水泥加固淤泥土力學(xué)與抗海水腐蝕性能研究*

陰琪翔，侯明姣，程強強，張夢缽

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑建造學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

江浙地區(qū)存在大量的湖泊和海洋環(huán)境，軟土分布廣泛，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣、含水率高、孔隙比大、力學(xué)強度小，難以滿足地基承載要求，易引發(fā)建筑結(jié)構(gòu)的地基失穩(wěn)、破壞開裂、工程造價高等問題[1-3]。水泥加固淤泥土可以有效改善軟土地層的力學(xué)性能，提升地基的承載能力，并且施工工藝簡單、成本可控，是目前解決軟土地層施工的重要方法之一[4-6]。

眾多學(xué)者在水泥加固淤泥土方面開展了大量的研究工作。吳燕開等[7]針對海相淤泥土開展了不同氯鹽濃度的侵蝕實驗，分析了氯鹽濃度對水泥加固淤泥土力學(xué)特性的影響規(guī)律；周本濤等[8]研究了水泥摻量以及凍融循環(huán)對水泥加固淤泥土力學(xué)特性的影響規(guī)律；劉宜昭等[9]分析了水泥加固土的Pb2+、Zn2+等重金屬的隔離能力，給出了有效隔離的水泥加固土厚度；陳庚等[10]針對水泥加固淤泥土的拌合均勻度展開研究，給出了有效的量化方法和測試手段；陳剛等[11]開展了水泥加固淤泥土的力學(xué)特性測試和Cl-運移規(guī)律研究，探討了Cl-侵蝕時間對力學(xué)性能的影響規(guī)律。然而，目前在水泥加固淤泥土的抗海水腐蝕方面的研究較少，江浙地區(qū)的臨海軟土工程施工缺乏理論支撐。因此，本文制備了不同水泥摻量的水泥加固淤泥土試件，開展了不同海水試劑干濕循環(huán)后的力學(xué)性能測試，分析了單軸抗壓強度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨水泥摻量和干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。本文的研究成果可為水泥加固淤泥土的工程使用提供理論支撐。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器

實驗材料有淤泥土、水泥、攪拌水和人工海水試劑。

（1）淤泥土 淤泥土取自徐州銅山區(qū)某基坑3～5m 處，XRD 測試結(jié)果顯示，其主要礦物成分由長石、石英、伊利石和蒙脫石組成，淤泥土的基本物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 淤泥土的基本物理力學(xué)性質(zhì)Tab.1 Basic physical and mechanical properties of silty soils

（2）水泥 水泥選用徐州潤發(fā)水泥制品有限公司的P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，其主要化學(xué)成分見表2。

表2 水泥的主要化學(xué)成分（%）Tab.2 The main chemical composition of cement

（3）攪拌水 攪拌水選用普通自來水。

（4）人工海水試劑 人工海水試劑選取上海光語生物科技有限公司的海水試劑，其主要物質(zhì)含量見表3。

表3 人工海水試劑的主要物質(zhì)含量Tab.3 The main substance content of artificial seawater reagent

（5）儀器 DHG-3000AE 型立式鼓風(fēng)干燥箱（蘇州峻航電器設(shè)備有限公司）；門式三軸試驗系統(tǒng)（長春朝陽儀器廠）。

1.2 實驗方法

1.2.1 試件的制備 首先，將原狀淤泥土放入烘干箱（立式鼓風(fēng)干燥箱DHG-3000AE）烘干；然后，將干淤泥土和水泥按照一定質(zhì)量比（水泥摻量分別為4%、8%、12%、16%和20%）放入攪拌機充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅瑢⒂倌嗤梁蕿?1.4%的攪拌水分多次加入攪拌機攪拌均勻；最后，將水泥加固淤泥土分3 次倒入模具中，每次振搗2～3min，恒溫恒濕養(yǎng)護3～5d后脫模，繼續(xù)恒溫恒濕養(yǎng)護28d。

1.2.2 干濕循環(huán)實驗 將養(yǎng)護28d 的水泥加固淤泥土在人工海水溶劑中浸泡8h 后，自然干燥40h，即2d 為一個干濕周期。分別開展各類配比加固土0、2、5、8、12、18 次的干濕循環(huán)實驗。

1.2.3 力學(xué)特性測試 將經(jīng)過不同干濕循環(huán)次數(shù)后的不同水泥摻量的水泥加固淤泥土分別進行單軸抗壓強度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角測試（門式三軸試驗系統(tǒng)），分析水泥摻量以及海水侵蝕對水泥加固淤泥土力學(xué)性能的影響規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥摻量對淤泥土力學(xué)性能的影響

2.1.1 抗壓強度 向淤泥土中摻加不同質(zhì)量的水泥并養(yǎng)護28d 后，其抗壓強度分布曲線見圖1。

圖1 水泥摻量對淤泥土抗壓強度的影響Fig.1 Effect of the cement content on the compressive strength of silty soils

由圖1 可見，水泥摻量分別為4%、8%、12%、16%和20%時，水泥加固淤泥土的無側(cè)限單軸抗壓強度分別為0.31、1.09、1.62、2.59 和3.48MPa。由這種變化趨勢上看，隨著水泥摻量（w）的增大，水泥加固淤泥土的無側(cè)限單軸抗壓強度Rc呈現(xiàn)線性增長特征：Rc=-0.534+0.196w，即水泥摻量每增加1%，其值增長約為0.196MPa。出現(xiàn)這種變化現(xiàn)象的原因在于，水泥水化反應(yīng)不僅可以消耗掉淤泥土中大量的孔隙自由水，而且水化反應(yīng)產(chǎn)生的高硬性物質(zhì)可以填充在淤泥土孔隙中，增強土顆粒間的相互作用，進而增加淤泥土的密實性和骨架體系強度；水泥摻量越大，這種提升作用就越明顯，相應(yīng)的加固淤泥土抗壓性能就越好。

2.1.2 內(nèi)聚力 不同水泥摻量下淤泥加固土養(yǎng)護28d 后的內(nèi)聚力變化曲線見圖2。

圖2 水泥摻量對淤泥土內(nèi)聚力的影響Fig.2 Effect of the cement content on the cohesion of silty soils

由圖2 可見，未摻加水泥時，淤泥土的內(nèi)聚力很小，僅為0.006MPa。而摻加4%、8%、12%、16%和20%的水泥后，淤泥土的內(nèi)聚力則分別增加至0.102、0.354、0.515、0.722 和0.921MPa。由此可知，隨著水泥摻量w 的增大，淤泥加固土的內(nèi)聚力c 也呈近線性增大：c=-0.034+0.047w，即水泥摻量每增加1%，其值增長約0.047MPa。出現(xiàn)這種變化現(xiàn)象的原因在于，水泥摻量越大，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物就越多，淤泥加固土的孔隙率就越小，其密實性和顆粒黏結(jié)性也越高，相應(yīng)的內(nèi)聚力也越大。

2.1.3 內(nèi)摩擦角 不同水泥摻量下淤泥加固土養(yǎng)護28d 后的內(nèi)摩擦角變化曲線見圖3。

圖3 水泥摻量對淤泥土內(nèi)摩擦角的影響Fig.3 Effect of the cement content on the internal friction angle of silty soils

由圖3 可見，未摻加水泥時，淤泥土的內(nèi)摩擦角很小，僅為4.9°。而摻加4%、8%、12%、16%和20%的水泥后，淤泥土的內(nèi)摩擦角就分別增加至12.1°、18.3°、24.0°、27.9°和30.8°。由此可見，隨著水泥摻量w 的增大，淤泥加固土的內(nèi)摩擦角φ 呈指數(shù)衰減式增大：φ=-40.94e-w/19.44+45.68，即水泥摻量達到一定值后，淤泥加固土的內(nèi)摩擦角就基本保持不變。出現(xiàn)這種變化的原因在于，水泥水化產(chǎn)物填充在淤泥土孔隙中能夠增強土體顆粒相互間的摩擦系數(shù)，提高淤泥加固土的內(nèi)摩擦角，但當(dāng)水泥摻量達到一定值后，淤泥土孔隙中將完全被水泥水化產(chǎn)物所填充，土體顆粒間摩擦系數(shù)就基本保持穩(wěn)定，此時再增加水泥摻量對淤泥加固土內(nèi)摩擦角影響不大。

2.2 水泥加固淤泥土抗海水腐蝕性能分析

2.2.1 抗壓強度變化規(guī)律 隨著海水干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同水泥摻量下加固淤泥土的抗壓強度變化情況見圖4、5。

圖4 海水干濕循環(huán)次數(shù)對淤泥土抗壓強度的影響Fig.4 Effect of different dry-wet cycles of seawater on the compressive strength of silty soils

由圖4 可見，隨著海水干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同水泥摻量下加固淤泥土的抗壓強度均呈現(xiàn)不斷變小的變化規(guī)律，但其減小的幅度卻越來越小，以水泥摻量為12%為例，其抗壓強度在前2 次海水干濕循環(huán)后減小了0.29MPa（相當(dāng)于每次干濕循環(huán)后減小0.145MPa），在第5 次至第8 次海水干濕循環(huán)后減小了0.16MPa（相當(dāng)于每次干濕循環(huán)后減小0.053MPa），在第12 次至第18 次海水干濕循環(huán)后減小了0.20MPa（相當(dāng)于每次干濕循環(huán)后減小0.033MPa）。出現(xiàn)這種變化的原因在于，海水中的Cl-、S以及Mg2+等侵蝕性離子會在干濕循環(huán)過程中通過加固淤泥中的導(dǎo)水孔隙通道與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成膨脹性物質(zhì)CaCl2·6H2O，破壞加固土顆粒間的粘結(jié)作用，導(dǎo)致加固土抗壓強度逐漸下降，初期水泥水化產(chǎn)物越多，加固土抗壓強度在干濕循環(huán)過程中下降就越明顯。

由圖5 可見，水泥摻量越大，加固淤泥土在整個干濕循環(huán)過程中抗壓強度損失值就越小，以海水干濕循環(huán)次數(shù)為18 次為例，4%、8%、12%、16%和20%水泥摻量的加固土抗壓強度損失率分別為67.7%、64.2%、61.1%、57.9%以及54.5%。原因在于，水泥摻量越大，加固淤泥土的孔隙率就越小，海水中的侵蝕性離子就越難通過加固土中的導(dǎo)水孔隙通道進入加固淤泥土內(nèi)部與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)?？梢?，水泥摻量的增大能夠提高加固淤泥土的抗海水腐蝕能力。

圖5 海水干濕循環(huán)次數(shù)對淤泥土抗壓強度損失率的影響Fig.5 Effect of different dry-wet cycles of seawater on the loss rate of compressive strength of silty soils

2.2.2 內(nèi)聚力變化規(guī)律 隨著海水干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同水泥摻量下加固淤泥土的內(nèi)聚力變化情況見圖6。

圖6 海水干濕循環(huán)次數(shù)對淤泥土內(nèi)聚力的影響Fig.6 Effect of different times of wet and dry sea water cycles on the cohesion of silty soils

由于海水干濕循環(huán)過程中，海水中的侵蝕性離子會進入加固淤泥土中與水泥水化產(chǎn)物生成膨脹性腐蝕產(chǎn)物，破壞加固淤泥土中由水泥水化產(chǎn)物與土組成的承載體系結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致加固淤泥土內(nèi)聚力隨海水干濕循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為8 次時，4%、8%、12%、16%和20%水泥摻量下加固土內(nèi)聚力分別為0.069、0.227、0.351、0.521 和0.685MPa，比未受海水腐蝕前減小了32.3%、35.9%、31.8%、27.9%以及25.6%。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為18 次時，4%、8%、12%、16%和20%水泥摻量下加固土內(nèi)聚力分別為0.040、0.124、0.245、0.388 和0.505MPa，比未受海水腐蝕前減小了60.8%、65.0%、52.4%、46.3%以及45.2%。這說明，水泥摻量的增大可以增強加固淤泥土的耐久性，提高它的抗Cl-腐蝕性能。

2.2.3 內(nèi)摩擦角變化規(guī)律 隨著海水干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同水泥摻量下加固淤泥土的內(nèi)摩擦角變化情況見圖7。

圖7 海水干濕循環(huán)次數(shù)對淤泥土內(nèi)摩擦角的影響Fig.7 Effect of different times of wet and dry sea water cycles on the internal friction angle of silty soil

由圖7 可見，隨著海水干濕循環(huán)次數(shù)的增大，加固淤泥土中的腐蝕性物質(zhì)會不斷增多，其孔隙率也將不斷增大，導(dǎo)致不同水泥摻量下加固淤泥土內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為8 次時，4%、8%、12%、16%和20%水泥摻量下加固土內(nèi)摩擦角分別為10.0°、15.1°、17.7°、20.1°和24.0°，比未受海水腐蝕前減小了17.4%、17.5%、26.3%、28.0%以及22.1%。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為18 次時，4%、8%、12%、16%和20%水泥摻量下加固土內(nèi)摩擦角分別為7.8°、11.8°、15.5°、18.4°和19.2°，比未受海水腐蝕前減小了35.5%、35.5%、35.4%、34.1%以及37.7%。這說明海水腐蝕作用對加固淤泥土內(nèi)摩擦角的影響相比內(nèi)聚力要弱，水泥摻量的增大對海水干濕循環(huán)作用下加固土內(nèi)摩擦角的損失比率影響不大。

3 結(jié)論

（1）隨著水泥摻量的增大，水泥加固淤泥土的無側(cè)限單軸抗壓強度和內(nèi)聚力呈線性增長特征：水泥摻量每增加1%，水泥加固淤泥土抗壓強度和內(nèi)聚力將分別增長0.196MPa 和0.047MPa。

（2）隨著水泥摻量的增大，淤泥加固土的內(nèi)摩擦角呈指數(shù)衰減式增大，當(dāng)水泥摻量達到一定值后，淤泥加固土的內(nèi)摩擦角就基本保持不變。

（3）隨著海水干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同水泥摻量下加固淤泥土的抗壓強度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)不斷變小的變化規(guī)律，但其減小的幅度卻越來越小。

（4）水泥摻量越大，加固淤泥土在整個海水干濕循環(huán)過程中的抗壓強度和內(nèi)聚力損失值就越小，說明水泥摻量的增大能夠有效提高加固淤泥土的抗海水腐蝕能力。