史晉榮， 高彥斌

(1. 山西建工建筑工程檢測有限公司， 山西 太原 030006； 2. 同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系， 上海 200092)

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氯化物侵蝕對(duì)水泥土力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究

史晉榮1， 高彥斌2

(1. 山西建工建筑工程檢測有限公司， 山西 太原 030006； 2. 同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系， 上海 200092)

摘要:針對(duì)目前氯化物侵蝕溶液對(duì)水泥土力學(xué)性能的影響較為復(fù)雜的現(xiàn)狀， 基于氯化物對(duì)水泥土影響的機(jī)理設(shè)計(jì)了一種可模擬室外氯化物在水泥土內(nèi)的離子環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn). 該方法采用氯化鈉和氯化鎂溶液進(jìn)行模擬試驗(yàn)分析， 溶液濃度分別采用0， 1.5， 3和6 g/L， 浸泡時(shí)間分別為7， 14和28 d， 在試驗(yàn)過程中不定期對(duì)溶液的各種離子濃度進(jìn)行監(jiān)測， 并測定不同浸泡時(shí)間下水泥土的抗壓強(qiáng)度和變形. 試驗(yàn)結(jié)果表明， 鈉離子對(duì)水泥土的強(qiáng)度和變形影響小， 而鎂離子對(duì)水泥土的強(qiáng)度和變形影響較大.

關(guān)鍵詞:水泥土； 氯離子； 鈉離子； 鎂離子； 抗壓強(qiáng)度

0引言

水泥土是一種應(yīng)用于地基中的固結(jié)體材料， 水泥土的主要成分包括水泥、 水和骨料(土). 水泥土具有施工方便、 價(jià)格低廉的顯著特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于沿?；蛩淼赖溶浲恋鼗校?通常采用深層攪拌法和高壓旋噴法進(jìn)行施工[1-2]. 由于水泥土主要應(yīng)用于地基中， 所處環(huán)境較為復(fù)雜， 尤其在沿海城市中應(yīng)用較多， 地基中包含的氯離子等侵蝕性物質(zhì)較多， 因此研究水泥土在氯離子侵蝕環(huán)境下的力學(xué)性能和耐久性極為必要. 巖土工程研究人員曾經(jīng)對(duì)硫酸鹽物質(zhì)對(duì)水泥土的力學(xué)性能和導(dǎo)電性的影響進(jìn)行研究[3-10]， 但并未涉及鎂離子對(duì)水泥土的影響進(jìn)行研究. 本文主要通過試驗(yàn)?zāi)M分析、 人工制作氯化鈉和氯化鎂溶液對(duì)水泥土進(jìn)行不同時(shí)間的浸泡侵蝕， 以及對(duì)水泥土試件進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)， 分析研究氯離子對(duì)水泥土力學(xué)性能的影響和侵蝕機(jī)理[11-13].

1試驗(yàn)準(zhǔn)備及試驗(yàn)過程

1.1水泥土配合比及原材料選用

水泥土所用砂土為普通工業(yè)粉細(xì)砂土， 砂土液限為25%， 塑限為20.1%， 塑性指數(shù)為8.9； 水泥土所用水泥為P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥. 水泥土相對(duì)配合比為土∶水泥∶水=10∶2∶5(g).

1. 2溶液配制

根據(jù)GB50021-2001《巖土工程勘察規(guī)范》， 將浸泡水泥土的溶液主要配備為清水和不同濃度的氯離子等7種溶液， 其中氯化鎂和氯化鈉溶液的濃度見表 1 所示. 氯化鎂試劑為濰坊新潔化工有限公司生產(chǎn)的高濃度氯化鎂試劑，MgCl2純度高于98%，pH值為5.0～6.5； 氯化鈉試劑為北京康普匯維科技有限公司生產(chǎn)的純度為99.5%的氯化鈉，pH值為5.0～8.0. 浸泡水泥土的容器為自制玻璃容器， 每個(gè)玻璃容器可放置3個(gè)水泥土試件， 溶液高度為可浸沒試件頂部30mm左右.

表 1　氯化鎂和氯化鈉濃度

1.3試件制作和養(yǎng)護(hù)

水泥土的水灰比為0.58， 將粉細(xì)砂土、 水泥、 水按1∶0.15∶0.67的比例進(jìn)行配置， 統(tǒng)一采用水泥膠砂攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌， 攪拌完成后裝入高100mm、 直徑50mm的標(biāo)準(zhǔn)模具中. 其中水泥土入模時(shí)分為2次入模， 首先入模一半后在小型振動(dòng)臺(tái)上振搗90s后再進(jìn)行后續(xù)入模， 入模完成后再振搗90s后最終將試件抹平， 待試件固結(jié)后進(jìn)行拆模. 拆模后將水泥土試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(20±1 ℃， 90%濕度)28d后放入氯離子溶液中進(jìn)行浸泡.

1.4溶液離子濃度監(jiān)測

水泥土試件浸泡開始后對(duì)浸泡溶液進(jìn)行兩天一次的定期氯離子監(jiān)測， 試件一共浸泡28d， 檢測方法采用硝酸銀滴定法； 而鎂離子和鈉離子則通過離子色譜法將所采集的溶液樣本稀釋100倍后進(jìn)行測定.

1.5浸泡后試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

水泥土試件浸泡完成后對(duì)其進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)， 每組試件采用三個(gè)相同條件的平行試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn). 水泥土的變形通過位移計(jì)進(jìn)行檢測.

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1抗壓試驗(yàn)結(jié)果及分析

在氯化鈉溶液中浸泡后的試件經(jīng)過抗壓試驗(yàn)后得到的水泥土強(qiáng)度、 變形與氯化鈉溶液的濃度關(guān)系如圖 1 和圖 2 所示.

圖 1　氯化鈉溶液濃度與水泥土抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線圖Fig.1　Relationship of sodium chloride solution concentration and cement soil compressive strength

圖 2　氯化鈉溶液濃度與水泥土變形關(guān)系曲線圖Fig.2　Relationship of sodium chloride solution concentration and cement soil deformation history

由圖 1 可知， 水泥土在氯化鈉溶液中浸泡隨著溶液濃度的增大水泥土的抗壓強(qiáng)度也隨之增加， 并且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長水泥土的抗壓強(qiáng)度也隨之增長. 同樣， 水泥土的變形量同抗壓強(qiáng)度有著相同的規(guī)律變化， 水泥土的變形量與氯化鈉溶液濃度的變化關(guān)系如圖 2 所示.

在氯化鎂溶液中浸泡后的試件經(jīng)過抗壓試驗(yàn)后得到的水泥土強(qiáng)度、 變形與氯化鈉溶液的濃度關(guān)系如圖 3 和圖 4 所示.

圖 3　氯化鎂溶液濃度與水泥土抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線圖Fig.3　Relationship of magnesium chloride solution concentration and cement soil compressive strength

圖 4　氯化鎂溶液濃度與水泥土變形關(guān)系曲線圖Fig.4　Relationship of magnesium chloride solution concentration and cement soil deformation history

由圖 3 可知， 水泥土在氯化鎂溶液中浸泡后隨著溶液濃度變化水泥土的抗壓強(qiáng)度也隨之變化， 當(dāng)齡期為28d， 氯化鎂溶液的濃度達(dá)到1.5g/L時(shí)， 水泥土的抗壓強(qiáng)度為最高， 當(dāng)氯化鎂溶液的濃度超過1.5g/L后， 抗壓強(qiáng)度隨著氯化鎂濃度的增加而降低. 而相比7d養(yǎng)護(hù)下， 水泥土的抗壓強(qiáng)度隨著氯化鎂溶液濃度的增加先迅速增加而后保持緩慢增加狀態(tài). 水泥土的變形量同樣也是隨著氯化鎂溶液濃度的增加而發(fā)生變化， 變化規(guī)律同抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系類似， 具體關(guān)系變化如圖 4 所示.

2.2溶液離子濃度監(jiān)測結(jié)果及分析

試驗(yàn)過程中三種不同濃度的氯化鈉溶液的監(jiān)測結(jié)果見圖 5～圖 7.

圖 5　1.5 g/L濃度的氯化鈉浸泡溶液離子濃度與水泥土浸泡時(shí)間關(guān)系圖Fig.5　Relationship between ion concentration of 1.5 g/L sodium chloride solution and soaking time of cement soil

圖 6　3 g/L濃度的氯化鈉浸泡溶液離子濃度與水泥土浸泡時(shí)間關(guān)系圖Fig.6　Relationship between ion concentration of 3 g/L sodium chloride solution and soaking time of cement soil

圖 7　6 g/L濃度的氯化鈉浸泡溶液離子濃度與水泥土浸泡時(shí)間關(guān)系圖Fig.7　Relationship between ion concentration of 6 g/L sodium chloride solution and soaking time of cement soil

通過上述圖表可知：在所有氯化鈉溶液中， 當(dāng)水泥土浸泡7d后氯離子濃度分別減少20.43%, 31.55%和33.33%； 當(dāng)水泥土浸泡14d后氯離子濃度分別減少21.51%, 37.97%和60.00%； 當(dāng)水泥土浸泡28d后氯離子分別損耗38.71%, 59.89%和 74.67%. 從三種不同時(shí)間的浸泡試件可知， 隨著氯化鈉溶液濃度的增加， 水泥土試件吸收的氯離子量也越多. 并且隨著水泥土試件浸泡時(shí)間的延長， 水泥土消耗氯離子量也逐漸增加. 而水泥土7d消耗鈉離子量為34.48%, 31.62%和38.3%； 14d消耗鈉離子量為37.93%, 48.72% 和61.70%； 28d消耗鈉離子量為62.07%, 65.81%和76.60%. 由上述數(shù)據(jù)對(duì)比可知水泥土吸收鈉離子量遠(yuǎn)高于氯離子量， 這表明鈉離子在溶液中的移動(dòng)速度和活躍度遠(yuǎn)大于氯離子， 并且隨著溶液濃度的增加， 離子遷移速度也隨之增加； 而隨著時(shí)間的增加， 水泥土吸收的離子量也增加， 溶液中剩余的離子量降低， 離子的移動(dòng)速度也逐漸降低.

試驗(yàn)過程中三種不同濃度的氯化鎂溶液的濃度監(jiān)測結(jié)果見圖 8～圖 10.

圖 8　1.5 g/L濃度的氯化鎂浸泡溶液離子濃度與水泥土浸泡時(shí)間關(guān)系圖Fig.8　Relationship between ion concentration of 1.5 g/L magnesium chloride solution and soaking time of cement soil

圖 9　3 g/L濃度的氯化鎂浸泡溶液離子濃度與水泥土浸泡時(shí)間關(guān)系圖Fig.9　Relationship between ion concentration of 3 g/L magnesium chloride solution and soaking time of cement soil

圖 10　6 g/L濃度的氯化鎂浸泡溶液離子濃度與水泥土浸泡時(shí)間關(guān)系圖Fig.10　Relationship between ion concentration of 6 g/L magnesium chloride solution and soaking time of cement soil

通過上述數(shù)據(jù)關(guān)系可知：在所有氯化鎂溶液中， 當(dāng)水泥土浸泡7d后氯離子量分別減少21.74%， 29.52%和23.06%； 當(dāng)水泥土浸泡14d后氯離子分別損耗40.87%， 32.16%和33.48%； 當(dāng)水泥土浸泡28d后氯離子分別損耗46.09%， 55.95%和49.00%. 從而可知， 水泥土在氯化鎂溶液中吸收的氯離子量與氯化鎂溶液中氯離子的濃度基本無關(guān). 并且隨著時(shí)間的推移， 水泥土單位時(shí)間內(nèi)吸收的氯離子量也逐漸減少. 水泥土7d消耗鎂離子量為18.33%， 26.67%和33.33%； 14d消耗鈉離子量為40.28%， 32.80%和35.33%； 28d消耗鈉離子量為41.67%， 34.67%和37.33%. 同樣根據(jù)數(shù)據(jù)可知， 在氯化鎂溶液中水泥土消耗鎂離子量遠(yuǎn)高于氯離子量， 并且鎂離子的消耗量也和氯化鎂溶液的濃度基本無關(guān)， 同樣水泥土單位時(shí)間內(nèi)吸收的鎂離子量也是隨著時(shí)間的推移而逐漸減少. 因此， 在氯化鎂溶液中， 鎂離子的活躍度和運(yùn)動(dòng)速度也高于氯離子， 但是隨著氯化鎂溶液濃度的增加， 離子活躍度和運(yùn)動(dòng)速度并未提高， 而是隨著時(shí)間的推移開始逐漸下降.

2.3水泥土在溶液內(nèi)浸泡后的綜合分析

1) 根據(jù)上述數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知， 在氯離子溶液中， 鈉離子的運(yùn)動(dòng)速度和活躍度遠(yuǎn)高于氯離子和鎂離子. 在水泥土水化反應(yīng)中水泥生成水化物C-S-H凝膠， 可吸附氯化鈉溶液中的鈉離子， 最后通過化學(xué)鍵結(jié)合于膠凝材料的反應(yīng)物結(jié)構(gòu)中. 而一般土體的外表面通常帶有負(fù)電荷， 這些負(fù)電荷圍繞土粒可形成電場， 吸附部分鈉離子或鎂離子等正離子在其周圍以保證電離子平衡.

2) 從氯化鈉溶液浸泡試驗(yàn)和強(qiáng)度試驗(yàn)可知， 當(dāng)氯化鈉溶液的濃度不同而浸泡時(shí)間相同時(shí)， 水泥土試件的抗壓強(qiáng)度隨著溶液濃度的增加而增加， 同樣水泥土試件的變形也隨著氯化鈉溶液濃度的增加而增加. 水泥土試件的抗壓強(qiáng)度隨著氯化鈉溶液濃度的增加而增加的主要原因是由于氯離子與水泥水化物生成CaCl2·6H2O結(jié)晶， 而這種結(jié)晶進(jìn)入水泥土中可增加水泥土的吸附力和抗壓強(qiáng)度. 通過對(duì)氯化鈉溶液離子濃度的監(jiān)測結(jié)果可知， 隨著氯化鈉溶液濃度的增加， 氯化鈉溶液中的氯離子損失量也逐漸增加， 符合上述理論分析， 同樣也符合化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物質(zhì)濃度的增高反應(yīng)速率越快的理論.

3) 由氯化鎂溶液浸泡試驗(yàn)和強(qiáng)度試驗(yàn)可知， 隨著水泥土在氯化鎂溶液中浸泡時(shí)間的增加， 水泥土的抗壓強(qiáng)度和變形出現(xiàn)先增加后降低的趨勢. 通過對(duì)比溶液中的鎂離子和鈉離子可知， 在氯化鈉溶液中鈉離子并未與水泥土進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)， 因此對(duì)強(qiáng)度并未有較大影響， 而根據(jù)氯化鎂溶液中浸泡的水泥土抗壓強(qiáng)度測定和鎂離子監(jiān)測可知導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度下降的原因是由于鎂離子的存在所致.

水泥土在氯化鎂溶液中強(qiáng)度降低主要是由于鎂離子對(duì)水泥水化產(chǎn)物與氯離子生成CaCl2·6H2O結(jié)晶的過程的抑制作用. 從化學(xué)反應(yīng)的原理中可知， 鎂離子可與水泥水化反應(yīng)形成松軟無粘結(jié)力的氫氧化鎂膠體， 由于氫氧化鎂膠體的溶解度較低， 因此在水泥水化物的孔隙中沉積， 對(duì)水泥土的孔隙形成填充作用. 并且鎂離子與水泥水化產(chǎn)物的氫氧化鈣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成氫氧化鎂， 使得溶液的pH值降低， 減少了水泥的重要水化產(chǎn)物硅酸鈣和水化鋁酸鈣的產(chǎn)生， 從而導(dǎo)致水泥土的強(qiáng)度降低. 因此， 相比氯離子、 鈉離子和鎂離子可知其中鎂離子對(duì)水泥土的影響較大、 侵蝕性較強(qiáng)， 在工程實(shí)際中應(yīng)避免鎂離子的出現(xiàn)而對(duì)水泥土的強(qiáng)度造成影響.

3結(jié)論

通過對(duì)上述試驗(yàn)分析可得以下結(jié)論：

1) 在氯化鈉和氯化鎂溶液中， 鎂離子對(duì)水泥土的力學(xué)性能影響最大， 而鈉離子對(duì)水泥土的力學(xué)性能影響最小.

2) 水泥土在氯化鈉溶液中隨著浸泡天數(shù)和氯化鈉溶液濃度的增加其強(qiáng)度也隨之增加； 而水泥土在氯化鎂溶液中隨著浸泡天數(shù)和氯化鎂溶液濃度的增加強(qiáng)度先增加后降低.

3) 氯化鎂溶液對(duì)水泥土侵蝕的機(jī)理是鎂離子與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成氫氧化鎂膠體， 此膠體溶解度低， 沉積在水化產(chǎn)物孔隙中降低水泥土的力學(xué)性能.

4) 氯化鎂對(duì)水泥土強(qiáng)度影響最大， 因此在施工時(shí)應(yīng)避免在具有鎂離子的土壤中進(jìn)行水泥土施工.

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文章編號(hào)：1673-3193(2016)04-0430-06

收稿日期：2015-06-11

基金項(xiàng)目：教育部高等院校博士點(diǎn)基金項(xiàng)目

作者簡介：史晉榮(1973- )， 男， 高級(jí)工程師， 碩士， 主要從事土木工程檢測研究.

中圖分類號(hào):TU411

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.04.020

Research of Chloride Erosion Effect on Cement SoilMechanicsPerformanceTest

SHI Jin-rong1, GAO Yan-bin2

(1. Shanxi Construction Engineering Detection Co., LTD, Taiyuan 030006, China；2.Dept.ofGeotechnicalEngineeringCollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract:At present, the effect of chloride erosion solution on the mechanical behavior of cement soil is become complex, so the test, which can simulate ionic environment of chloride in cement soil, is designed based on the mechanism of chloride effect on soil. Sodium chloride and magnesium chloride were adopted in the simulation experiments. The concentration of the solution was 0, 1.5, 3 and 6 g/L, and the soak time was 7, 14 and 28 d respectively. The concentration of the solution was monitored unscheduled during the experiment, and the compressive strength and deformation of the cemented soil were measured at the same time. Experimental results show that sodium ions has minimal strength and deformation impact on the cement soil, and magnesium ions has the greatest influence on cement soil strength and deformation.

Key words:cement soil; chloride ion; sodium ions; magnesium ions; compressive strength