陳四利，楊雨林，周 輝，胡大偉

（1.沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；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，湖北 武漢 430071）

1 引 言

由于水泥土施工工藝簡單、工期短、價(jià)格低廉而且還有低滲透和高強(qiáng)度的特點(diǎn)，目前，它不僅用于地基加固、基坑支護(hù)中的擋墻、大體積穩(wěn)定土以及路基墊層，而且還被用于基坑工程中的防滲止水帷幕[1]。近些年，關(guān)于水泥土的滲透性我國學(xué)者進(jìn)行了許多的研究。大多數(shù)學(xué)者采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境制作養(yǎng)護(hù)水泥土進(jìn)行滲透試驗(yàn)，研究齡期、水泥摻量比及添加劑對(duì)水泥土滲透性的影響[2-4]。陳四利等[5]研究了水泥土在凍融情況下力學(xué)和滲透特性。袁榮宏等[6]主要研究水泥土滲透系數(shù)隨圍壓變化的試驗(yàn)。董凱赫[7]采用正交試驗(yàn)的方法分析滲透系數(shù)在水泥摻量、膨潤土摻量、粉煤灰摻量影響下的變化規(guī)律。龐文臺(tái)等[8]對(duì)復(fù)合水泥土進(jìn)行了抗?jié)B性能的試驗(yàn)研究。眾所周知，水泥土防滲工程多數(shù)與地下水接觸，然而，地下水大多含有腐蝕性介質(zhì)具有侵蝕性，會(huì)導(dǎo)致水泥土防滲性能的降低甚至失效。在侵蝕性地下水地層中不僅要重視水泥土的使用安全性，還要重視水泥土施工制作時(shí)，地下水對(duì)水泥土的影響，特別是需要利用場地地下水直接成樁的粉噴水泥土的施工工藝，地下水的污染狀況對(duì)成樁質(zhì)量具有較大影響?，F(xiàn)在許多學(xué)者越來越關(guān)注有關(guān)這方面的研究，如寧寶寬等[9-11]，陳四利等[12]，劉新等[13]，白曉紅等[14]學(xué)者對(duì)水泥土在特定化學(xué)污染環(huán)境（不同化學(xué)溶液、不同濃度以及不同pH 值等）下的力學(xué)性質(zhì)展開了有益的研究。然而，對(duì)腐蝕環(huán)境下水泥土的滲透性的研究還鮮有報(bào)道。眾所周知，在實(shí)際工程中地下侵蝕環(huán)境不是單一的化學(xué)成分，是多種腐蝕介質(zhì)的共同作用。因此，本文根據(jù)工程實(shí)際情況，考慮多種腐蝕性介質(zhì)的影響，如污水環(huán)境下水泥土滲透特性的腐蝕效應(yīng)，探討水泥土滲透系數(shù)變化規(guī)律，對(duì)水泥土的滲透理論研究和對(duì)采用水泥土施工或加固的巖土工程都具有積極的意義。

為分析復(fù)雜環(huán)境對(duì)水泥土滲透性的影響，本文設(shè)計(jì)了水泥土配合比，并將水泥土試件分別置于污水和清水環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，利用水泥土滲透儀進(jìn)行水泥土的滲透試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方案及試件制備

2.1 試驗(yàn)材料和試樣制備

試驗(yàn)采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5 的普通硅酸鹽水泥，其質(zhì)量符合國家建材標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)所用土為沈陽市某地的粉質(zhì)黏土，經(jīng)過風(fēng)干，碾壓，并且通過2.0 mm篩，主要的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)用土樣主要物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Main physical properties of soil specimen

清水采用自來水，污水取自沈陽某工程工地附近，該場地地下水受到了工業(yè)廢水和生活污水的滲漏影響，污水檢測(cè)后其主要化學(xué)成分如表2 所示，其pH 值為6.5。

表2 污水的化學(xué)成分Table 2 Chemical compositions of sewage

水泥土試件中的水泥摻量采取3 種配制形式，即水泥摻量分別為9%、12%、15% 3 種配合比試驗(yàn)，土、水泥、水（清水或污水）質(zhì)量比分別為1 :0.09 :0.18，1 :0.12 :0.24，1 :0.15 :0.3。根據(jù)《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[15]的要求，滲透試驗(yàn)試件采用截頭圓錐行試模，尺寸為上口內(nèi)徑為70 mm，下口內(nèi)徑為80 mm，高度為30 mm。制備24 組，每組3 個(gè)試件，共計(jì)72 個(gè)試件。

這里需要說明的是，3 種配合比均分別用清水?dāng)嚢韬臀鬯當(dāng)嚢?，將他們充分?jǐn)嚢韬?，裝入試模中靜置 24 h 脫模，清水?dāng)嚢璧脑嚰糜谇逅叙B(yǎng)護(hù)（簡稱清水環(huán)境），污水?dāng)嚢璧脑嚰糜谖鬯叙B(yǎng)護(hù)（簡稱污水環(huán)境），室內(nèi)溫度約為16～26 ℃，分別養(yǎng)護(hù)至 30、60、90 和120 d 待用。試件養(yǎng)護(hù)情況如圖1(a)所示。

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[15]和試驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求，進(jìn)行水泥土試件滲透試驗(yàn)，主要儀器設(shè)備有水泥土滲透儀（YXSS-25 型）。如圖1(b)所示。

對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期為30、60、90、120 d 的試件進(jìn)行滲透試驗(yàn)（試驗(yàn)溫度為20 ℃）以獲取滲透的相關(guān)參數(shù)。

圖1 水泥土試件養(yǎng)護(hù)和滲透儀Fig.1 Curing of cemented soil specimens and penetration apparatus

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 水泥摻量對(duì)水泥土滲透性的影響

根據(jù)在污水和清水環(huán)境下不同水泥摻量、不同齡期水泥土滲透系數(shù)的變化規(guī)律，在水溫T ℃時(shí)水泥土的滲透系數(shù)kT按下列計(jì)算：

式中：kT為水溫T ℃時(shí)水泥土滲透系數(shù)（cm/s），精確至0.01×10-ncm/s；t為時(shí)間間隔（s）；A為試件中部橫截面（cm2）；h為滲徑，即試件高度（cm）；V為經(jīng)時(shí)間間隔t 滲出的水量（mL）；i為水力梯度；p為施加的滲透壓力（MPa）；γw為水的重度（N/cm3），取0.009 8 N/cm3。

如圖2 所示，4 種齡期（30、60、90 和120 d），在清水環(huán)境下水泥土滲透系數(shù)隨水泥摻量的增加而降低，水泥摻量為9%～12%區(qū)間的水泥土滲透系數(shù)降低幅度大于水泥摻量為12%～15%區(qū)間的水泥土滲透系數(shù)的降低幅度。污水和清水環(huán)境下的水泥土滲透系數(shù)變化趨勢(shì)基本相同，但清水環(huán)境滲透系數(shù)明顯小于污水環(huán)境的滲透系數(shù)。齡期120 d 時(shí)，水泥摻量為9%、12%和15%時(shí)的清水環(huán)境滲透系數(shù)分別為4×10-9、0.95×10-9和0.57×10-9cm/s，而污水環(huán)境滲透系數(shù)分別升至11.33×10-9、3.9×10-9和2.23×10-9cm/s。9%水泥摻量時(shí)污水環(huán)境滲透系數(shù)相對(duì)清水環(huán)境滲透系數(shù)增加7×10-9cm/s，12%水泥摻量時(shí)污水環(huán)境滲透系數(shù)相對(duì)清水環(huán)境滲透系數(shù)增加3×10-9cm/s，15%水泥摻量時(shí)污水環(huán)境滲透系數(shù)相對(duì)清水環(huán)境滲透系數(shù)增加1.66×10-9cm/s。

圖2 水泥土在不同齡期滲透系數(shù)隨水泥摻量的變化規(guī)律Fig.2 Permeability variations of cemented soil with cement content at different curing ages

上述分析表明，在清水和污水環(huán)境下增加水泥摻量都可以大量降低水泥土的滲透系數(shù)，但水泥摻量越大時(shí)，水泥土摻量的增加對(duì)水泥土的滲透系數(shù)影響越小。在不同齡期和不同水泥摻量下，污水環(huán)境對(duì)水泥土產(chǎn)生侵蝕作用，致使污水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)大于清水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)。水泥土的滲透系數(shù)隨著水泥摻量的增加可以減緩污水環(huán)境對(duì)水泥土的腐蝕效應(yīng)。

3.2 齡期對(duì)水泥土滲透系數(shù)的影響

圖3 污水與清水環(huán)境水泥土滲透系數(shù)隨齡期的變化規(guī)律Fig.3 Permeability variations of cemented soil in sewage and clean water environments with different curing ages

如圖3 所示，3 種水泥摻量（9%、12%和15%），清水和污水環(huán)境在齡期60 d 前的滲透系數(shù)都是逐漸減小的，清水環(huán)境減小幅度略大于污水環(huán)境，結(jié)果表明，小于齡期60 d 污水環(huán)境對(duì)水泥土滲透系數(shù)的影響不大，隨著齡期的增加其清水環(huán)境下的水泥土滲透系數(shù)逐漸減小，但減小幅度不大，逐步趨于平緩。而污水環(huán)境下隨著齡期的增加，60 d 后水泥土滲透系數(shù)逐步增大，而且增大幅度越來越大。水泥摻量15%時(shí)齡期30、60、90 和120 d 時(shí)的清水養(yǎng)護(hù)滲透系數(shù)分別為 1.19×10-9、0.59×10-9、0.57×10-9和0.57×10-9cm/s，而污水養(yǎng)護(hù)分別升至1.6×10-9、1.4×10-9、1.51×10-9和2.93×10-9cm/s。齡期30 d的水泥土污水滲透系數(shù)上升了0.41×10-9cm/s，齡期 60 d 的水泥土污水滲透系數(shù)上升 0.81×10-9cm/s，齡期90 d 的水泥土污水滲透系數(shù)上升0.94×10-9cm/s，齡期120 d 的水泥土污水滲透系數(shù)上升2.36×10-9cm/s。

3.3 污水對(duì)水泥土腐蝕的滲透模型

如圖4 所示，在清水環(huán)境下對(duì)于9%、12%和15%水泥摻量的水泥土隨著齡期的增加，其水泥土的滲透系數(shù)均呈冪數(shù)減小，利用回歸方法可得清水環(huán)境下水泥土滲透系數(shù)隨齡期的回歸方程分別為

式中：在清水環(huán)境下，kq9、kq12、kq15分別為水泥摻量9%、12%、15%的滲透系數(shù)（10-9cm/s）；t為齡期（d）；R2為相關(guān)系數(shù)。

圖4 清水環(huán)境下水泥土滲透系數(shù)的變化規(guī)律Fig.4 Permeability variations of cemented soil in clean water environment

根據(jù)式（3）～（5）可得清水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)隨水泥摻量和齡期兩個(gè)因素的回歸方程為

式中：kq為清水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)（10-9cm/s）；x為水泥摻量。

如圖5 所示，在污水環(huán)境下對(duì)于9%、12%和15%水泥摻量的水泥土隨著齡期的增加其水泥土的滲透系數(shù)均呈冪數(shù)減小，利用回歸方法可得污水環(huán)境下水泥土滲透系數(shù)隨齡期的回歸方程分別為

式中：在污水環(huán)境下，kw9、kw12、kw15分別為水泥摻量9%、12%、15%的滲透系數(shù)（10-9cm/s）。

根據(jù)以上分析可知，對(duì)于污水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)受到水泥摻量、齡期的影響，隨著齡期的增加，水泥土的滲透系數(shù)均逐步增大。根據(jù)式（7）～（9）可得污水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)隨水泥摻量和齡期兩個(gè)因素的回歸方程為

式中：kw為污水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)（10-9cm/s）。

圖5 污水環(huán)境下60 d 之后水泥土滲透系數(shù)的變化規(guī)律Fig.5 Permeability variations of cemented soil in sewage environment after 60 days

3.4 水泥土滲透前的化學(xué)成分分析

在滿足《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[16]的要求下，分別切取滲透前試件的清水和污水環(huán)境0、90 和120 d 的3 種水泥摻入比水泥土試件上的土樣，選擇面朝下方的土樣，將切下來的土樣分別裝入不同的塑料袋中密封。然后將取出的土樣曬干壓碎，取出100 g 土樣并加入50 ml 蒸餾水，浸泡一段時(shí)間后，在震蕩儀上震蕩2 h，再用離心機(jī)把溶液離心1 h，用孔徑為0.22 μm 的濾膜過濾掉廢渣，用化學(xué)滴定法測(cè)定濾液中 Ca2+，Mg2+，Cl-，的濃度。

圖6為不同水泥摻量水泥土中鈣離子含量隨齡期的變化規(guī)律，不論是清水還是污水環(huán)境，隨著齡期的增加，水泥土中鈣離子的含量越高、水泥摻量越多水泥土中的鈣離子也越多，其影響也越大。圖中數(shù)據(jù)表明，清水環(huán)境下水泥土中鈣離子含量大于污水環(huán)境下水泥土中鈣離子含量，這是因?yàn)槲鬯h(huán)境下污水中部分離子會(huì)與水泥中鈣離子發(fā)生反應(yīng)，會(huì)阻礙水泥的水化水解反應(yīng)，同時(shí)又與水泥水化后的產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng)，從而影響水泥土中的鈣離子含量。

圖6 不同水泥摻量下鈣離子隨齡期的變化規(guī)律Fig.6 Variations of Ca2+ concentration with curing age at different cement contents

圖7為不同水泥摻量水泥土中鎂離子含量隨齡期的變化規(guī)律，無論是清水還是污水環(huán)境，同齡期（0、90 和 120 d）的水泥土隨著水泥摻量的增大，其水泥土中鎂離子的含量也增大。在清水環(huán)境下水泥土中的鎂離子的含量隨著齡期的增加而逐步減小，而污水環(huán)境下水泥土中的鎂離子的含量隨著齡期（個(gè)別齡期的數(shù)據(jù)測(cè)試失?。┑脑黾佣杂性龃蟆?duì)比分析可知，污水環(huán)境下水泥土中鎂離子含量大于清水環(huán)境下鎂離子含量。

圖8為不同水泥摻量水泥土中硫酸根離子含量隨齡期的變化規(guī)律。無論是清水還是污水環(huán)境，同齡期水泥土隨著水泥摻量的增大，其水泥土中硫酸根離子的含量也增大。在清水環(huán)境下水泥土中硫酸根離子的含量隨著齡期的增加而逐步減小，而污水環(huán)境下水泥土中硫酸根離子的含量隨著齡期的增加而逐步增大。污水環(huán)境下水泥土中硫酸根離子含量大于清水環(huán)境下水泥土中硫酸根離子含量。這表明在養(yǎng)護(hù)和拌制時(shí)污水中的硫酸根離子對(duì)水泥土具有腐蝕作用。污水環(huán)境中含有，就會(huì)與水泥水化水解產(chǎn)物鋁酸三鈣發(fā)生反應(yīng)，會(huì)生成鈣礬石結(jié)晶，反應(yīng)化學(xué)式為

圖7 不同水泥摻量下鎂離子隨齡期的變化規(guī)律Fig.7 Variations of Mg2+ concentration with curing age at different cement contents

在污水環(huán)境下，水泥土水化初期，水化物中含有一定數(shù)量的鈣礬石，當(dāng)鈣礬石帶有結(jié)晶水時(shí)，其體積會(huì)增大，這樣導(dǎo)致水泥土中的孔隙減少，提高了水泥土的強(qiáng)度和抗?jié)B性。這也解釋了為什么污水環(huán)境下水泥土在前30 d的強(qiáng)度和清水環(huán)境下水泥土強(qiáng)度幾乎相等[17]。但隨著水泥土水化時(shí)間的增加（>30 d），在水泥土中的含量充足的情況下，長時(shí)間的發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，鈣礬石會(huì)大量的增加，水泥土體積不斷地膨脹，導(dǎo)致水泥土開裂產(chǎn)生裂縫，從而降低水泥土的強(qiáng)度和抗?jié)B性，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著齡期的增加，污水環(huán)境下水泥土的強(qiáng)度和抗?jié)B性越來越小。

圖8 不同水泥摻量下硫酸根離子隨齡期的變化規(guī)律Fig.8 Variations of SO42- concentration with curing age at different cement contents

圖9為不同水泥摻量水泥土中氯離子含量隨齡期的變化規(guī)律。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，污水環(huán)境下水泥土中氯離子的含量大于清水環(huán)境下水泥土中氯離子含量。氯離子的含量隨著齡期變化與硫酸根離子的含量變化規(guī)律相同。這表明在養(yǎng)護(hù)和拌制時(shí)污水中的氯離子對(duì)水泥土具有腐蝕作用。氯離子與水泥土反應(yīng)化學(xué)式主要為

氯離子Cl-與CaO·Al2O3·6H2O發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成無膠凝作用的水化鋁酸鈣，導(dǎo)致水泥土中的鈣離子含量降低，致使氫氧化鋁減少，抑制了鈣礬石的增加。反應(yīng)生成的疏松的水化鋁酸鈣包裹在反應(yīng)物表面，阻礙水化物與氫氧化鈣的反應(yīng)，生成的膠凝物減少，從而影響水泥土的抗?jié)B性。

圖9 3 種水泥摻量下不同離子隨齡期的變化規(guī)律Fig.9 Variations of Cl- concentration with curing age at different cement contents

4 結(jié) 論

（1）無論是清水還是污水環(huán)境，水泥土的滲透系數(shù)隨著水泥摻量的增加而逐步減小，污水和清水環(huán)境下的水泥土滲透系數(shù)變化趨勢(shì)基本相同，但清水環(huán)境滲透系數(shù)明顯小于污水環(huán)境的滲透系數(shù)。

（2）當(dāng)齡期 <60 d 時(shí)，無論是清水還是污水環(huán)境，水泥土的滲透系數(shù)均逐步減小，污水環(huán)境的滲透系數(shù)大于清水環(huán)境的滲透系數(shù)。當(dāng)齡期 >60 d 時(shí)，隨著齡期的增加其清水環(huán)境下的水泥土滲透系數(shù)逐漸減小，而污水環(huán)境下隨著齡期的增加，其水泥土滲透系數(shù)逐步增大。

（3）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別建立了清水環(huán)境和污水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)隨水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期兩個(gè)因素的回歸曲線方程。

（4）分析主要離子含量表明，清水或污水環(huán)境隨著水泥摻量增加，水泥土中的Ca2+，Mg2+，離子含量均增大，而且污水的Mg2+，離子含量增大的幅度大于清水的增長幅度。清水環(huán)境中的Mg2+，Cl-，離子含量逐步減小。而污水環(huán)境隨著齡期增加Ca2+，Mg2+，Cl-，離子含量逐步增大，污水對(duì)水泥土產(chǎn)生腐蝕作用。

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