董猛榮, 楊俊杰, 王 曼, 劉 強(qiáng)

(1. 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)海洋大學(xué))，山東 青島 266100；2. 中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 3.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

由于城市及港口發(fā)展的需要及水泥土造價(jià)低、施工方便、整體性強(qiáng)、設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，水泥土材料被廣泛應(yīng)用于中國(guó)的圍海造陸、跨海工程、海底隧道工程等港口和海岸建設(shè)。然而，長(zhǎng)期處在海相軟土等環(huán)境中的水泥土，因海水中腐蝕離子的腐蝕作用而不可避免的發(fā)生強(qiáng)度降低[1-7]、滲透性增大[8]的劣化現(xiàn)象。劣化是化學(xué)變化引起的物理變化過(guò)程，揭示水泥土劣化機(jī)理可為研制抗劣化固化劑提供理論依據(jù)。

楊俊杰等[7, 9]根據(jù)工程背景，將加固體的劣化問(wèn)題分為在非腐蝕場(chǎng)地形成后由于場(chǎng)地受到污染而發(fā)生的劣化問(wèn)題(第一類劣化問(wèn)題)和在腐蝕場(chǎng)地形成的加固體的劣化問(wèn)題(第二類劣化問(wèn)題)，并歸納總結(jié)了兩類劣化問(wèn)題的室內(nèi)模擬試驗(yàn)方法。兩類劣化問(wèn)題室內(nèi)模擬試驗(yàn)方法的不同之處在于水泥土在與腐蝕環(huán)境接觸之前是否需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)成型后，即具有一定強(qiáng)度的水泥土置于腐蝕環(huán)境的方式模擬研究水泥土的劣化問(wèn)題(第一類劣化問(wèn)題)。而在腐蝕場(chǎng)地形成的水泥土，在形成強(qiáng)度之前即與腐蝕環(huán)境接觸，水泥土不應(yīng)預(yù)先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。而且，水泥土的強(qiáng)度具有隨時(shí)間增長(zhǎng)的性質(zhì)，且初期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，腐蝕場(chǎng)地形成的水泥土在強(qiáng)度增長(zhǎng)的同時(shí)也受到腐蝕物質(zhì)的侵蝕發(fā)生劣化，所以，在模擬試驗(yàn)中水泥土與腐蝕環(huán)境接觸前是否經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)，其劣化機(jī)理不盡相同。

關(guān)于第一類劣化問(wèn)題的水泥土劣化機(jī)理在此不贅述[10-20]。本文研究海相軟土場(chǎng)地水泥土的劣化機(jī)理，屬于第二類劣化問(wèn)題。

閆楠等[22-23]將水泥與日照嵐山港吹填淤泥質(zhì)土(含水率為液限的1.5倍，稱為原土)混合制備水泥土試樣，放入海水和原土中養(yǎng)護(hù)7、14、28、60、90、180和360 d后進(jìn)行X射線衍射、掃描電鏡、離子分析等試驗(yàn)。劣化層中C-S-H、C-A-S-H含量增多，水化產(chǎn)物含量減少，認(rèn)為海水中侵蝕離子對(duì)水泥水化產(chǎn)物有抑制和消耗作用，Mg2+、、Cl-、pH值是影響水泥強(qiáng)度的主因。將海水中水泥土強(qiáng)度衰減過(guò)程分為腐蝕介質(zhì)抑制水泥土表面強(qiáng)度增長(zhǎng)的過(guò)程和促使水泥強(qiáng)度由表及里不斷降低的過(guò)程。

腐蝕場(chǎng)地中的水泥土在形成強(qiáng)度的過(guò)程中，在水泥土與土體界面附近，由于水泥土與土體中同種離子濃度的不同，使水泥土和土體之間發(fā)生離子擴(kuò)散及離子交換作用。水泥土的劣化機(jī)理與其周?chē)馏w密切相關(guān)，但目前的研究?jī)H以水泥土為研究對(duì)象，忽略了水泥土與土體之間離子擴(kuò)散作用和離子交換作用的影響。

本文將水泥土和周?chē)馏w作為研究對(duì)象，在土體中制備水泥土，養(yǎng)護(hù)一定齡期后測(cè)定水泥土與土體界面附近的水泥土和土體中的各離子濃度，通過(guò)分析水泥土和土體之間離子擴(kuò)散和離子交換作用，揭示水泥土劣化的機(jī)理。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為海相軟土，取自青島膠州灣膠州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)。運(yùn)回試驗(yàn)室后去除大顆粒雜質(zhì)，圖1為處理后的試驗(yàn)用土，以下稱為原土。

圖1 處理后的試驗(yàn)用土(原土)

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)定膠州灣海相軟土物理、化學(xué)性質(zhì)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 試驗(yàn)用土物理性質(zhì)

表2 試驗(yàn)用土主要離子濃度

試驗(yàn)用水泥為濰坊魯元建材有限公司生產(chǎn)的42.5#普通硅酸鹽水泥。

1.2 試驗(yàn)方法

原土用海水調(diào)整至1.5倍液限，以15%的水泥摻入比制備水泥土。如圖2所示，將內(nèi)徑50 mm、高100 mm，壁厚2 mm的圓形套筒置于內(nèi)徑320 mm、深150 mm的容器中心并固定。將海相軟土裝入容器至1/2套筒高。將水泥土分三次裝入套筒，期間用細(xì)鋁棒不斷振搗排除氣泡。繼續(xù)將海相軟土裝入容器中，與套筒平齊后緩慢拔出套筒；繼續(xù)裝入海相軟土至高出水泥土頂端20 mm。

對(duì)達(dá)到指定齡期(28、60、90 d)的試樣取樣，用滴定法進(jìn)行離子濃度測(cè)定，取樣位置見(jiàn)圖3，水泥土內(nèi)部3個(gè)樣，分別距界面0～5、5～10和10～15 mm，土體中3個(gè)樣，分別距界面0～10、10～20和20～30 mm。每個(gè)試樣3個(gè)平行樣取平均值。

取樣后，風(fēng)干、研磨并制備浸出液，依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50123—1999)測(cè)定相應(yīng)的離子濃度。

同時(shí)為分析劣化力學(xué)特性與離子分布的關(guān)系，本文對(duì)相同條件下劣化90 d的水泥土燒杯試樣實(shí)施微型貫入試驗(yàn)。

首先將配置好的水泥土填入內(nèi)徑85 mm，上內(nèi)徑90 mm，高105 mm的塑料燒杯中，分三層填入，放入養(yǎng)護(hù)桶中央并填入原土直至高出試樣頂面2cm。養(yǎng)護(hù)桶為下內(nèi)徑135 mm，上內(nèi)徑150 mm，高150 mm的塑料桶，每14天換土一次。達(dá)到90 d時(shí)實(shí)施微型貫入試驗(yàn)，試驗(yàn)所用探針角度60°，探頭直徑3.4 mm，貫入阻力達(dá)到平穩(wěn)后停止貫入。試驗(yàn)過(guò)程及貫入點(diǎn)位置如圖4所示。

圖2 制樣過(guò)程

圖3 離子濃度測(cè)定取樣位置

圖4 試驗(yàn)過(guò)程及貫入點(diǎn)位置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5為28 d齡期時(shí)離子濃度在水泥土和土體界面附近的分布情況。

圖5 28 d齡期時(shí)離子濃度在水泥土和土體界面附近的分布

如圖5(b)所示，距離水泥土表面越近，Mg2+在水泥土中濃度越高；而在土體中，Mg2+濃度隨距界面距離的變化不明顯。水泥土表層的Mg2+與水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成Mg(OH)2，Mg(OH)2溶解度低，易沉淀，但進(jìn)行離子濃度測(cè)定時(shí)需要制備浸出液，導(dǎo)致了Mg2+的溶出，使得測(cè)得的Mg2+濃度偏高。

如圖5(d)所示，Cl-濃度水泥土內(nèi)外差別明顯，土體中Cl-濃度明顯高于水泥土中Cl-濃度。在水泥土中，離水泥土表面越近，Cl-濃度越高，在土體中，離界面越遠(yuǎn)，Cl-濃度有增加的趨勢(shì)。水泥土中的Cl-與水泥成分中的鋁酸三鈣(C3A)發(fā)生反應(yīng)生成水化氯鋁酸鈣(C3A·CaCl2·nH2O)，導(dǎo)致水泥土中的Cl-濃度降低；Cl-分子量小，很容易進(jìn)入水泥土中，導(dǎo)致水泥土表層Cl-濃度升高。

圖6為60 d齡期時(shí)離子濃度在水泥土和土體界面附近的分布情況。

圖6 60 d齡期時(shí)離子濃度在水泥土和土體界面附近的分布

圖7為90 d齡期時(shí)離子濃度在水泥土和土體界面附近的分布情況。

圖7 90 d齡期時(shí)離子濃度在水泥土和土體界面附近的分布

圖8為各位置處離子濃度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化情況。

圖8 各位置處離子濃度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化情況

由圖8可知，Ca2+濃度隨時(shí)間在水泥土內(nèi)部逐漸升高，在水泥土表層呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，在土體中變化不明顯。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加， Mg2+擴(kuò)散進(jìn)入水泥土，消耗了水化硅酸鈣(C-S-H)與水化鋁酸鈣(C-A-H)，生成了膠結(jié)性較差的水化硅酸鎂(M-S-H)與水化鋁酸鎂(M-A-H)，置換出了部分Ca2+，從而使其濃度升高，同時(shí)被置換出的Ca2+在界面處不斷向土體中擴(kuò)散，導(dǎo)致了水泥土靠近界面處Ca2+濃度的降低。

Mg2+濃度隨時(shí)間在水泥土表層有升高的趨勢(shì)，但在水泥土內(nèi)部及土體中，Mg2+濃度逐漸降低。在水泥土內(nèi)部Mg2+逐漸與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致了Mg2+濃度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間降低，在水泥土表層，Mg(OH)2的不斷析出使其濃度升高，土體中的Mg2+不斷向水泥土擴(kuò)散，使其濃度降低。

Cl-濃度隨時(shí)間在水泥土內(nèi)部逐漸升高，在水泥土表層60 d前升高，60 d后則有降低的趨勢(shì)；在土體中， Cl-濃度均隨時(shí)間逐漸降低。Cl-分子量較小，擴(kuò)散較快，土體中的Cl-擴(kuò)散至水泥土內(nèi)部導(dǎo)致土體中Cl-濃度逐漸降低，60 d后水泥土劣化較嚴(yán)重，水泥土表層及土體中與水泥土界面處成分趨于一致，所以水泥土表層Cl-濃度與土體中Cl-濃度變化趨勢(shì)一致。

圖9為90 d齡期水泥土燒杯試樣的微型貫入試驗(yàn)結(jié)果。

圖9 90 d齡期原土養(yǎng)護(hù)水泥土微型貫入試驗(yàn)貫入曲線

楊俊杰等[21]根據(jù)劣化及未劣化試樣貫入阻力曲線特征定義了劣化深度(見(jiàn)圖10)，如圖所示，劣化層包括貫入阻力為零的完全劣化層(深度為D1)和劣化過(guò)渡層(深度為D2)，劣化層的深度D即為劣化深度。

由圖10可知，水泥土的劣化深度為1.2 mm，劣化區(qū)水泥土中離子含量明顯異于未劣化部分，但在未劣化區(qū)離子濃度均隨深度的增加逐漸減少或逐漸增多，說(shuō)明離子擴(kuò)散先于擴(kuò)散發(fā)生。

圖11為基于上述試驗(yàn)結(jié)果與分析得到的水泥土和土中不同位置處各離子反應(yīng)及擴(kuò)散情況。

圖10 由貫入阻力曲線定義的劣化深度

圖11 水泥土和土中不同位置處各離子反應(yīng)及擴(kuò)散情況

3 海相軟土場(chǎng)地水泥土劣化機(jī)理

水泥土強(qiáng)度的增加是緣于水化反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用并填充孔隙，而腐蝕離子對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響體現(xiàn)在干預(yù)水化反應(yīng)進(jìn)程和分解水化產(chǎn)物兩個(gè)方面。以下從上述兩個(gè)方面分析水泥土劣化機(jī)理。

3.1 腐蝕離子干預(yù)水泥水化反應(yīng)進(jìn)程

3.1.1 水泥水化反應(yīng)過(guò)程 水泥水化反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)圖12。

圖12 水化反應(yīng)過(guò)程圖

① C3S/C2S的水化

在硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)結(jié)構(gòu)中，鈣離子的配位數(shù)處于不規(guī)則狀態(tài)，因而使鈣離子具有較高的活性，其結(jié)構(gòu)具有熱力學(xué)不穩(wěn)定性，遇水會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)。C3S/C2S的水化反應(yīng)見(jiàn)下式：

3 CaO·SiO2+ nH2O→

xCaO·SiO2·yH2O+(3-x) Ca(OH)2。

(1)

2 CaO·SiO2+ nH2O→

xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2。

(2)

C3S及C2S與水發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣(xCaO·SiO2·yH2O，此后簡(jiǎn)寫(xiě)為C-S-H)與氫氧化鈣(Ca(OH)2，此后簡(jiǎn)寫(xiě)為CH)。C-S-H為水泥水化最重要的產(chǎn)物，表面積大(100～700 m2/g)，占水泥水化體積的50%～60%。CH為較為粗大的晶體，生成過(guò)多會(huì)造成水泥強(qiáng)度的降低，但其是維持水泥石體系較高堿度，穩(wěn)定C-S-H的重要物質(zhì)。

C3S/C2S的水化過(guò)程分為五個(gè)階段：誘導(dǎo)前期、誘導(dǎo)期、加速期、減速期、穩(wěn)定期。

誘導(dǎo)前期：Ca2+和OH-迅速釋放， pH值迅速上升值至12，溶液具有強(qiáng)堿性。此時(shí)期反應(yīng)迅速，但時(shí)間較短，15 min內(nèi)結(jié)束。

加速期：CH和C-S-H開(kāi)始從溶液中析出，C3S再開(kāi)始繼續(xù)迅速地發(fā)生反應(yīng)。大量放熱，水泥開(kāi)始硬化。時(shí)間是水化反應(yīng)開(kāi)始后的4～8 h。

減速期：C-S-H包裹著土顆粒表面，形成屏障，離子需要擴(kuò)散到屏障內(nèi)部才能繼續(xù)反應(yīng)。水化反應(yīng)速率逐漸下降，受擴(kuò)散速率控制。時(shí)間是水化反應(yīng)開(kāi)始后的12～24 h。

穩(wěn)定期：水化產(chǎn)物開(kāi)始在C3S粒子原始周界內(nèi)部形成和生長(zhǎng)，水化向穩(wěn)定期轉(zhuǎn)變。

② C-S-H的轉(zhuǎn)化

水化產(chǎn)物C-S-H的組成是不定的，其CaO/SiO2的比值與所處的溶液中CH濃度有關(guān)：

CH濃度較低時(shí)，C/S值=1.5，C-S-H表現(xiàn)為硅酸凝膠態(tài)。

CH濃度較高時(shí)，C/S值=1.5～1.8，C-S-H表現(xiàn)為纖維狀(稱為Ⅰ型C-S-H)。

CH濃度達(dá)到飽和時(shí)，C/S值=2，C-S-H表現(xiàn)為網(wǎng)格狀(稱為Ⅱ型C-S-H)。

圖13 不同形態(tài)C-S-H掃描電鏡圖

隨著水化反應(yīng)的，CH不斷生成，CH濃度不斷提高，C-S-H的形態(tài)也隨著時(shí)間緩慢變化。

③ C3A的水化反應(yīng)

鋁酸三鈣(C3A)由許多四面體、八面體組成， Ca2+松散的聯(lián)結(jié)，其中含有0.147 nm的大孔穴OH-可以很容易進(jìn)入晶格內(nèi)部。C3A水化反應(yīng)有兩種水化方式：

C3A單獨(dú)水化：

C3A + 27H → C4AH19+C2AH8。

(3)

其中：C4AH19在R.H<85%時(shí)容易失水變成C4AH13。C4AH19、C4AH13、C2AH8、均為六方片狀晶體，在常溫下都處于介穩(wěn)狀態(tài)，有轉(zhuǎn)化為等軸C3AH6的趨勢(shì)。

④ CH濃度達(dá)飽和時(shí)C3A的水化：

C3A+CH+12H→C4AH13。

(4)

由于C4AH13在堿性環(huán)境中穩(wěn)定存在且增長(zhǎng)很快，會(huì)發(fā)生瞬凝的現(xiàn)象。

⑤ C4AH13轉(zhuǎn)化為AFt的反應(yīng)。

在石膏存在的情況下，C4AH13會(huì)與石膏反應(yīng)生成三硫型水化硫鋁酸鈣(化學(xué)式C3A·3CS·H32，簡(jiǎn)寫(xiě)為AFt)。

C4AH13+3CSH2+14H→C3A·3CS·H32+CH 。

(5)

AFt又稱鈣礬石，是一種溶解度比較低的膨脹性物質(zhì)，生成AFt后，體積膨脹1.27倍，少量生成可以填充孔隙增強(qiáng)水泥土強(qiáng)度，但是生成過(guò)多時(shí)會(huì)引起水泥土的脹裂。

⑥ AFt轉(zhuǎn)化為AFm的反應(yīng)

當(dāng)石膏消耗完而C3A還有剩余時(shí)，會(huì)發(fā)生下式的反應(yīng)，生成單硫型水化硫鋁酸鈣(化學(xué)式C3A·CS·H12，簡(jiǎn)寫(xiě)為AFm)：

2C4AH13+C3A·3CS·H32→3C3A·CS·H12+CH+20H 。

(6)

與AFt類似，AFm也是一種膨脹性產(chǎn)物。

⑦ AFm轉(zhuǎn)化為AFm(CH)的反應(yīng)

石膏摻量極少，所有的AFt都轉(zhuǎn)化為AFm還有C3A剩余

C3A·CS·H12+ C3A+CH+12H →2C3A(CS· CH)H12。

(7)

⑧C4AF在無(wú)石膏環(huán)境中水化

無(wú)石膏時(shí)，在Ca(OH)2環(huán)境水化，化學(xué)反應(yīng)見(jiàn)下式：

C4AF + 4CH + 22 H →2C4(A·F)H13。

(8)

⑨ C4AF在無(wú)石膏環(huán)境中水化

C4AF+2CH+6CSH2+50H→2C3(A·F)·3CS·H32。

(9)

⑩AFt(F)轉(zhuǎn)化為AFm(F)的反應(yīng)

石膏不足時(shí)

2C4(A·F)·H13+C3(A·F)·3CS·H32→3C3(A·F)·CS·H12。

(10)

C3(A·F)·CS·H12 + C4AF+CH+12H→

2C3(A·F)(CS· CH)H12。

(11)

可以看出，C4AF與C3A水化反應(yīng)過(guò)程及產(chǎn)物非常相似。

根據(jù)結(jié)晶理論，硬化水泥漿體是由多種形貌的C-S-H以及鈣礬石、CH和單硫型水化硫鋁酸鈣等晶體交織在一起形成的。它們密集連生交叉結(jié)合、接觸，形成牢固的結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)。水泥石的強(qiáng)度取決于結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)中接觸點(diǎn)的強(qiáng)度與數(shù)量。

根據(jù)水化反應(yīng)過(guò)程可以看出，低含鹽量利于水泥土強(qiáng)度提高可能有以下三方面原因：

(1)環(huán)境中的Ca2+進(jìn)入水泥土中加速了水化反應(yīng)過(guò)程①C3S/C2S的水化中的誘導(dǎo)期中CH的溶出，促進(jìn)誘導(dǎo)期的結(jié)束，起到一定的早強(qiáng)作用。同時(shí)Ca2+濃度提高可使CH濃度提前達(dá)到飽和，促進(jìn)網(wǎng)格狀凝膠產(chǎn)物的生成。

(3)低濃度的Cl-可會(huì)與C3A和CH反應(yīng)生成不溶性的水化氯鋁酸鈣，反應(yīng)式如下：

C3A+CaCl2+nH2O=C3A·CaCl2·nH2O 。

(12)

水化氯鋁酸鈣的析出會(huì)填充孔隙，增加固相比例，提高早期強(qiáng)度；同時(shí)由于Cl-的存在，會(huì)產(chǎn)生鹽效應(yīng)，致使熟料礦物溶解度增大，提高鈣礬石的溶解度，阻止其晶體的形成與長(zhǎng)大，從而減輕對(duì)水泥土的破壞作用。圖4(d)中可以看出在28 d時(shí)水泥土內(nèi)部的Cl-濃度低于環(huán)境中Cl-濃度，說(shuō)明Cl-在早期參加了反應(yīng)。

3.1.3高含鹽量不利于水泥土強(qiáng)度形成 過(guò)高的含鹽量會(huì)阻礙水化產(chǎn)物的形成，影響強(qiáng)度的提高?？赡苡幸韵氯矫嬖?。

(1)Mg2+在水泥土中會(huì)發(fā)生兩個(gè)干擾水化的反應(yīng)：

Mg(OH)2+SiO2→MgO·SiO2·H2O 。

(13)

Mg(OH)2+Al2O3→MgO·Al2O3·H2O 。

(14)

式(13)、式(14)分別生成了水化硅酸鎂(M-S-H)與水化鋁酸鎂(M-A-H)，M-S-H會(huì)分散與C-S-H凝膠之中，由于M-S-H是一種松散物質(zhì)，膠凝性較差，所以其存在會(huì)在一定程度上破壞C-S-H凝膠的完整性。圖7中水泥土內(nèi)部Mg2+濃度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間逐漸減低，說(shuō)明了Mg2+參與了水泥土后期反應(yīng)。

(2)大量存在的會(huì)導(dǎo)致Ca2+以二水石膏的形式析出，Ca2+濃度的降低阻礙了溶液C3S/C2S水化反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)也降低了CH濃度，CH濃度較低時(shí)，會(huì)阻礙水化反應(yīng)進(jìn)行。

(3)當(dāng)Cl-濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)與C3A反應(yīng)生成過(guò)量的水化氯鋁酸鈣，水化氯鋁酸鈣幾乎沒(méi)有凝膠作用，且此反應(yīng)消耗很多CH與C3A，不利于水化反應(yīng)的進(jìn)行。且水化氯鋁酸鈣還會(huì)包覆在土顆粒和水化產(chǎn)物(C-S-H和C-A-H)表面，阻礙水化反應(yīng)的進(jìn)一步反應(yīng)。

3.2 腐蝕離子分解水化產(chǎn)物

腐蝕離子分解水化產(chǎn)物將使水泥土強(qiáng)度降低，其機(jī)理可從以下四個(gè)方面闡述。

(1)土體中的Mg2+在水泥土表面或通過(guò)孔隙進(jìn)入水泥土中，與C-S-H和C-A-H發(fā)生如下反應(yīng)：

3CaO·2SiO2·3H2O+3MgCl2+9 H2O→

3CaCl2·6H2O+3Mg(OH)2+2SiO2。

(15)

3CaO·Al2O3·6H2O+3MgCl2+9 H2O→

3CaCl2·6H2O+3Mg(OH)2+Al2O3。

(16)

如式(15)、式(16)所示，Mg2+消耗了C-S-H與C-A-H，導(dǎo)致水泥土水化產(chǎn)物的分解，從而降低了水泥土的強(qiáng)度。由圖7(b)可知，水泥土內(nèi)部28 d后Mg2+濃度逐漸降低，說(shuō)明在水化反應(yīng)基本完成后Mg2+依然持續(xù)的發(fā)生反應(yīng)，所以Mg2+是強(qiáng)度形成后，導(dǎo)致水化產(chǎn)物分解的重要離子。

(2)當(dāng)濃度較高時(shí)，會(huì)與土體中的Ca2+及(C-A-H)發(fā)生如下反應(yīng)。

(17)

4CaO·Al2O3·13H2O(C-A-H)+3(CaSO4·2H2O)+14H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Ca(OH)2。

(18)

如式(17)、式(18)所示，與Ca2+發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生大量石膏，析出結(jié)晶，石膏結(jié)晶體積是Ca(OH)2結(jié)晶的兩倍，造成水泥土的脹裂，同時(shí)，石膏還會(huì)與C-A-H反應(yīng)生成鈣礬石，鈣礬石體積為C-A-H體積的1.27倍，同樣會(huì)造成水泥土的脹裂。

(3)當(dāng)Mg2+和同時(shí)大量存在時(shí)，會(huì)發(fā)生r如下反應(yīng)：

3CaO·2SiO2·3H2O+3MgSO4+10H2O→

3(CaSO4·2H2O)+3Mg(OH)2+2SiO2·4H2O。

(19)

如式(19)所示，C-S-H發(fā)生分解，生成石膏與Mg(OH)2，水化產(chǎn)物膠結(jié)性變差，同時(shí)石膏的析出會(huì)造成脹裂。

(4)也有學(xué)者認(rèn)為，Mg2+、Cl-同時(shí)存在且濃度較高時(shí)，生成氯鋁酸鹽和鎂氧氯化物以取代硫鋁酸鹽，產(chǎn)生具有強(qiáng)烈腐蝕性的鉀鎂礬(K2Mg2(SO4)3)。因此，當(dāng)Cl-和Mg2+同時(shí)存在且濃度較大時(shí)，將進(jìn)一步加劇水泥土的劣化。

4 結(jié)論

本文將水泥土和周?chē)馏w作為研究對(duì)象，基于室內(nèi)試驗(yàn)得到的離子濃度時(shí)空分布規(guī)律，探討了海相軟土場(chǎng)地水泥土劣化機(jī)理。

(3)隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，Ca2+不斷生成，水泥土中足夠多的Ca2+是保證水化反應(yīng)進(jìn)行及維持水化產(chǎn)物穩(wěn)定的必要條件，Ca2+不斷向土體擴(kuò)散是水泥土劣化的原因之一。