鹽侵蝕及干濕環(huán)境下偏高嶺土改良水泥土抗壓強(qiáng)度分析

■姚 濤

（湖南省芷銅高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，懷化 419100）

隨我國鐵路、公路、機(jī)場(chǎng)等基礎(chǔ)工程建設(shè)力度加大，水泥穩(wěn)定土材料（以下簡(jiǎn)稱“水泥土”）得到廣泛應(yīng)用，而水泥材料的生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的過程。 目前，水泥是制造業(yè)主要的CO2排放源，約占我國碳排放總量的9%[1-2]。 對(duì)此， 為有效緩解大氣污染問題，部分專家選用工業(yè)廢渣等材料改善水泥土來減少水泥摻量，并取得了良好的工程實(shí)踐效果。 李豐收[3]研究表明，工業(yè)廢渣摻量10%的改良土抗壓強(qiáng)度及耐久性優(yōu)于水泥摻量6%的改良土。岳喜兵[4]研究表明，水泥土摻入廢棄硅粉后，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗侵蝕性提高顯著。 童生豪[5]研究表明，水泥土摻入鎳鐵渣粉后具有良好的抗海洋環(huán)境侵蝕作用。因此，選用合適的外摻劑替換水泥，且保證水泥土材料具有良好的工程性能，對(duì)減少碳污染具有重要的意義。 偏高嶺土是在600～900℃環(huán)境下煅燒高嶺土制得，含有SiO2、Al2O3等活性物質(zhì)，可參與水泥的二次水化反應(yīng)，生成硅酸鈣、硅酸鋁等膠凝產(chǎn)物，工程應(yīng)用中常用作混凝土材料外摻劑[6-7]。 偏高嶺土在水泥土材料應(yīng)用中，劉劍平等[8]、王林浩[9]、孫海軍等[10]研究了偏高嶺土摻量對(duì)水泥土力學(xué)特性影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)水泥土摻入適量的偏高嶺土后，其力學(xué)強(qiáng)度得到提高。 而水泥土在鹽溶液、干濕循環(huán)等復(fù)雜環(huán)境中，其土體結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能發(fā)生劣化，致使其工程適用性降低。 鑒于此，本文選用偏高嶺土等質(zhì)量替換水泥，制備偏高嶺土水泥土材料，通過室內(nèi)鹽溶液侵蝕試驗(yàn)和干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究鹽侵蝕和干濕循環(huán)作用下偏高嶺土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，為實(shí)體工程提供數(shù)據(jù)支撐。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1 土樣

土樣取自某高等級(jí)道路路塹挖方， 為粉質(zhì)黏土，取土深度2.5～4.5 m，其物理力學(xué)性質(zhì)如下：土粒比重2.72、液限29.2%、塑限17.1%、塑性指數(shù)12.1、最佳含水率16.3%、最大干密度1.739 g·cm-3；粒徑為5、2、0.5、0.25、0.075、0.05 mm 顆粒的通過質(zhì)量百分率分別為：100%、94.2%、83.5%、58.6%、38.3%、11.4%。

1.1.2 外摻劑

外摻劑采用P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥和HP-90B 型偏高嶺土，物理化學(xué)性質(zhì)見表1～2。水泥燒失量為1.2%，安定性合格；偏高嶺土呈白色粉末狀，粒徑小于2 μm 的顆粒占總質(zhì)量不低于90%。

表1 水泥物理性質(zhì)

表2 外摻劑化學(xué)成分

1.1.3 水

水采用普通自來水。

1.1.4 氯化鈉

氯化鈉采用某化學(xué)試劑公司生產(chǎn)的氯化鈉顆粒，化學(xué)分子式為NaCl，NaCl 含量≥99.5%。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 方案設(shè)計(jì)

風(fēng)干土樣過5 mm 圓孔篩，均勻拌和偏高嶺土水泥土及水泥土混合料，按室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水率制備壓實(shí)度96%的試件，尺寸為Φ50×100 mm。 試件制備完成后， 采用塑料薄膜包裹，放入溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，齡期最后1 d 采用浸泡清水后，開展NaCl 溶液侵蝕試驗(yàn)和干濕循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)中，外摻劑（水泥和偏高嶺土）摻量為10%，偏高嶺土摻量擬采用1%、3%、5%。外摻劑摻量為外摻劑質(zhì)量與土樣干質(zhì)量的比值。 每組試驗(yàn)采用6 個(gè)平行試件。

具體試驗(yàn)方案如下：（1）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)資料，對(duì)照NaCl 溶液環(huán)境下水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，研究偏高嶺土摻量、溶液濃度及浸泡時(shí)間對(duì)偏高嶺土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律，分析偏高嶺土水泥土抗鹽侵蝕性。 擬采用清水（0 g/L）、NaCl 溶液濃度1.5、3.0、4.5、6.0、9.0 g/L；浸泡時(shí)間擬采用7、14、28、60、90 d。 （2）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)不利水文氣象環(huán)境，采用室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M路基含水率變化，研究干濕循環(huán)作用下水泥土和偏高嶺土水泥土抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，分析偏高嶺土摻量、干濕次數(shù)對(duì)水泥土和偏高嶺土水泥土干濕穩(wěn)定性影響。 擬采用清水（0 g/L）、NaCl溶液濃度4.5 g/L，干濕次數(shù)擬采用0、1、3、5、7、9、12、15 次。

1.2.2 性能測(cè)試方法

（1）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。 參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，選用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)WDW-100 測(cè)定偏高嶺土水泥土及水泥土試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，采用應(yīng)變控制加載速率，加載速率為1 mm/min。 （2）鹽溶液侵蝕試驗(yàn)。 試件養(yǎng)生完畢后，置于不同濃度的NaCl 溶液中，保持試件頂面低于液面3～4 cm，浸泡至規(guī)定時(shí)間后，軟布擦拭試件表面，測(cè)定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。 為保證溶液溶度，每14 d替換一次同濃度的NaCl 溶液。 （3）干濕循環(huán)試驗(yàn)。試件養(yǎng)生完畢后，置于恒溫烘箱中脫濕，溫度設(shè)置為40℃，直至質(zhì)量達(dá)到最佳含水率的試件質(zhì)量，取出試件風(fēng)干0.5 h；再將試件置于NaCl 溶液中，進(jìn)行增濕，直至質(zhì)量不增長(zhǎng)后1 h，為1 次干濕循環(huán)。 當(dāng)試件達(dá)到規(guī)定干濕次數(shù)后，測(cè)定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鹽溶液侵蝕試驗(yàn)

2.1.1 偏高嶺土摻量影響

在不同NaCl 溶液濃度環(huán)境下， 偏高嶺土摻量對(duì)水泥土28 d、90 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律如圖1 所示。 由圖1 可知，隨偏高嶺土摻量增加，不同改良水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先提高后降低，當(dāng)偏高嶺土摻量≤3%時(shí)，通過增大偏高嶺土的摻量能夠提高水泥土的抗鹽侵蝕性能，與相同條件下的改良水泥土相比，偏高嶺土摻量每增加1%，其抗壓強(qiáng)度可提高約12.5%，偏高嶺土摻量為3%時(shí)，改良水泥土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，即抗鹽溶液侵蝕能力最佳；當(dāng)偏高嶺摻量超過3%后，偏高嶺土改良水泥土的抗鹽侵蝕性逐漸降低，其中5%偏高嶺土改良水泥土的抗壓強(qiáng)度相較普通水泥土至少降低了5.1%。 分析其原因是在未摻偏高嶺土前，水泥水化產(chǎn)生的硅酸鈣、 鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)能夠膠結(jié)土粒，填充孔隙，提高水泥土結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，因此其抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間增加而逐漸提高；在摻入一定偏高嶺土后， 偏高嶺土中SiO2、Al2O3等活性物質(zhì)能夠與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成更多的硅酸鈣等膠凝物質(zhì)， 促使水泥土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而有利于水泥土抗壓強(qiáng)度提高，但隨偏高嶺土繼續(xù)增加，水泥摻量及其生成的Ca（OH）2含量也隨之減少，致使部分偏高嶺土未發(fā)生反應(yīng)，硅酸鈣等膠凝產(chǎn)物減少，故偏高嶺土摻量超過一定量后，水泥土的抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)。

圖1 不同偏高嶺土摻量下水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

2.1.2 浸泡時(shí)間影響

在不同NaCl 溶液濃度環(huán)境下，浸泡時(shí)間對(duì)3%摻量偏高嶺土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律如圖2 所示。 由圖2 可知，不同偏高嶺土摻量的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與浸泡時(shí)間的變化趨勢(shì)較為接近，隨浸泡時(shí)間增加，普通水泥土和偏高嶺土改良水泥土前28 d 的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率均快于后期。究其原因，是由于隨著浸泡時(shí)間增加，水泥熟料逐漸被消耗， 水泥水化反應(yīng)速率及水化產(chǎn)物逐漸減少，在浸泡前期水泥與偏高嶺土反應(yīng)生成較多的硅酸鈣等膠凝產(chǎn)物填充孔隙，提高土體密實(shí)性和黏聚力，故水泥土和偏高嶺土水泥土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較迅速；而在浸泡后期，水泥土結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，水化反應(yīng)生成的膠凝產(chǎn)物減少，從而使其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率降低，逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 不同浸泡時(shí)間下偏高嶺土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

2.1.3 NaCl 溶液濃度影響

NaCl 溶液濃度對(duì)3%偏高嶺土改良水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律如圖3 所示。 由圖3 可知，隨NaCl 溶液濃度增加，不同浸泡時(shí)間下偏高嶺土改良水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律相近，其抗壓強(qiáng)度均隨NaCl 溶液濃度增大逐漸提高，當(dāng)浸泡時(shí)間＜28 d 時(shí)，9.0 g/L 濃度NaCl 溶液環(huán)境下的偏高嶺土改良水泥土抗壓強(qiáng)度較清水平均提高了8.0%；而當(dāng)浸泡時(shí)間≥28 d 時(shí)，改良水泥土的抗壓強(qiáng)度與NaCl 溶液濃度呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)93.5%以上，NaCl 溶液濃度每增加1 g/L，其抗壓強(qiáng)度約提高1.3%。由于3%偏高嶺土改良水泥土的結(jié)構(gòu)密實(shí)性及抗鹽侵蝕性好，因此在侵蝕過程中，水泥與偏高嶺土水化反應(yīng)產(chǎn)生的膠凝產(chǎn)物能夠提高其抗?jié)B性，阻礙了Cl 的滲入，且生成的Ca（OH）2和水化鋁酸鈣也能與游離的Cl 生成鹽晶體，當(dāng)鹽晶體體積小于土體內(nèi)部孔隙體積時(shí)，有利于土體抗壓強(qiáng)度提高，但過量的鹽晶體則會(huì)對(duì)孔壁產(chǎn)生膨脹裂縫，破壞土體結(jié)構(gòu)整體性，從而引起抗壓強(qiáng)度降低。

圖3 不同NaCl 溶液濃度下偏高嶺土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

2.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)

2.2.1 偏高嶺土摻量影響

干濕循環(huán)環(huán)境下，偏高嶺土摻量對(duì)偏高嶺土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響如圖4 所示。 由圖4 可知，在干濕循環(huán)環(huán)境下，隨著偏高嶺土摻量的增加，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈先增大后減小變化趨勢(shì)，其中偏高嶺土摻量≤3%時(shí)，偏高嶺土摻量每增加1%，其抗壓強(qiáng)度提高約14.3%，說明水泥土摻入偏高嶺土后抗干濕性能提高；當(dāng)偏高嶺土摻量超過3%后， 改良水泥土的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)降低，5%偏高嶺土改良水泥土的抗壓強(qiáng)度較普通水泥土降低了約5.6%，這是因?yàn)樗鄵搅枯^少，水化反應(yīng)生成的Ca（OH）2、硅酸鈣等產(chǎn)物減少，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)密實(shí)性也隨之降低。

圖4 不同偏高嶺土摻量下偏高嶺土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

2.2.2 干濕次數(shù)影響

干濕次數(shù)對(duì)偏高嶺土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響如圖5 所示。 由圖5 可知，干濕循環(huán)環(huán)境下，不同偏高嶺土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律基本一致，當(dāng)干濕次數(shù)＜3 次時(shí)，水泥土的抗壓強(qiáng)度均有所提高，而干濕次數(shù)超過3 次后，抗壓強(qiáng)度則逐漸降低。在清水和NaCl 溶液濃度為4.5 g/L，干濕循環(huán)3 次的水泥土抗壓強(qiáng)度較干濕1 次分別提高了約6.8%、9.1%， 說明水泥水化產(chǎn)物硅酸鈣等膠凝材料對(duì)土體的強(qiáng)度提高作用大于干濕循環(huán)對(duì)土體強(qiáng)度劣化作用；干濕循環(huán)超過3 次后，偏高嶺土水泥土抗壓強(qiáng)度隨干濕次數(shù)增加呈線性趨勢(shì)降低， 其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98 以上，干濕次數(shù)每增加1 次，清水和NaCl 溶液濃度為4.5 g/L 下的改良土抗壓強(qiáng)度降速相當(dāng)，約分別為2.3%、2.0%。

圖5 不同干濕次數(shù)下偏高嶺土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

3 結(jié)論

本文采用偏高嶺土等質(zhì)量替換水泥，通過室內(nèi)鹽溶液侵蝕試驗(yàn)和干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究了偏高嶺土改良水泥土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。 得到了以下結(jié)論：（1）同一NaCl 溶液濃度及浸泡時(shí)間下，3%偏高嶺土改良水泥土的抗鹽溶液侵蝕作用最強(qiáng)，偏高嶺土摻量≤3%時(shí)，增加偏高嶺土摻量能夠有效提高水泥土的抗鹽侵蝕性，5%偏高嶺土改良水泥土抗壓強(qiáng)度較普通水泥土抗壓強(qiáng)度降低約5.1%；（2）隨浸泡時(shí)間增加，偏高嶺土改良水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度前28 d 的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率快于后期；隨NaCl 溶液濃度增加，偏高嶺土改良水泥土抗壓強(qiáng)度逐漸增大；（3）干濕循環(huán)環(huán)境下，3%偏高嶺土改良水泥土的抗壓強(qiáng)度最大，偏高嶺土摻量≤3%，偏高嶺土摻量每增加1%，抗壓強(qiáng)度提高約14.3%，5%偏高嶺土改良水泥土的抗壓強(qiáng)度較于普通水泥土降低了約5.6%；（4）隨干濕次數(shù)增加，偏高嶺土水泥土抗壓強(qiáng)度前3 次逐漸提高，干濕次數(shù)超過3 次后，抗壓強(qiáng)度隨干濕次數(shù)增加呈線性趨勢(shì)降低，干濕次數(shù)每增加1 次，清水和NaCl 溶液濃度為4.5 g/L 環(huán)境下的抗壓強(qiáng)度約分別降低2.3%、2.0%。