)于解決實(shí)際工程具有十分重要的意義。本文以青島淤泥土為基礎(chǔ),使用水泥和鋼渣粉進(jìn)行固化,研究固化土在不同濃度的NaCl溶液侵蝕下的物理力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu),并探討其內(nèi)部氯離子遷移規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及制備

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 淤泥土

試驗(yàn)用土為青島市膠州灣海相淤泥質(zhì)土,淤泥土呈流塑狀,黑灰色,有刺鼻難聞氣味,里面夾雜著些許貝殼和石子(在磨土前已挑出),埋深約為9～10 m,其基本物理參數(shù)詳見(jiàn)表1。淤泥土體具有高含水率、低承載能力等特點(diǎn)。

表1 淤泥土基本物理參數(shù)

試驗(yàn)中將淤泥土體放置于室外進(jìn)行自然條件下的風(fēng)干,待晾曬完成進(jìn)行磨制,將土體磨制成粒徑為2 mm以下,留取存放,待制備試樣時(shí)使用。

1.1.2 固化及侵蝕材料

試驗(yàn)采用諸城市某水泥有限公司生產(chǎn)的P·O32.5,灰色粉末狀,比表面積大于300 m2/kg,其主要礦物成分為CaO,SiO2,Al2O3,MgO,Fe2O3,SO3等。采用石家莊市某煉鋼廠廢渣經(jīng)濕式磁選法處理的鋼渣微粉,黑色粉末,顆粒圓潤(rùn),其主要礦物成分為C2S,C3S,MgO,Fe2O3,Al2O3,MnO等,粒徑可達(dá)到300目左右。采用天津市某化學(xué)品開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的NaOH,分析純,NaOH的含量不少于96.0%。試驗(yàn)中配置溶液采用由天津市某化工有限公司生產(chǎn)的氯化鈉(NaCl),分析純,含量高于99.5%。

1.2 試驗(yàn)制備

制備試樣時(shí),將磨好的淤泥土過(guò)2 mm篩后稱取一定的質(zhì)量放入攪拌器中,按照純水泥固化淤泥土(水泥15%)和鋼渣粉聯(lián)合水泥固化淤泥土(水泥10%和鋼渣粉10%)分別進(jìn)行混合并攪拌均勻。取稱量好的NaOH(約為土樣質(zhì)量的0.6%)加入一定量的水中,用玻璃棒充分?jǐn)嚢?倒入攪拌器中攪拌成均勻的漿體。將攪拌好的漿體倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具中,在振動(dòng)臺(tái)上振搗密實(shí)后將其表面刮平,蓋上保鮮膜,在室溫下放置48 h后脫模。

將脫膜后的試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(溫度(20±1)℃,濕度≥90%)中分別養(yǎng)護(hù)7,28 d,從養(yǎng)護(hù)箱取出后使用防水材料密封5個(gè)面,然后放到盛有相應(yīng)侵蝕溶液的侵蝕箱中進(jìn)行單面侵蝕,每個(gè)箱中放6個(gè)試樣,同一類(lèi)試樣放在同一個(gè)侵蝕箱中,侵蝕時(shí)間分別為7,30,60,90 d。

侵蝕溶液主要分為4種:蒸餾水、1倍海水濃度(即侵蝕溶液氯離子含量是海水中氯離子含量的1倍)、3倍海水濃度和5倍海水濃度,本文提到的海水中氯鹽的含量約為1.9%。侵蝕溶液的配比如表2所示,將稱量好的NaCl放入1 L的蒸餾水中。

表2 侵蝕溶液配比

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 質(zhì)量變化率和含水量試驗(yàn)

質(zhì)量變化率試驗(yàn)按以下步驟進(jìn)行:①將養(yǎng)護(hù)好的試樣取出并稱取其質(zhì)量,記為m0,放入侵蝕溶液進(jìn)行侵蝕;②侵蝕完成后取出并稱取其質(zhì)量,記為m1;③質(zhì)量變化率按式(1)計(jì)算:

(1)

式中:δm為質(zhì)量變化率;m0為侵蝕前質(zhì)量,g;m1為侵蝕后質(zhì)量,g。

含水量試驗(yàn)按以下步驟完成:①將侵蝕完成的試樣用錘子砸碎,取一塊試樣內(nèi)部的固化土樣,用托盤(pán)天平稱取其質(zhì)量,記為M1;②將稱取完質(zhì)量的土樣放入烘干箱,在105.8 ℃下進(jìn)行烘干;③24 h后將烘干箱關(guān)閉,待烘干箱內(nèi)溫度晾至室溫,取出土樣,稱取其質(zhì)量,記為M0;④含水量按式(2)計(jì)算:

(2)

式中:ω為含水量;M1為試樣烘干前質(zhì)量,g;M0為試樣烘干后質(zhì)量,g。

1.3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)試驗(yàn)

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是在不施加側(cè)邊壓力的條件下對(duì)試樣進(jìn)行的軸向壓力試驗(yàn),試驗(yàn)所用儀器為萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),最大承載量為300 kN。試驗(yàn)操作如下:①將試樣侵蝕足夠天數(shù)后取出靜置一段時(shí)間,蒸發(fā)掉表面多余的溶液。②將靜置好的試樣放置在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的測(cè)量平臺(tái)上,按操作手柄下移按鍵,使上平臺(tái)與試樣上表面臨近接觸。③開(kāi)始測(cè)試,壓制試樣的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在電腦屏幕上。④壓制試樣完成,記錄數(shù)據(jù)。

1.3.3 氯離子濃度測(cè)定試驗(yàn)

氯離子濃度快速測(cè)定儀采用離子選擇電極法(ISE法),可快速測(cè)定混凝土、砂、石子、外加劑等水溶性物質(zhì)的氯離子含量,氯離子濃度量測(cè)范圍10-5～10-1mol/L。氯離子濃度測(cè)定試驗(yàn)步驟如下:①將待測(cè)氯離子的試樣用錘子敲碎,并取40 g左右土樣,將土樣放入烘干箱(105.8 ℃左右)烘干2 h,取出后用研磨器磨成粉末狀,過(guò)0.65 mm篩,取出20 g放入200 mL蒸餾水中浸泡24 h。②取出電極在蒸餾水中浸泡10 min,然后在0.001 mol/L的氯化鈉溶液中浸泡2 h進(jìn)行電極的活化。③打開(kāi)電源,依次測(cè)定0.0001,0.001,0.01和0.1 mol/L的氯化鈉溶液,用于標(biāo)定。④將試樣浸泡液倒入燒杯中,測(cè)定其氯離子濃度。

1.3.4 掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)

掃描電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱掃描電鏡或SEM)可定性分析固化土侵蝕后的微觀結(jié)構(gòu)與水化反應(yīng)產(chǎn)物的形態(tài)特征。進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)的步驟主要是:①制作試樣,將在無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中破壞的試塊用小刀切割取樣,取試塊破壞面附近的一部分土體,將其打磨成一長(zhǎng)寬約0.5 cm,厚約2 mm的扁平試塊;②進(jìn)行噴鉑處理,將制取好的扁平試塊用導(dǎo)電膠整齊地貼在樣品座上,放入高壓噴射涂布機(jī)中進(jìn)行噴鉑處理;③保存微觀圖像,將進(jìn)行噴鉑處理之后的試塊安裝在電鏡掃描試驗(yàn)儀上,使用電鏡軟件操作掃描電鏡儀器選取一個(gè)樣本對(duì)不同位置和放大倍數(shù)進(jìn)行微觀圖像的獲取,并選取特別的區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行能譜分析試驗(yàn)分析其內(nèi)部成分。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 質(zhì)量變化率

圖1是不同氯鹽侵蝕濃度下各侵蝕時(shí)間的質(zhì)量變化率。

分析圖1中曲線,隨著侵蝕濃度的增加,各試樣的質(zhì)量變化率整體呈上升趨勢(shì),但水泥土和鋼渣粉水泥土的增長(zhǎng)趨勢(shì)是不同的。圖1(a)中,隨著侵蝕濃度的增加,除養(yǎng)護(hù)60 d試樣之外,其余水泥土的質(zhì)量變化率先降低后增加,養(yǎng)護(hù)60 d時(shí)的水泥土試樣隨著侵蝕濃度的增加,質(zhì)量變化率出現(xiàn)先增加后降低再增加的現(xiàn)象,但圖1(b)中,隨著侵蝕濃度的增加,鋼渣粉水泥土的質(zhì)量變化率一直呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。養(yǎng)護(hù)28 d的水泥土試樣(圖1(c))的質(zhì)量變化率增長(zhǎng)較穩(wěn)定,但養(yǎng)護(hù)28 d的鋼渣粉水泥土試樣(圖1(d))的變化幅度較大,最大增長(zhǎng)了6.09%。不論是養(yǎng)護(hù)7 d還是28 d的試樣,鋼渣粉水泥土的質(zhì)量變化率均高于水泥土。在不同侵蝕時(shí)間下,養(yǎng)護(hù)28 d試樣的質(zhì)量變化率相差較大,養(yǎng)護(hù)7 d試樣的質(zhì)量變化率則相對(duì)緊湊,變化幅度較小。

因水泥、鋼渣粉所含的C3S,C2S等主要化學(xué)成分結(jié)合吸收水分發(fā)生水化反應(yīng),質(zhì)量變化率整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。因水泥早期水化較快,鋼渣粉早期水化較慢,水泥在侵蝕前結(jié)合水產(chǎn)生的膠凝材料較多,相對(duì)于鋼渣粉剩余的水化材料較少,侵蝕后增長(zhǎng)幅度較鋼渣粉低,所以鋼渣粉水泥土試樣的質(zhì)量變化率高于水泥土試樣。但同材料的固化土養(yǎng)護(hù)28 d試樣的質(zhì)量變化率普遍高于養(yǎng)護(hù)7 d試樣,可能有以下原因:①氯鹽侵蝕下,進(jìn)入的氯離子可與膠凝材料發(fā)生反應(yīng),降低孔隙中膠凝材料的含量,增大孔隙,通過(guò)滲流作用使水進(jìn)一步深入試樣,產(chǎn)生充分的水化反應(yīng);②7 d試樣雖沒(méi)有28 d試樣水化完全,但氯鹽的滲入,阻礙了水化材料發(fā)生水化反應(yīng)。對(duì)于養(yǎng)護(hù)28 d的鋼渣粉水泥土,不同濃度侵蝕試樣在侵蝕90 d的質(zhì)量變化率降低明顯,應(yīng)與材料表面部分觸碰脫落有關(guān)。

2.2 含水量

隨著侵蝕濃度的增加,從圖2可以看出,各試樣的含水量整體呈減少趨勢(shì),但水泥土試樣的含水量變化折線相對(duì)穩(wěn)定,鋼渣粉水泥土試樣的變化折線變化范圍較大,受侵蝕濃度變化影響較大。一般侵蝕時(shí)間越長(zhǎng),試樣的含水量就越高,試樣內(nèi)部水分進(jìn)入較多。

綜上分析,隨著氯鹽侵蝕濃度的增加,各試樣的質(zhì)量變化率逐漸增加,但含水量卻逐漸減少。隨著氯鹽侵蝕濃度增加,因濃度差氯離子不斷進(jìn)入試樣內(nèi)部深處,試樣內(nèi)部水相對(duì)流出試樣,以平衡濃度差,直至達(dá)到濃度的相對(duì)平衡,侵蝕濃度越高,試樣內(nèi)部氯離子進(jìn)入越多,水分流出越多,含水量降低,因氯離子可與試樣內(nèi)部膠凝材料發(fā)生反應(yīng),將自由氯離子轉(zhuǎn)化為結(jié)合氯離子,試樣質(zhì)量變化率則隨著侵蝕濃度的增加而逐漸增加。

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖3是在不同侵蝕濃度下養(yǎng)護(hù)7和28 d的水泥土試樣和鋼渣粉水泥土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。隨著侵蝕溶液濃度的增加,養(yǎng)護(hù)7 d的鋼渣粉水泥土試樣在侵蝕60 d時(shí)的強(qiáng)度折線變化幅度較大,而養(yǎng)護(hù)7 d的水泥土試樣在侵蝕60 d時(shí)的強(qiáng)度折線變化幅度不大,相對(duì)平穩(wěn)。分析其原因,水泥土試樣的水化較為完全,產(chǎn)生的膠凝材料較多,試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí),孔隙較少,具有較大的承載能力,雖然鋼渣粉加入較多且加入NaOH催化劑,但還不能取代水泥作為固化材料,而且過(guò)多的摻入鋼渣粉也可能改變其內(nèi)部,降低試樣內(nèi)部的密實(shí)性。同時(shí),在1倍侵蝕濃度下,隨著侵蝕時(shí)間的增加,氯離子不斷進(jìn)入試樣內(nèi)部,與膠凝材料反應(yīng),降低了試樣內(nèi)部的黏結(jié)能力,使得養(yǎng)護(hù)28 d試樣的強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì);而養(yǎng)護(hù)7 d試樣的強(qiáng)度一直增加可能與鋼渣粉的不完全水化有關(guān),鋼渣粉逐漸水化,且水化速率高于氯離子的侵蝕速率。說(shuō)明在侵蝕短期內(nèi),氯鹽的侵蝕作用還沒(méi)有得到充分的表現(xiàn)。隨著侵蝕濃度的增加,養(yǎng)護(hù)28 d的鋼渣粉水泥土強(qiáng)度表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì),可能因氯鹽侵蝕作用較小,鋼渣粉水化還在持續(xù)進(jìn)行中,所以在短時(shí)間內(nèi)侵蝕的試樣強(qiáng)度還表現(xiàn)為上升趨勢(shì),待水化效果產(chǎn)生的強(qiáng)度低于侵蝕作用減小的強(qiáng)度,試樣強(qiáng)度則表現(xiàn)為降低趨勢(shì)。由圖3對(duì)比可知水泥土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于鋼渣粉水泥土試樣的強(qiáng)度,養(yǎng)護(hù)28 d試樣強(qiáng)度高于養(yǎng)護(hù)7 d試樣的強(qiáng)度,這與水泥和鋼渣粉的水化效果有關(guān)。因水泥土的水化固結(jié)效果要比鋼渣粉水泥土的好,雖然加入NaOH作為激發(fā)劑對(duì)其水化效果進(jìn)行激發(fā),但摻入鋼渣粉固化淤泥土的效果遠(yuǎn)低于單摻水泥固化淤泥土,因?yàn)殇撛鬯嗤猎嚇硬荒苡龅礁稍锃h(huán)境,經(jīng)過(guò)干燥環(huán)境再到侵蝕溶液后的鋼渣粉水泥土試樣會(huì)出現(xiàn)裂紋,若是在干燥時(shí)間放得太久,裂紋會(huì)加深,鋼渣粉水泥土表面會(huì)發(fā)生剝落,最后試樣結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

3 氯離子遷移規(guī)律分析

3.1 1 cm處氯離子濃度分析

圖4是取自不同侵蝕濃度和侵蝕時(shí)間下距試樣侵蝕表面1 cm處的樣本測(cè)定的氯離子濃度。由圖4可以發(fā)現(xiàn),在5倍海水濃度的氯鹽侵蝕下氯離子濃度最大,降低氯鹽侵蝕倍數(shù),試樣內(nèi)部氯離子濃度則呈現(xiàn)減小趨勢(shì),到蒸餾水侵蝕下試樣內(nèi)部的氯離子濃度最小。這說(shuō)明隨著侵蝕濃度的增加,試樣內(nèi)部的氯離子濃度逐漸增加。對(duì)比鋼渣粉水泥土試樣,水泥土試樣的氯離子濃度相對(duì)較低;對(duì)比養(yǎng)護(hù)7 d試樣,養(yǎng)護(hù)28 d試樣的氯離子濃度相對(duì)較低。對(duì)比除養(yǎng)護(hù)28 d的水泥土試樣的氯離子濃度圖,其他3種有一處不同,即低濃度下侵蝕90 d試樣的氯離子濃度低于侵蝕60 d試樣的氯離子濃度,但隨著氯鹽侵蝕濃度的增加,侵蝕90 d試樣的氯離子濃度開(kāi)始高于侵蝕60 d試樣的氯離子濃度。隨著侵蝕濃度的增加,鋼渣粉水泥土試樣的氯離子濃度折線較陡,數(shù)值增長(zhǎng)較快,說(shuō)明鋼渣粉水泥土試樣抵抗氯鹽侵蝕的能力不如水泥土試樣。

3.2 不同深度處氯離子濃度分析

以養(yǎng)護(hù)28 d侵蝕60 d的水泥土為例(圖5),蒸餾水侵蝕下的水泥土試樣內(nèi)部氯離子濃度隨著侵蝕深度的增加而增加,在1倍、3倍和5倍海水濃度侵蝕下的水泥土試樣的氯離子濃度隨著侵蝕深度的增加而降低。該現(xiàn)象與濃度差有關(guān),因試驗(yàn)用土為海相淤泥土,試樣內(nèi)部本身存在著一定濃度的氯離子,在不含氯鹽的蒸餾水的侵蝕下,試樣內(nèi)部氯離子濃度高于外部濃度,外部水分滲入試樣內(nèi)部,造成蒸餾水侵蝕下水泥土試樣內(nèi)部氯離子濃度隨著侵蝕深度的增加而增加。因擴(kuò)散作用外部氯鹽侵蝕下的氯離子逐漸進(jìn)入試樣內(nèi)部,通過(guò)孔隙依托孔隙水?dāng)U散和滲透到試樣的深層,最終在內(nèi)部達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)。在氯鹽侵蝕下的水泥土試樣隨著侵蝕濃度的增加,氯離子濃度逐漸增加,因侵蝕濃度越大,造成的濃度差就越大,氯鹽滲透和擴(kuò)散進(jìn)入試樣內(nèi)部的含量就越多;且從1倍海水濃度侵蝕增加到3倍,再由3倍增加5倍時(shí),氯離子濃度大約從0.03 mol/L增加到0.06 mol/L,再增加到0.099 mol/L,可看出內(nèi)部氯離子濃度隨氯鹽侵蝕濃度倍數(shù)的增加而有一定的倍數(shù)增加。

將養(yǎng)護(hù)7,28 d的水泥土試樣和鋼渣粉水泥土試樣進(jìn)行對(duì)比,如圖6所示。鋼渣粉水泥土試樣的氯離子濃度高于水泥土試樣的氯離子濃度,水泥土試樣在5倍海水濃度侵蝕下內(nèi)部的氯離子濃度最大為0.099 mol/L,而鋼渣粉水泥土試樣最大為0.012 mol/L。這主要與鋼渣粉替代部分水泥有關(guān),因水泥水化反應(yīng)較好,生成的膠凝材料較多,很好地黏結(jié)了土顆粒,使其成為一個(gè)整體,提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,從而提高了固化土的強(qiáng)度;而鋼渣粉的水化效果低于水泥,鋼渣粉的加入一方面降低了水泥的含量,另一方面也增加了一部分無(wú)黏性顆粒,從而降低了內(nèi)部水化膠凝材料的生成,鋼渣粉水泥土試樣的內(nèi)部孔隙比水泥土試樣的多,所以其內(nèi)部氯離子濃度較高。這也說(shuō)明了養(yǎng)護(hù)7 d的鋼渣粉水泥土試樣內(nèi)部的氯離子濃度是4種類(lèi)型試樣中最高的。

3.3 試樣內(nèi)部氯離子濃度與強(qiáng)度的關(guān)系

通過(guò)曲線擬合水泥和鋼渣粉水泥的淤泥土試樣在不同侵蝕濃度下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì),通過(guò)GaussAmp模型的模擬,確定在某個(gè)侵蝕濃度下氯離子濃度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。

對(duì)于海相淤泥土因侵蝕濃度不同,試樣內(nèi)部氯離子濃度有很大的差距,不同試樣類(lèi)型和侵蝕濃度對(duì)相同侵蝕時(shí)間的試樣內(nèi)部氯離子濃度的影響差距很小,所以將養(yǎng)護(hù)7 d和28 d的水泥土和鋼渣粉水泥土試樣在不同侵蝕濃度下的變化曲線一同擬合。由前文分析可知,隨著侵蝕濃度的增加,試樣內(nèi)部氯離子濃度逐漸增加,所以選取線性擬合方式,如圖7所示。

根據(jù)圖7所示,用C表示氯離子濃度,c表示侵蝕濃度倍數(shù),在不同侵蝕濃度倍數(shù)下的試樣內(nèi)部1 cm處的氯離子濃度擬合曲線為

C=0.0219c+0.00788

(3)

隨著侵蝕濃度的增加,試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增加后降低,所以選取GaussAmp對(duì)強(qiáng)度和侵蝕濃度關(guān)系進(jìn)行擬合。相對(duì)于侵蝕濃度,因強(qiáng)度受水泥和鋼渣粉的影響較大,所以將不同侵蝕濃度下侵蝕90 d的強(qiáng)度擬合曲線分為水泥土和鋼渣粉水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)擬合曲線,如圖8所示。

根據(jù)圖8(a)的擬合結(jié)果,水泥土試樣在不同侵蝕濃度下的UCS擬合曲線為

(4)

根據(jù)圖8(b)的擬合結(jié)果,鋼渣粉水泥土試樣在不同侵蝕濃度下的UCS擬合曲線為

(5)

為消去變量侵蝕濃度倍數(shù)c將式(3)轉(zhuǎn)化為

c=45.662C-0.35982

(6)

后將其分別帶入水泥土和鋼渣粉水泥土的UCS擬合曲線式(4)和式(5),得

水泥土:

(7)

鋼渣粉水泥土:

(8)

由線性函數(shù)擬合的氯離子濃度和GaussAmp模型擬合的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度換算出氯離子濃度與強(qiáng)度的關(guān)系。將水泥土和鋼渣粉水泥土試樣的實(shí)測(cè)氯離子濃度分別帶入上面的UCS擬合曲線(式(7)(8))中得出的不同氯離子濃度下的UCS的擬合值與實(shí)測(cè)值,如表3所示,相對(duì)誤差較小,符合擬合要求。

表3 侵蝕90 d的UCS擬合結(jié)果

通過(guò)曲線擬合水泥土和鋼渣粉水泥土的試樣在不同侵蝕濃度下氯離子濃度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到的關(guān)系函數(shù),確定某個(gè)未知的氯離子侵蝕濃度下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。綜上分析無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨氯離子濃度的增加先增加后降低。

4 微觀結(jié)構(gòu)及機(jī)理

以養(yǎng)護(hù)28 d侵蝕90 d的鋼渣粉水泥土試樣為例,放大8000倍的SEM圖如圖9所示。圖9(a)為蒸餾水侵蝕下的鋼渣粉水泥土試樣,在較高的放大倍數(shù)下,內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列緊密,土顆粒表面包裹著較多的水化膠凝材料,以團(tuán)狀或絮狀物存在,并相互黏結(jié)形成團(tuán)聚體,存在著多個(gè)團(tuán)聚體但未形成一個(gè)整體,各團(tuán)聚體之間存在較小的孔隙。圖9(b)為1倍海水濃度侵蝕下的鋼渣粉水泥土試樣,與圖(a)對(duì)比發(fā)現(xiàn),團(tuán)聚體依然存在,但團(tuán)聚體的體積相對(duì)減小,且團(tuán)聚體之間出現(xiàn)較多的零碎的團(tuán)狀物。內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的孔隙增多,孔徑略有增大。小的團(tuán)聚物可能與生成的Ca(OH)2有關(guān),因鋼渣粉水泥土試樣中摻入有NaOH催化劑,用于催化鋼渣粉在早期發(fā)生水化反應(yīng),但NaOH屬于強(qiáng)堿性物質(zhì),試樣內(nèi)部環(huán)境處于高堿性環(huán)境,可與內(nèi)部的CaCl2生成無(wú)黏結(jié)性的Ca(OH)2沉淀;也可能因?yàn)樵诼塞}的侵蝕下,團(tuán)聚物中的水化膠凝材料與氯離子反應(yīng)生成無(wú)黏結(jié)性的Fiedel’s鹽,團(tuán)聚物的體積減小,變成較小的團(tuán)狀或絮狀物。

圖9 養(yǎng)護(hù)28 d侵蝕90 d鋼渣粉水泥土試樣的8000倍SEM圖

圖9(c)和(d)分別是3倍和5倍海水濃度侵蝕下的鋼渣粉水泥土試樣,觀察兩圖發(fā)現(xiàn),內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)于侵蝕濃度較低的試樣較為疏松,無(wú)法看出其膠凝材料的狀態(tài),因鋼渣粉水泥土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面密密麻麻地附著小顆粒的物質(zhì),通過(guò)進(jìn)行XRD試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)全是NaCl結(jié)晶體,如圖10所示。在高濃度氯鹽侵蝕下,試樣內(nèi)外濃度差過(guò)大,為平衡其內(nèi)外的濃度差,大量的NaCl進(jìn)入試樣內(nèi)部,部分NaCl與水化膠凝材料反應(yīng)生成Fiedel’s鹽,在侵蝕90 d后取出,進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境在等待進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓、氯離子濃度測(cè)定和SEM試驗(yàn)時(shí),試樣內(nèi)部水分減少,NaCl失水結(jié)晶,在試樣內(nèi)部形成較多的小結(jié)晶體。同時(shí)解釋了高濃度下試樣的質(zhì)量變化率較大和含水量相對(duì)較小的原因。

圖10 鋼渣粉水泥土內(nèi)部小顆粒物質(zhì)的XRD圖

隨著侵蝕濃度的增加,鋼渣粉水泥固化土的強(qiáng)度及抗氯鹽侵蝕能力降低。如圖9所示,試樣蒸餾水侵蝕下鋼渣粉水泥土內(nèi)部的膠凝材料C-S-H多于1倍海水濃度侵蝕下鋼渣粉水泥土內(nèi)部的膠凝材料。隨著氯鹽侵蝕濃度的增加,試樣內(nèi)部的水化膠凝材料C-S-H與氯離子發(fā)生反應(yīng),生成不具有黏結(jié)能力的Fiedel’s鹽,降低了試樣內(nèi)部膠凝材料的含量,導(dǎo)致了試樣整體黏結(jié)能力的降低,造成了試樣強(qiáng)度降低。且隨著膠凝材料的減少,試樣內(nèi)部孔隙增加,氯離子更易侵入試樣內(nèi)部,抗氯鹽侵蝕能力逐漸降低,最后造成氯鹽侵蝕破壞。

5 結(jié)論

通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和氯離子濃度測(cè)定試驗(yàn),研究水泥土與鋼渣粉水泥土固化淤泥土在不同氯鹽侵蝕濃度下的強(qiáng)度和氯離子濃度變化規(guī)律,并結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

1) 隨著侵蝕濃度的降低,各試樣的質(zhì)量變化率整體呈下降趨勢(shì),鋼渣粉水泥土的質(zhì)量變化率高于水泥土。相對(duì)于養(yǎng)護(hù)28 d試樣,養(yǎng)護(hù)7 d試樣的質(zhì)量變化率在不同侵蝕濃度下的變化幅度較小。隨著侵蝕濃度的增加,各試樣的含水量整體呈減少趨勢(shì)。

2) 隨著侵蝕濃度的增加,水泥土試樣的強(qiáng)度大體呈降低趨勢(shì),鋼渣粉水泥土的強(qiáng)度則表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。水泥土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于鋼渣粉水泥土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。隨著侵蝕濃度的增加,試樣內(nèi)部的水化膠凝材料C-S-H與氯離子發(fā)生反應(yīng),生成不具有黏結(jié)能力的Fiedel’s鹽,降低了試樣內(nèi)部膠凝材料的含量,導(dǎo)致了試樣整體黏結(jié)能力的降低。且隨著膠凝材料的減少,試樣內(nèi)部孔隙增加,氯離子更易侵入試樣內(nèi)部,抗氯鹽侵蝕的能力逐漸降低,最后造成氯鹽侵蝕破壞。

3) 在相同侵蝕深度下,隨著侵蝕濃度的增加,試樣內(nèi)部的氯離子濃度逐漸增加,養(yǎng)護(hù)28 d鋼渣粉水泥土試樣的氯離子濃度比養(yǎng)護(hù)7 d鋼渣粉水泥土試樣相對(duì)較低。在不同侵蝕深度下,除蒸餾水侵蝕下,其他3種侵蝕條件試樣的氯離子濃度隨著侵蝕深度的增加而降低。