陳四利,張精禹,寧寶寬,楊雨林,魏 星,吳依涵
(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110870)
由于水泥土材料來源廣泛、性能良好、施工方便且價(jià)格低廉,在基坑擋土墻、防滲墻以及路基加固等工程中得到廣泛應(yīng)用[1]。然而,對(duì)于大多數(shù)地下水泥土工程來說,由于其直接與地下水等溶有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境接觸,如在地下水中常溶有一定濃度的Mg2+、Ca2+、SO2-4、Cl-、CO23-等離子,這些環(huán)境侵蝕溶液通過與水泥土發(fā)生物理-化學(xué)等相互作用,會(huì)導(dǎo)致水泥土材料的劣化甚至失效破壞,最終影響水泥土工程結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。因此,開展有關(guān)水泥土在復(fù)雜環(huán)境中的力學(xué)特性方面的研究是非常必要的。近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的相關(guān)研究,如Kongsukprasert等[2-7]對(duì)水泥土的力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)和分析,而寧寶寬等[8-14]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)下進(jìn)行了水泥土的試驗(yàn),研究了不同環(huán)境對(duì)水泥土力學(xué)特性的腐蝕效應(yīng),獲得了有益的結(jié)果。本文通過試驗(yàn)研究探討硫酸鈉溶液對(duì)水泥土抗剪強(qiáng)度的影響,分析不同濃度硫酸鈉溶液、腐蝕時(shí)間對(duì)抗剪強(qiáng)度影響的變化規(guī)律。
為分析復(fù)雜環(huán)境對(duì)水泥土力學(xué)特性的影響,設(shè)計(jì)了硫酸鹽溶液腐蝕水泥土的室內(nèi)試驗(yàn)。
試驗(yàn)用原狀土取自沈陽(yáng)市某路基地的粉質(zhì)黏土,該土在自然狀態(tài)下呈軟塑狀態(tài),其主要物理性質(zhì)指標(biāo)如下:含水量 27.0%,密度 1.92 t/m3,液限35.0%,塑限19.4%,塑性指數(shù)15.6,液性指數(shù)0.58。
選用強(qiáng)度等級(jí)為32.5的礦渣硅酸鹽水泥,為了探討細(xì)砂含量對(duì)水泥土抗剪強(qiáng)度的影響,摻入了一定比例的細(xì)砂,水泥土中水泥、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂和水的摻量質(zhì)量比例為1∶5∶3.33∶1.82。
將水泥、粉質(zhì)黏土以及細(xì)砂置于攪拌機(jī)中均勻攪拌,攪拌均勻后裝入直徑60 mm、高40 mm的鋼模中成型并編號(hào),24 h后脫模,置于清水的器皿中養(yǎng)護(hù),室內(nèi)溫度為22~28℃,水泥土試件養(yǎng)護(hù)60 d后待用。
在不同器皿中分別配制0.1 mol/L、0.3 mol/L、0.5 mol/L硫酸鈉溶液;將養(yǎng)護(hù)60 d后的水泥土試件放入配置好的硫酸鈉溶液中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。水泥土試件與硫酸鈉溶液之間的質(zhì)量比大于2,腐蝕時(shí)試件不能相互接觸。
根據(jù)JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的要求進(jìn)行試件的直剪試驗(yàn),主要儀器設(shè)備為ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀,并對(duì)腐蝕6 d、10 d、15 d后的水泥土試件進(jìn)行無固結(jié)排水剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)主要步驟如下:①裝好試件,根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別施加法向應(yīng)力100 kPa、200 kPa、400 kPa;②施加法向荷載后,以1.2 mm/min的速率剪切土樣;③剪切結(jié)束,按以下公式計(jì)算抗剪強(qiáng)度:
式中:τf為試樣的抗剪強(qiáng)度,kPa;C為測(cè)力計(jì)校正系數(shù),N/mm;R為剪切時(shí)測(cè)力計(jì)量表讀數(shù),mm;A0為剪切面面積,cm2。
圖1 0.3 mol/L硫酸鈉溶液腐蝕的水泥土剪斷后表面特征
水泥土試件在 0.1 mol/L、0.3 mol/L、0.5 mol/L硫酸鈉溶液中分別經(jīng)過6d、10 d、15 d腐蝕后,進(jìn)行了相應(yīng)的無固結(jié)排水剪切試驗(yàn)。由于腐蝕時(shí)間不同,試件剪斷后的破裂特征略有不同,圖1為0.3 mol/L硫酸鈉溶液腐蝕的試件剪斷后表面特征,可以看出,腐蝕6 d后的水泥土試件斷裂面相對(duì)平整,只有細(xì)微的不整齊斷裂現(xiàn)象,腐蝕10 d后的水泥土試件斷裂面有明顯的不整齊斷裂現(xiàn)象,而腐蝕15 d后的水泥土試件斷裂面有凸凹不平斷裂現(xiàn)象。
圖2為不同濃度硫酸鈉溶液、腐蝕時(shí)間分別為6 d、10 d和15 d時(shí)抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力的變化情況,可以看出,對(duì)于在不同濃度硫酸鈉溶液中腐蝕的試件,隨著法向應(yīng)力的增大,其抗剪強(qiáng)度逐步增大,且其變化呈線性規(guī)律,可用直線擬合。
圖2中的回歸直線與橫坐標(biāo)的夾角即為內(nèi)摩擦角,與縱坐標(biāo)的截距即為黏聚力。從擬合直線可以看出,同一種濃度硫酸鈉溶液、不同腐蝕時(shí)間所對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度變化擬合直線的斜率變化不大(圖2(a)由于試驗(yàn)誤差等原因略有變化),對(duì)同一種濃度硫酸鈉溶液,其水泥土的內(nèi)摩擦角隨腐蝕時(shí)間變化不大,但對(duì)黏聚力影響較大。
圖3為水泥土抗剪強(qiáng)度隨腐蝕時(shí)間變化情況,可見,不論何種濃度硫酸鈉溶液,隨著腐蝕時(shí)間的增加,水泥土抗剪強(qiáng)度逐步降低,即對(duì)同一種濃度硫酸鈉溶液,隨著腐蝕時(shí)間的增加,對(duì)水泥土的抗剪強(qiáng)度的腐蝕效應(yīng)增大。
圖4為硫酸鈉溶液濃度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響,可以看出,不同硫酸鈉溶液濃度對(duì)水泥土抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生不同的影響,隨著硫酸鈉溶液濃度的增大,水泥土抗剪強(qiáng)度逐步降低。
圖2 水泥土抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力的變化
圖3 水泥土抗剪強(qiáng)度隨腐蝕時(shí)間的變化
圖4 水泥土抗剪強(qiáng)度隨硫酸鈉溶液濃度的變化
a.水泥土的抗剪強(qiáng)度隨著硫酸鈉溶液濃度的增加而逐步降低,相應(yīng)內(nèi)摩擦角和黏聚力也逐步降低。
b.硫酸鈉溶液濃度不變時(shí),水泥土抗剪強(qiáng)度隨著硫酸鈉溶液腐蝕時(shí)間的增加而逐步降低,黏聚力也逐步降低,腐蝕對(duì)黏聚力影響較大,而對(duì)內(nèi)摩擦角影響很小。
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