劉泉聲 ，屈家旺，柳志平，何 軍

（1.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071；3.中建三局投資發(fā)展公司，武漢 430060）

1 引 言

水泥土因具有材料來源廣泛、施工便捷、價(jià)格低廉、性能良好等特點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于基坑圍護(hù)、地基處理和邊坡加固等工程中[1]。港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道作為港珠澳大橋的重要組成部分，其明挖段基底采用高壓噴射注漿法和粉體噴射攪拌法相結(jié)合的方式進(jìn)行加固處理，處理后的基底含有大量的水泥土[2]；同時(shí)，該基底地下水與具有侵蝕性的海水連通，海水侵蝕會(huì)引起水泥土的礦物成分和微細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能發(fā)生變化，對(duì)工程安全產(chǎn)生一定影響。因此，探索海水侵蝕環(huán)境下水泥土的力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律，對(duì)工程安全保障具有重要意義。

目前國內(nèi)外針對(duì)水泥土在侵蝕環(huán)境下的研究，主要從室內(nèi)試驗(yàn)出發(fā)，研究侵蝕環(huán)境對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。如董曉強(qiáng)等[3]研究了硫酸污染對(duì)水泥土電阻率特性的影響；車冬日等[4]提出了聯(lián)合測(cè)定水泥土初期pH 值與電導(dǎo)率的方式來判斷其后期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與混合土性狀的方法；韓鵬舉等[5]通過模擬試驗(yàn)探討了不同硫酸鎂溶液環(huán)境下不同齡期的水泥土表觀和抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。楊俊杰等[6]開發(fā)了一種能夠近似模擬加固體形成環(huán)境的養(yǎng)護(hù)裝置，探索了加固體在腐蝕性場(chǎng)地的劣化問題；閆亞杰等[7]提出了一個(gè)污染環(huán)境對(duì)水泥土侵蝕的離子遷移模型，然而，對(duì)不同工藝的水泥土在侵蝕環(huán)境下物理力學(xué)特性以及多組分溶液長期侵蝕對(duì)水泥土的強(qiáng)度特性的影響的研究少有報(bào)道。

粉體噴射攪拌法[8]處理地基所形成的水泥土樁體是地下水、水泥和原位土相結(jié)合的產(chǎn)物，當(dāng)?shù)叵滤泻星治g性物質(zhì)時(shí)，樁體內(nèi)部也會(huì)含有與外部侵蝕性溶液具有相同離子種類和濃度的侵蝕性物質(zhì)，而高壓噴射注漿法處理地基所形成的水泥土樁體是清水、水泥和原位土相結(jié)合的產(chǎn)物，可以認(rèn)為，水泥土內(nèi)部不含侵蝕性物質(zhì)。本文根據(jù)上述兩種加固施工工藝設(shè)計(jì)兩組室內(nèi)試驗(yàn)[9]，選用淤泥質(zhì)土和砂土為水泥土的制作原料土，以氯化鈉、氯化鎂和硫酸鎂為侵蝕性物質(zhì)[10－12]，研究水泥土試塊在單組分侵蝕溶液短時(shí)浸泡下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律、內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征以及浸泡溶液中離子變化規(guī)律。此外，為使研究進(jìn)一步接近工程實(shí)際，以力學(xué)性質(zhì)較差的淤泥質(zhì)土為水泥土的制作原料土，以海水中常見成分氯化鈉為基本溶質(zhì)，配置氯化鈉和氯化鎂、氯化鈉和硫酸鎂的混合溶液，研究雙組分侵蝕溶液長期浸泡下水泥土的強(qiáng)度特性變化。

2 試驗(yàn)方案

2.1 水泥土試塊制備及養(yǎng)護(hù)

由于工程未開工，獲取現(xiàn)場(chǎng)地下水和土體非常困難，因此，本文中水泥土中使用的淤泥質(zhì)土選用武漢市內(nèi)某處地下2 m 深處無污染土體，土體相對(duì)密度為2.68，液限為39.3%，塑限為20.7%；砂土為常規(guī)建筑用砂，土體相對(duì)密度為2.64，含水率為0.30%；水泥為P42.5 普通硅酸鹽水泥。

將所取淤泥質(zhì)土和砂土風(fēng)干后過2 mm 篩，水泥土材料質(zhì)量比為：干土100 g，水泥15 g，水40 mL，其中試驗(yàn)1、3 采用的水為配置水（在清水中加入與浸泡溶液濃度相同的侵蝕性物質(zhì)），試驗(yàn)2采用的水為普通自來水。將上述比例的材料加入5 L的小型攪拌機(jī)中進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁瑪嚢韬蟮乃嗤裂b入邊長7.07 cm 標(biāo)準(zhǔn)砂漿模[13]，放在0.5 m×0.5 m 小型振動(dòng)臺(tái)上震動(dòng)90 s，制作的水泥土試塊砂土1 d、淤泥質(zhì)土3 d 脫模，脫模后放入預(yù)先配置好的侵蝕環(huán)境中進(jìn)行浸泡試驗(yàn)。

2.2 浸泡溶液的制備

試驗(yàn)1 采用的侵蝕物質(zhì)為硫酸鎂、氯化鎂和氯化鈉，濃度為[14]0、1.5、4.5、9.0、18.0、22.5 g/L，浸泡時(shí)間為7、14、28 d，試塊對(duì)應(yīng)浸泡于含相同濃度侵蝕物質(zhì)的溶液中，每組溶液制作3個(gè)平行樣品，共制作水泥土試塊288個(gè)。為了保證浸泡溶液濃度不變，每天更換一次溶液，以維持環(huán)境中侵蝕物質(zhì)濃度的不變。

試驗(yàn)2 采用的侵蝕物質(zhì)為氯化鈉和氯化鎂，濃度為0、1.5、3.0、6.0 g/L。浸泡時(shí)間為7、14、28 d，每組溶液制作4個(gè)平行樣品，共制作水泥土試件192個(gè)。侵蝕溶液需每天進(jìn)行攪拌，以防止溶液出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象，定期取出溶液進(jìn)行濃度鑒定。

試驗(yàn)3 采用的混合溶液中侵蝕物質(zhì)濃度分別為0，NaCl(30 g/L)+MgCl2(0、1.5、4.5、9.0、18.0、22.5 g/L)，NaCl(30 g/L)+MgSO4(1.5、4.5、9.0、18.0、22.5 g/L)，浸泡時(shí)間為90、180、270 d，每組溶液制作3個(gè)平行樣品，共制作水泥土試件108個(gè)。28 d 內(nèi)每天更換一次溶液，28 d 后每周更換一次溶液，3個(gè)月后每14 d 更換一次溶液，以維持浸泡溶液中侵蝕物質(zhì)濃度不變。

2.3 試驗(yàn)方法

對(duì)浸泡后的水泥土試塊進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每組進(jìn)行3個(gè)平行試驗(yàn)。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)在中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所600 kN 液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，此外試驗(yàn)2 每組取一個(gè)試樣進(jìn)行電鏡掃描[15－16]，電鏡掃描在quanta200 型掃描電鏡上進(jìn)行，放大倍數(shù)為3 000。離子濃度采用DIONEX ICS-900 離子色譜儀進(jìn)行鑒定。

3 試驗(yàn)1 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由砂土制作的水泥土試塊在硫酸鎂、氯化鎂及氯化鈉3 種溶液中浸泡7、14 和28 d 后表面均完好，而淤泥質(zhì)土制作的水泥土試塊，在部分濃度的硫酸鎂和氯化鎂溶液中浸泡一定時(shí)間后，試塊表面均出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，未進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)1 所得的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化圖如圖1～4 所示。

圖1 試驗(yàn)1 中氯化鈉溶液中砂土水泥土試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化Fig.1 Unconfined compression strength variation of sand cemented soil in NaCl solution of test 1

圖2 試驗(yàn)1 中氯化鎂溶液中砂土水泥土試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化Fig.2 Unconfined compression strength variation of sand cemented soil in MgCl2solution of test 1

圖3 試驗(yàn)1 中硫酸鎂溶液中砂土水泥土試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化Fig.3 Unconfined compression strength variation of sand cemented soil in MgSO4solution of test 1

將侵蝕環(huán)境中水泥土的抗壓強(qiáng)度做如下分解：

式中：Qq為侵蝕環(huán)境下水泥土的強(qiáng)度；Qz為清水（溶液濃度為0）環(huán)境下水泥土的強(qiáng)度；Qh為侵蝕環(huán)境導(dǎo)致的水泥土的強(qiáng)度的變化值。

圖4 試驗(yàn)1 中氯化鈉溶液中淤泥質(zhì)土水泥土試塊抗壓強(qiáng)度的變化Fig.4 Unconfined compression strength variations of mucky soil cemented soil in NaCl solution of test 1

如圖1、4 所示，水泥土試塊在氯化鈉溶液中浸泡7、14 和28 d，隨浸泡時(shí)間和溶液濃度增加，水泥土試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均增大。在氯化鈉溶液中水泥土試塊均滿足Qh>0，表明在短期內(nèi)氯化鈉溶液可以提高水泥土試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

由圖2 可知，砂土水泥土試塊在氯化鎂溶液中浸泡7、14 和28 d，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨溶液濃度的增加而先減小再增大最后再減小，其中清水浸泡下試塊抗壓強(qiáng)度最大，其次是在溶液濃度為9.0 g/L時(shí)。侵蝕溶液濃度相同時(shí)，隨浸泡時(shí)間的增加，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大。氯化鎂溶液中水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均低于在清水中浸泡的水泥土試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，即Qh<0，說明短期內(nèi)氯化鎂溶液對(duì)水泥土有顯著的侵蝕作用。

對(duì)比圖1、2 發(fā)現(xiàn)，氯化鎂溶液中Qh<0，而氯化鈉溶液中的Qh>0，而氯化鎂和氯化鈉溶液的不同點(diǎn)在于陽離子的不同，由此可以認(rèn)為，短期內(nèi)鎂離子對(duì)水泥土試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響效果與鈉離子相反。

圖3 中，水泥土試塊在硫酸鎂溶液中分別浸泡7、14 和28 d，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著溶液濃度的增加先減小后變大，在溶液濃度為9.0 g/L時(shí)強(qiáng)度值最??；在硫酸鎂溶液中，隨著浸泡時(shí)間的增加水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先減小后變大。硫酸鎂溶液中水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均低于在清水中浸泡的強(qiáng)度值，即Qh<0,說明短期內(nèi)硫酸鎂溶液對(duì)水泥土有的侵蝕作用。

4 試驗(yàn)2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 水泥土力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

淤泥質(zhì)土制作的水泥土試塊在清水、氯化鈉和氯化鎂溶液中浸泡7、14 和28 d時(shí)均出現(xiàn)了破壞現(xiàn)象，未能進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)中水泥土中所添加的水泥含量為15%，因此，在實(shí)際工程中，需根據(jù)土質(zhì)的實(shí)際情況確定水泥土中水泥的含量，特別是在淤泥質(zhì)水泥土中，水泥的含量不能低于15%。砂土制作的水泥土試塊的力學(xué)性質(zhì)則相對(duì)較好，其無側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果如圖5～8 所示。

圖5 試驗(yàn)2 中氯化鈉溶液中砂土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化Fig.5 Unconfined compression strength variations of sand cemented soil in NaCl solution of test 2

圖6 試驗(yàn)2 中氯化鈉溶液中砂土水泥土的Qh的變化Fig.6 Qhvariations of sand cemented soil in NaCl solution of test 2

圖7 試驗(yàn)2 中氯化鎂溶液中砂土水泥土試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化Fig.7 Unconfined compression strength variations of sand cemented soil in MgCl2solution of test 2

圖8 試驗(yàn)2 中氯化鎂溶液中砂土水泥土試塊的Qh的變化Fig.8 Qhvariations of sand cemented soil in MgSO4solution of test 2

由圖5 可知，隨著溶液濃度和浸泡時(shí)間的增加，氯化鈉溶液中砂土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均增大，由圖6 可以看出，在相同的齡期下，隨溶液濃度的增加，水泥土的Qh值增大；在相同的溶液濃度下，水泥土的Qh值也隨齡期的增加而增大，說明短期內(nèi)增加氯化鈉溶液濃度和齡期，均能提高砂土水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，這與試驗(yàn)1 的結(jié)論一致。

觀察圖7 不難發(fā)現(xiàn)，氯化鎂溶液中，水泥土試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著溶液濃度的增加先增加后減小，隨著浸泡時(shí)間的增加而增大。相同浸泡時(shí)間下清水中水泥土試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比氯化鎂溶液中小，表明氯化鎂溶液短期內(nèi)可以提高水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，這與試驗(yàn)1 所得結(jié)論相反，這是由于當(dāng)水泥土試塊本身不含氯化鎂時(shí)，氯化鎂首先需要向水泥土試塊內(nèi)部遷移，導(dǎo)致氯化鎂與水泥土成分反應(yīng)減慢，反應(yīng)生成物氫氧化鎂較少時(shí)，氫氧化鎂填充水泥土孔隙，能一定程度提高水泥土強(qiáng)度。

由圖8 可知，氯化鎂溶液中，相同浸泡時(shí)間水泥土試塊的Qh值隨著濃度的增加而減小。溶液濃度越高，水泥土試塊的Qh越早出現(xiàn)峰值。

此外，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在溶液濃度為1.5 g/L時(shí)，氯化鎂溶液對(duì)水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高幅度大于氯化鈉溶液，而在溶液濃度為3.0，6.0 g/L時(shí)，氯化鎂溶液對(duì)水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高幅度小于氯化鈉溶液。

4.2 電鏡試驗(yàn)結(jié)果及分析

一般研究水泥土的微觀結(jié)構(gòu)從以下3個(gè)方面入手：微結(jié)構(gòu)基本單元體的形狀和大小、基本單元體間的接觸狀態(tài)、基本單元體間的聯(lián)接形式。掃描電鏡只能觀測(cè)到水泥土的形狀，而相互作用力的測(cè)試，還必須結(jié)合探針分析、化學(xué)分析等進(jìn)行綜合測(cè)定[17－19]。下面分析比較水泥土電鏡掃面圖，探索不同侵蝕性離子、不同侵蝕濃度以及不同侵蝕時(shí)間下水泥土試件微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。由于氯化鈉溶液中水泥土強(qiáng)度變化規(guī)律比較單調(diào)，因此，下面僅對(duì)氯化鎂溶液中浸泡的砂土水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

4.2.1 相同侵蝕濃度下不同侵蝕時(shí)間水泥土試塊微觀結(jié)構(gòu)的對(duì)比

砂土水泥土試塊分別在1.5、3.0、6.0 g/L 的氯化鎂溶液中浸泡7、14、28 d 后電鏡掃描3 000 倍示意圖如圖9 所示。

圖9 氯化鎂溶液中的砂土水泥土放大3 000 倍的微觀結(jié)構(gòu)Fig.9 3000X microscopic structures of sand cemented soils in MgCl2solution

橫向?qū)Ρ葓D9 各圖可以發(fā)現(xiàn)：①侵蝕溶液濃度為1.5 g/L時(shí)，侵蝕時(shí)間為14 d 的試樣與7 d 的試樣相比，顆粒體積更大，團(tuán)?；用黠@，孔隙也有所減少,顆粒上生成的針狀鈣礬石晶體有所減少，形態(tài)由細(xì)長變?yōu)槎檀帧?8 d 試樣的顆粒體積進(jìn)一步增大，水化反應(yīng)產(chǎn)物將土體顆粒緊密聯(lián)接成塊體，排列致密有序，且孔隙結(jié)構(gòu)大幅減少。同時(shí)針狀鈣礬石晶體也進(jìn)一步減少，這是由于在相對(duì)較低濃度的侵蝕環(huán)境下，水泥土的水化反應(yīng)仍在持續(xù)進(jìn)行，且水化反應(yīng)速率大于侵蝕反應(yīng)速率。水泥土微觀結(jié)構(gòu)變得更加致密，宏觀上也表現(xiàn)為強(qiáng)度的提高。②侵蝕溶液濃度為3.0 g/L時(shí)，14 d 與7 d 試樣相比，顆粒增大，團(tuán)粒化更為明顯一些，顆粒間鏈接更緊密，說明在此濃度的侵蝕下，14 d 內(nèi)的水化反應(yīng)速率大于侵蝕反應(yīng)速率，試樣宏觀強(qiáng)度增強(qiáng)。而與14 d 試樣相比，28 d 試樣的顆粒粒徑及孔隙結(jié)構(gòu)都有較顯著地增加，且28 d試樣出現(xiàn)大量細(xì)長的針狀鈣礬石，顆粒增大及孔隙增加分別反映出水化反應(yīng)對(duì)水泥土強(qiáng)度的增強(qiáng)作用及侵蝕反應(yīng)對(duì)水泥土強(qiáng)度的削弱作用，但宏觀上14、28 d 強(qiáng)度并無較大變化，說明上述兩種作用效果基本相當(dāng)。③在6.0 g/L 的高濃度氯化鎂溶液浸泡下，14 d 試樣顆粒聯(lián)接程度相較7 d已有所減弱，聯(lián)接由板塊狀變?yōu)榱?，顆粒邊界輪廓更加明顯，針狀鈣礬石晶體生成趨勢(shì)則與之前幾組侵蝕濃度相似，都隨著浸泡時(shí)間增加而減少。這說明高濃度侵蝕下，侵蝕速率加快，水化反應(yīng)速率小于侵蝕反應(yīng)速率，28 d 的試樣與14 d 相比整體聯(lián)接變?nèi)酰尸F(xiàn)顆?；厔?shì)，排列松散，粒徑也有所減小，針狀鈣礬石細(xì)長。此時(shí)侵蝕反應(yīng)劣化效應(yīng)大大超過了水化反應(yīng)加強(qiáng)效果，試樣宏觀強(qiáng)度逐步下降。在高濃度侵蝕環(huán)境下，水泥土試樣浸泡時(shí)間越長，其顆粒排列越松散，孔隙也更加發(fā)育。侵蝕反應(yīng)弱化了顆粒間的聯(lián)接，同時(shí)顆粒粒徑也在減小，之前填補(bǔ)顆粒孔隙的未穩(wěn)定的水化產(chǎn)物被分解，水泥土結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)性質(zhì)劣化。同時(shí)比較7、14 及28 d的試樣可以看出，隨著浸泡時(shí)間的增加，侵蝕速率也在加快，微觀結(jié)構(gòu)有加速劣化的趨勢(shì)。

4.2.2 相同侵蝕時(shí)間下不同侵蝕濃度水泥土試塊微觀結(jié)構(gòu)的對(duì)比

豎向比較圖9 各圖可以看出，①侵蝕時(shí)間為7 d時(shí)，1.5 g/L 的低侵蝕濃度試樣相較于更高濃度的兩組，針狀鈣礬石晶體發(fā)育，孔隙被填充的程度更高，同時(shí)顆粒聯(lián)接結(jié)構(gòu)也更致密，說明在侵蝕的初期，各濃度下水化反應(yīng)都在進(jìn)行，而低濃度環(huán)境下其反應(yīng)速率更大，受侵蝕離子的影響較小，水化產(chǎn)物更為豐富。②侵蝕時(shí)間為14 d時(shí)，可以明顯地看出，當(dāng)侵蝕液濃度升高時(shí)，土體顆粒間的聯(lián)接減弱，顆粒更加分散。同時(shí)較高濃度時(shí)，針狀鈣礬石晶體也生成得更少。說明在更高濃度的侵蝕環(huán)境下，侵蝕反應(yīng)速率明顯加快，削弱了水化反應(yīng)，不穩(wěn)定水化產(chǎn)物被分解。受此影響顆粒間的聯(lián)接減弱，排列更加松散，宏觀上表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度的下降。侵蝕時(shí)間為28 d時(shí)，隨著侵蝕濃度的升高，3 組試樣針狀鈣礬石晶體從無到發(fā)育再到不發(fā)育，微觀顆粒聯(lián)接不斷減弱，減弱幅度比14 d 更大，由聯(lián)接緊密的塊體變?yōu)橛深w粒組成的團(tuán)粒，再變?yōu)榱礁〉乃缮㈩w粒。高侵蝕濃度中，水化反應(yīng)速率遠(yuǎn)小于侵蝕反應(yīng)速率，在土顆粒間能起到聯(lián)接作用的水化產(chǎn)物減少，顆粒受固化劑加固的效果減弱。

總體來說，電鏡掃描結(jié)果與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果相符合，進(jìn)一步驗(yàn)證了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的有效性。

4.3 侵蝕溶液濃度隨時(shí)間變化結(jié)果及分析

試驗(yàn)用浸泡容器的體積為0.013 1 m3，每個(gè)容器里放置4個(gè)試樣，檢測(cè)的結(jié)果只能用來分析各侵蝕性離子之間的關(guān)系，不能用溶液中離子濃度的減少量說明其他問題。

圖10為浸泡后氯化鎂中離子濃度關(guān)系圖。

由圖可知：濃度分別為1.5、3.0、6.0 g/L 的氯化鎂溶液中，浸泡7 d時(shí)，氯離子的消耗量分別為25.39%、25.12%和19.54%，浸泡14 d時(shí)氯離子的消耗量分別為34.50%、33.40%和37.90%，浸泡28 d時(shí)氯離子的消耗量分別為 50.89%、55.92%和47.00%。從消耗量可以看出，隨著溶液濃度的增加，氯離子的消耗量相差不大，而隨著浸泡時(shí)間的增加，氯離子的消耗量減少。鎂離子7 d 的消耗量分別為29.69%、24.62%和21.15%，14 d的消耗量為36.08%、34.67%和42.3%，28d 的消耗量為43.37%、43.33%和45.60%，對(duì)比氯離子的消耗量可以看出，同時(shí)期，鎂離子的消耗量大于氯離子的消耗量，鎂離子的消耗量也是隨著濃度的增加而相差不大，但隨著浸泡時(shí)間的增加，消耗量也出現(xiàn)減小情況。由此可知，氯化鎂溶液中，鎂離子的活躍度大于氯離子的活躍度，即鎂離子的遷移速度大于氯離子的遷移速度，隨著浸泡溶液濃度的增加，離子的遷移速度并未出現(xiàn)明顯增加現(xiàn)象，但隨著浸泡時(shí)間的增加，離子的遷移速度減小。氯化鈉溶液中離子濃度變化規(guī)律與氯化鎂相似，得到的結(jié)論也相似，本文不再贅述。最后分析結(jié)果表明：鈉離子的遷移速度大于鎂離子，鎂離子的遷移速度大于氯離子。

圖10 氯化鎂中不同離子濃度與浸泡時(shí)間之間的關(guān)系Fig.10 Relationships between ion concentration and soaking time in MgCl2solution

5 試驗(yàn)3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

淤泥質(zhì)土水泥土試塊在硫酸鎂濃度為22.5 和18.0 g/L 的混合溶液浸泡28 d，以及在硫酸鎂濃度為9.0 g/L 的混合溶液浸泡200 d時(shí)，均出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，未進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。

試驗(yàn)3 所得的水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化圖如圖11、12 所示。其中曲線代表混合溶液浸泡下水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，端點(diǎn)標(biāo)識(shí)與曲線相同的直線分別表示的是清水環(huán)境下與混合溶液浸泡時(shí)間相同的水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

圖11 NaCl-MgCl2混合溶液中淤泥質(zhì)水泥土抗壓強(qiáng)度變化Fig11 Unconfined compression strength variations of mucky cemented soil in NaCl-MgCl2mixed solution

圖12 NaCl-MgSO4混合溶液中淤泥質(zhì)水泥土抗壓強(qiáng)度變化Fig12 Unconfined compression strength variations of mucky cemented soil in NaCl-MgSO4mixed solution

由圖11 可知，NaCl-MgCl2混合溶液環(huán)境中，同齡期下，水泥土試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著混合溶液中氯化鎂濃度的增加而減小。90 d 齡期混合溶液中氯化鎂濃度從18.0～22.5 g/L；180 d 齡期混合溶液中氯化鎂濃度從0～1.5、18.0～22.5 g/L；270 d齡期混合溶液中氯化鎂濃度從0～1.5、4.5～9.0 g/L時(shí)，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)較大下降速率。此外，同濃度下，180 d時(shí)水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于90 和270 d 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，說明水泥土試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加先增大后減小，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在齡期90～270 d之間。

與清水情況下的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比較可以看出，在NaCl-MgCl2混合溶液中，水泥土試塊的Qh均為負(fù)值，且隨著溶液濃度和齡期的增加Qh的絕對(duì)值均增大，說明NaCl-MgCl2混合溶液會(huì)導(dǎo)致水泥土試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低，且隨著濃度和齡期的增加，NaCl-MgCl2混合溶液導(dǎo)致的水泥土試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化會(huì)不斷增大。

水泥水化形成的膠凝物質(zhì)中，氫氧化鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣等溶解度較大且強(qiáng)度較低，而水化硅酸鈣溶解度低，且能很好地填充水泥顆粒間的孔隙，使孔隙更為密實(shí)，從而提高強(qiáng)度。隨著水化時(shí)間的增加，水泥土中水化硅酸鈣的含量不斷增加，水泥土的強(qiáng)度隨之增加。NaCl-MgCl2混合溶液浸泡的水泥土試塊由于在制作過程中內(nèi)部即含有氯化鎂，他與水泥土中氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)會(huì)生成比氫氧化鈣更難溶于水強(qiáng)度更高的氫氧化鎂，在短時(shí)間內(nèi)，氫氧化鎂能很好地填充水泥土之間的孔隙，增加水泥土的強(qiáng)度，而經(jīng)歷較長時(shí)間（超過90 d）后，當(dāng)水泥土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)被完全填充后，隨著氫氧化鎂含量的繼續(xù)增加，將會(huì)造成水泥土體積膨脹，出現(xiàn)損傷裂紋，使得水泥土試塊的整體強(qiáng)度降低。較長齡期下低濃度混合溶液侵蝕的水泥土出現(xiàn)隨濃度變化無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化速率較大現(xiàn)象，說明長齡期的水泥土在氯化鎂濃度較低時(shí)就已表現(xiàn)出敏感性，而較短齡期高濃度混合溶液侵蝕下出現(xiàn)的水泥土強(qiáng)度變化速率較大現(xiàn)象，則可能是高濃度混合溶液侵蝕使得水泥土試塊在較短齡期時(shí)產(chǎn)生了細(xì)觀裂紋導(dǎo)致的。

由圖12 可知，NaCl-MgSO4混合溶液中水泥土試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加呈現(xiàn)出與NaCl-MgCl2混合溶液中相同的規(guī)律，最大值出現(xiàn)晚于90 d 而早于270 d。在同齡期下，水泥土試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著混合溶液中硫酸鎂濃度的增加先增大后減小。

與清水情況下的強(qiáng)度比較顯示,在各齡期下，水泥土試塊的Qh隨著混合溶液中硫酸鎂濃度的增加均先增大后減小。在齡期為180 d時(shí)，水泥土試塊Qh在混合溶液中硫酸鎂濃度為1.5 g/L時(shí)出現(xiàn)正值，而在其他齡期和濃度下，水泥土試塊的Qh均為負(fù)值。

NaCl-MgSO4混合溶液浸泡的水泥土試塊由于在水泥土試塊制作時(shí)內(nèi)部即含有硫酸鎂，他除了與氫氧化鈣反應(yīng)外，也會(huì)與水泥土中水化硅酸鈣凝膠發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生沉淀物氫氧化鎂，沉淀物在適量的情況下可以提高水泥土試塊的抗壓強(qiáng)度。在水泥水化膠凝物中氫氧化鈣的含量比水化硅酸鈣少很多，而硫酸鎂與水化硅酸鈣的反應(yīng)速率大于氯化鎂與氫氧化鈣的反應(yīng)速率，使得NaCl-MgSO4浸泡的水泥土中氫氧化鎂生成速度較快，在低濃度（1.5 和4.5 g/L）時(shí)，生成物能較好地填充水泥土之間的孔隙，使得水泥土試塊強(qiáng)度得到加強(qiáng)。水泥水化膠凝物中水化硅酸鈣所占比例極大，當(dāng)硫酸鎂濃度較大時(shí)，它與水化硅酸鈣反應(yīng)使得氫氧化鎂的生成速率大大加快，當(dāng)氫氧化鎂生成過多過快，會(huì)導(dǎo)致水泥土試塊發(fā)生膨脹而產(chǎn)生裂紋，強(qiáng)度降低甚至破壞，故出現(xiàn)在高濃度、短時(shí)間（硫酸鎂濃度為22.5 和18.0 g/L的混合溶液浸泡28 d）浸泡下的水泥土試塊破壞；在較高濃度（4.5 g/L）90 d 浸泡的水泥土試塊抗壓強(qiáng)度值最大；較低濃度（1.5 g/L）180 和270 d 浸泡的水泥土試塊抗壓強(qiáng)度值最大的現(xiàn)象。

此外不難發(fā)現(xiàn)，同濃度(1.5、4.5 g/L)和同齡期下，水泥土試塊在NaCl-MgSO4混合溶液中的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比在NaCl-MgCl2混合溶液中的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大。同濃度的兩種溶液除了氯離子和硫酸根離子不同外，其他離子及濃度都相同，兩種溶液中水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的不同主要由氯離子和硫酸根離子導(dǎo)致，由此說明氯離子對(duì)水泥土試塊的侵蝕作用強(qiáng)于硫酸根離子。

6 結(jié) 論

（1）無論水泥土試塊自身是否含有氯化鈉，氯化鈉溶液短期內(nèi)都可以提高含侵蝕物質(zhì)和不含侵蝕物質(zhì)水泥土試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

（2）氯化鎂溶液短期內(nèi)可以提高自身不含侵蝕物質(zhì)的砂土水泥土試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但對(duì)含有與侵蝕性溶液具有相同侵蝕性物質(zhì)的砂土水泥土試塊表現(xiàn)出侵蝕作用。

（3）侵蝕溶液浸泡過程中，鈉離子的遷移速度大于鎂離子，鎂離子的遷移速度大于氯離子，隨著侵蝕溶液濃度的增加，離子的遷移速度增加，隨著浸泡時(shí)間的增加，離子的遷移速度減小。

（4）雙組分浸泡下，在90～270 d 之間水泥土試塊強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨后減小，工程設(shè)計(jì)中需要根據(jù)工程的服務(wù)期限慎重選擇設(shè)計(jì)參考值。

（5）雙組分溶液長時(shí)間浸泡均對(duì)水泥土試塊表現(xiàn)出侵蝕作用，而氯化鎂的侵蝕作用要強(qiáng)于硫酸鎂的侵蝕作用。

（6）在短時(shí)間內(nèi)海水中各種化學(xué)組分對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響可能不同，但隨著浸泡時(shí)間的延長，均趨向于表現(xiàn)出侵蝕作用。

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