崔新壯，張娜，王聰，車華橋，周亞旭

（山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南 250061）

黃河三角洲作為中國(guó)最年輕的大河三角洲，廣泛分布著以低液限粉土、含砂的亞黏土、粉砂土為主的沉積土，工程性質(zhì)差.同時(shí)，地下水和土的礦化度很高，導(dǎo)致該地區(qū)水泥土攪拌樁復(fù)合地基受腐蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)了許多工程問(wèn)題.目前尚未有關(guān)黃河三角洲含鹽水泥土（以下簡(jiǎn)稱水泥土）劣化問(wèn)題研究的報(bào)道.本文將通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究水泥土的劣化規(guī)律，并通過(guò)摻加粉煤灰、礦渣微粉等對(duì)水泥土改性，研究其防腐機(jī)理與措施，為水泥土攪拌樁的耐久性設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持.

1 黃河三角洲土水性質(zhì)

為了解黃河三角洲典型區(qū)域土水的特性，在濱德高速K15＋200處鉆芯取土樣和水樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn).分析發(fā)現(xiàn)，地基土主要為粉土，具有低液限、高含水率、低強(qiáng)度等特點(diǎn)，其壓縮系數(shù)大于0.5MPa－1，為高壓縮性粉土.采用JXA－8800R 型電子探針對(duì)土樣顆粒微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，如圖1所示.與普通粉土相比，黃河三角洲粉土顆粒磨圓度較高，針片狀顆粒少，經(jīng)水的長(zhǎng)時(shí)間浸泡侵蝕、顆粒撞擊和水流沖刷作用，顆粒表面破碎、剝蝕嚴(yán)重.

表1 0.5m 深處地下水的物理、化學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and chemical indices of the groundwater at the depth of 0.5m mg／L

2 含鹽水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 原材料與試件制備

水泥土土樣取自濱德高速公路K15＋200處、清表后1.0～1.5m 深處的含鹽土，水樣為地表下約0.5m 深處的含鹽水.水泥采用東岳水泥廠生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰（FA）采用一級(jí)粉煤灰，礦渣微粉（GGBS）質(zhì)量符合DB 31／T35《混凝土和砂漿用粒化高爐礦渣微粉》規(guī)定.按照J(rèn)TJ 057—1994《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》制作試件.

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)與鹽水浸泡養(yǎng)護(hù)2種養(yǎng)護(hù)方式，其中養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)模擬黃河三角洲地下水位以上的地下環(huán)境，鹽水浸泡養(yǎng)護(hù)模擬黃河三角洲地下水位以下的地下環(huán)境.水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)方案如表2所示，其中正常水泥土試件是原位土料經(jīng)3次水洗，用水泥加固后浸泡在淡水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，其他試件均在鹽水中養(yǎng)護(hù).在未改性水泥土中，水泥占土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.58%，改性時(shí)，將粉煤灰、礦渣微粉等質(zhì)量替代水泥.

表2 水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)方案Table 2 Soil－cement strength test project

3 室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 水泥土劣化規(guī)律分析

3.1.1 抗拉強(qiáng)度

圖3為正常水泥土與含鹽水泥土在不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化曲線.由圖3可見(jiàn)，在養(yǎng)護(hù)室環(huán)境下，含鹽水泥土與正常水泥土抗拉強(qiáng)度差異不大，說(shuō)明鹽對(duì)水泥土抗拉強(qiáng)度的影響不是很明顯.在浸泡環(huán)境下，28，180d齡期含鹽水泥土分別與正常水泥土抗拉強(qiáng)度相同，90d齡期含鹽水泥土抗拉強(qiáng)度大于正常水泥土.總的來(lái)說(shuō)，鹽分的存在并沒(méi)有使水泥土的抗拉強(qiáng)度降低.同時(shí)，養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)水泥土抗拉強(qiáng)度的影響較小，2種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下水泥土的抗拉強(qiáng)度相差不大.

圖3 水泥土抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化曲線Fig.3 Variation curves of tensile strength with time

3.1.2 抗壓強(qiáng)度

圖4為正常水泥土與含鹽水泥土在不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線.由圖4可見(jiàn)，在養(yǎng)護(hù)室環(huán)境下，含鹽水泥土初期抗壓強(qiáng)度低于正常水泥土，90d齡期時(shí)兩者基本相同，但是，180d齡期時(shí)，含鹽水泥土抗壓強(qiáng)度高于正常水泥土.這是由于水泥土在養(yǎng)護(hù)室經(jīng)正常水化作用后，水中的鹽析出并填充在水泥土的孔隙中使水泥土密實(shí)，從而使抗壓強(qiáng)度得到提高，而這一過(guò)程需要一定的時(shí)間，所以在后期這種密實(shí)作用才發(fā)揮出來(lái).

圖4 水泥土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線Fig.4 Variation curves of compressive strength with time

與養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)環(huán)境相比，在浸泡環(huán)境下，含鹽水泥土的抗壓強(qiáng)度一直低于正常水泥土，并且在90d齡期后，含鹽水泥土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較小.研究［8］表明，正常水泥土試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的對(duì)數(shù)近似線性增長(zhǎng)，其5a齡期的強(qiáng)度約為28d齡期的2～5倍.對(duì)浸泡于鹽水中的含鹽水泥土試件，由于鹽水的作用，鹽與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物強(qiáng)度低，且體積膨脹，使水泥土從表層剝落劣化，導(dǎo)致強(qiáng)度下降.在浸泡條件下，90，180d齡期的含鹽水泥土抗壓強(qiáng)度相對(duì)正常水泥土分別下降了18.5%，21.6%.由此可見(jiàn)，在地下水位以下，水泥土攪拌樁長(zhǎng)期被鹽水浸泡，其表層會(huì)逐漸劣化，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度越來(lái)越低，從而使水泥土樁體乃至復(fù)合地基的承載力降低.

3.2 粉煤灰抑制含鹽水泥土劣化效應(yīng)分析

圖5為不同粉煤灰摻量的水泥土在不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線.由圖5可見(jiàn)，含鹽水泥土抗壓強(qiáng)度總體上隨著粉煤灰摻量的增大而逐漸降低.在養(yǎng)護(hù)室環(huán)境下，水泥土抗壓強(qiáng)度隨著齡期的延長(zhǎng)而增大，但增大的速率要小于在鹽水中浸泡的水泥土.在鹽水浸泡環(huán)境下，當(dāng)粉煤灰摻量為40%時(shí)，水泥土后期抗壓強(qiáng)度增大速率最快，180d齡期其抗壓強(qiáng)度已接近全水泥固化的情況.這說(shuō)明添加粉煤灰有利于鹽水環(huán)境下水泥土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)，從而提高了含鹽水泥土后期抗腐蝕與抗劣化的能力.

圖5 不同粉煤灰摻量水泥土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線Fig.5 Variation curves of compressive strength of fly－ash modified soil－cement with time

粉煤灰屬于活性混合材料，與水拌和后不發(fā)生水化及凝結(jié)硬化，但在氫氧化鈣飽和溶液中，會(huì)發(fā)生顯著的水化反應(yīng)，即火山灰反應(yīng)，使游離消石灰減少或消除，可提高水化硅酸鈣膠凝物質(zhì)的質(zhì)量，從而使強(qiáng)度得以大幅提高.然而，火山灰反應(yīng)在時(shí)間上滯后于水泥的主體水化反應(yīng).同時(shí)，由于粉煤灰本身的活性以及早期生成物的強(qiáng)度都不及水泥，所以摻加粉煤灰后水泥土的早期強(qiáng)度低于只摻加水泥的水泥土.不過(guò)，隨著粉煤灰與水、土顆粒反應(yīng)的進(jìn)行，其后期強(qiáng)度會(huì)逐漸提高.

用粉煤灰替換部分水泥，既減少了水泥用量，又減少了水泥土受腐蝕的內(nèi)部因素.粉煤灰中的SiO2和Al2O3在水泥土孔隙中與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，其生成物填充、分割原來(lái)的大孔隙，使孔隙細(xì)化，從而降低水泥土的滲透性，阻礙侵蝕性介質(zhì)的侵入，可有效提高水泥土的抗腐蝕性.

3.3 礦渣微粉抑制含鹽水泥土劣化效應(yīng)分析

為了彌補(bǔ)粉煤灰早期強(qiáng)度的不足，在水泥土中摻加了礦渣微粉.圖6為不同礦渣微粉摻量的水泥土在不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線.由圖6可見(jiàn)，含鹽水泥土抗壓強(qiáng)度隨著礦渣微粉摻量的增加而增加，當(dāng)?shù)V渣微粉替代40%水泥后，其抗壓強(qiáng)度顯著提高.特別是在浸泡養(yǎng)護(hù)條件下，當(dāng)?shù)V渣微粉摻量達(dá)到40%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度與正常水泥土相當(dāng).所以，為了防止水泥土劣化，工程中建議用粉煤灰和礦渣微粉等質(zhì)量替代60%的水泥，而且礦渣微粉的摻量不小于40%.

采用礦渣微粉取代部分水泥能夠有效減輕腐蝕，是因?yàn)樘砑拥V渣微粉后減少了水泥的用量，從而減少了易腐蝕成分（氫氧化鈣和鋁酸三鈣）的含量，使水泥土“低鈣”.另外，礦渣微粉中含有活性成分，在堿性環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生二次反應(yīng)，這也可降低氫氧化鈣的含量，提高水泥土的抗腐蝕性能.礦渣微粉抗腐蝕的機(jī)理和粉煤灰抗腐蝕的機(jī)理類似.

4 水泥土SEM 分析

將水泥土密封養(yǎng)護(hù)7d，置于鹽水中浸泡21d后，采用日立掃描電子顯微鏡對(duì)改性和未改性水泥土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了SEM 分析，結(jié)果見(jiàn)圖7.由圖7可見(jiàn)，水泥土未改性前內(nèi)部孔隙較大，呈顆粒狀結(jié)構(gòu)，有較多針棒狀的鈣礬石晶體穿插在土顆粒間.用粉煤灰改性后，水泥土內(nèi)部孔隙較小，呈卷狀結(jié)構(gòu)，針棒狀的鈣礬石較少，這有利于后期強(qiáng)度的保持.在粉煤灰摻量不變的情況下，用礦渣微粉代替部分水泥后，水泥土內(nèi)部孔隙更小，卷狀物疊合緊密，鈣礬石生成明顯減少，水泥土強(qiáng)度提高.

5 水泥土XRD分析

將水泥土密封養(yǎng)護(hù)7d，置于鹽水中浸泡21d后，采用DPMAX2550X 射線衍射儀對(duì)不同水泥土進(jìn)行了XRD 分析，水泥土中各組分晶體的含量如表3所示，其XRD 圖譜見(jiàn)圖8.由表3可以看出，水泥土改性后，對(duì)強(qiáng)度有利的C－S－H和C－A－H 增多，說(shuō)明粉煤灰和礦渣微粉對(duì)水泥土的劣化起到了顯著的抑制效應(yīng).

表3 水泥土中的主要化學(xué)及礦物組成Table 3 Component（by mass）of the soil－cement %

圖8 不同水泥土X 射線衍射圖譜Fig.8 X－ray diffraction patterns of different soil－cement

6 結(jié)論

（1）黃河三角洲地下鹽水對(duì)水泥土有顯著的腐蝕效應(yīng).與正常水泥土相比，90，180d鹽水浸泡水泥土的抗壓強(qiáng)度分別降低了18.5%，21.6%.

（2）粉煤灰的摻加對(duì)水泥土的早期強(qiáng)度不利，但會(huì)使其后期強(qiáng)度持續(xù)增加.

（3）礦渣微粉對(duì)水泥土強(qiáng)度有很明顯的提升作用.同時(shí)，礦渣微粉有很強(qiáng)的抗腐蝕作用，能有效抑制鹽水區(qū)水泥土劣化，是水泥土理想的改性劑.

（4）在黃河三角洲高含鹽地下水環(huán)境下，為了防治水泥土攪拌樁承載性能劣化，可用粉煤灰和礦渣微粉等質(zhì)量代替60%的水泥，且礦渣微粉摻量不小于40%.

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