劉 浩，楊俊杰，王 曼，李斯臣，武亞磊，王曉倩

(1.中國海洋大學 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100； 3.青島中藍投資有限公司即墨分公司，山東 青島 266100)

1 研究背景

水泥土是軟土地基加固處理較為廣泛采用的材料之一，但是，長期處于濱海相軟土、鹽漬土和污染環(huán)境等腐蝕場地中的水泥土材料，與混凝土、鋼材等建筑材料一樣，不可避免地受到腐蝕介質的持續(xù)作用而發(fā)生劣化，劣化導致水泥土強度降低，嚴重影響水泥土結構的使用壽命[1-5]。水泥土劣化是由表及里強度隨時間衰減的過程，準確預測劣化深度與時間的關系對于水泥土結構全壽命設計具有一定的理論和工程應用價值。

2 水泥土劣化問題分類、劣化深度定義及劣化深度預測研究現狀與分析

2.1 水泥土劣化問題分類及劣化深度定義

楊俊杰等[6-8]根據工程背景，將水泥土等加固體的劣化問題分成2類，并提出了相應的室內模擬方法(圖1)。

圖1 水泥土劣化問題及研究方法(基于文獻[5]修改)Fig.1 Classification and research methods of cementsoil degradation (revised from literature [5])

在非腐蝕場地形成的加固體，后因場地受到污染而發(fā)生的劣化問題屬于第1類，被污染場地的形成除了工業(yè)、農業(yè)及生活污染源外，酸雨、鹽漬化、潮汐及海水侵入等均可導致場地污染。如圖1左列所示，第1類劣化問題，可采用先將加固體標準養(yǎng)護一定時間后再與腐蝕環(huán)境接觸的方式進行模擬。在污染場地、濱海場地等腐蝕場地形成的加固體，其形成強度的同時即受到腐蝕介質的侵蝕，這類劣化問題屬于第2類，如圖1右列所示。為了與實際情況相符，采用在加固體形成后不經標準養(yǎng)護立即使其與腐蝕環(huán)境接觸的方式進行模擬。現場養(yǎng)護則可綜合如水動力條件、溫度變化、潮汐作用等諸多因素的影響。

對于達到劣化齡期的加固體實施微型貫入試驗，得到貫入阻力與貫入深度的關系曲線，由此定義劣化深度。

圖2 貫入阻力曲線示意圖及劣化深度定義Fig.2 Schematic diagram ofpenetration resistance curveand definition of deteriora-tion depth

如圖2所示，微型貫入試驗得到的是貫入阻力(N)，將貫入阻力除以探頭平面投影面積，稱之為比貫入阻力(kPa)，由此得到橫坐標為比貫入阻力、縱坐標為貫入深度的貫入阻力曲線。開始時比貫入阻力有一部分幾乎為0，說明水泥土發(fā)生了完全劣化；貫入一定深度后，曲線開始出現拐點，隨后比貫入阻力隨貫入深度直線增加；再次出現拐點后，比貫入阻力隨貫入深度變化不大，說明此時達到水泥土的未劣化區(qū)，將趨于穩(wěn)定的比貫入阻力定義為貫入強度。

將比貫入阻力近似直線增長的部分擬合直線，以直線與縱坐標的交點為界限，界限以淺部分為劣化區(qū)，以深部分為未劣化區(qū)。劣化區(qū)分為比貫入阻力(強度)幾乎為0的完全劣化層和比貫入阻力(強度)隨深度增加的劣化過渡層。將劣化區(qū)、完全劣化層和劣化過渡層的深度分別稱為劣化深度(D)、完全劣化深度(Dc)和劣化過渡層深度(Dt)，則有D=Dc+Dt。未劣化區(qū)的貫入強度可近似看成標準養(yǎng)護時的水泥土強度。

2.2 水泥土劣化深度預測研究現狀與分析

2.2.1 第1類劣化問題的劣化深度-時間關系

Hayashi等[9-10]通過式(1)對水泥土的長期劣化深度進行了預測。

D=αtβ。

(1)

式中：D為劣化時間t時的劣化深度(mm)；α、β均為常數。根據前期學者的研究推斷，α約為劣化1 a后的劣化深度，β平均值約為0.5。此時，該預測式與Ikegami等[11]預測公式相同。

Hara等[1]根據室內試驗得到長期劣化深度的關系式，即

(2)

式中：dn為劣化深度(mm)；A為劣化系數。

Miao[12]分析不同濃度海水條件下水泥土劣化深度的試驗結果，提出可以通過短期內較高濃度海水條件下水泥土的劣化深度來預測較低海水濃度條件下水泥土的長期劣化深度，得到水泥土劣化深度的預測函數，即

dcsw=alnb-aln(t+b) 。

(3)

式中：dcsw為在相應海水濃度下的劣化深度(mm)；a為由水泥土初始條件決定的常數；b為由海水濃度決定的變量。

王曉倩等[7]同樣提出了冪函數預測式，可根據28 d劣化深度推測長期劣化深度,即

D=D28(t/28)A。

(4)

式中：D為水泥土劣化深度(mm);D28為28 d劣化深度(mm);t為劣化時間(d);A為待定常數。

王曉倩等[7]利用Hara等[1]和Miao[12]及本人試驗結果討論了式(4)中A的取值。

Hara等[1]采用的原土為含水量為237.2%的Ariake Clay，水泥摻量分別為50、70、100 kg/m3，標準養(yǎng)護時間為28 d,得到的A為0.51。Miao[12]同樣采用Ariake Clay，水泥摻入比為10%，標準養(yǎng)護1 d,得到的A為0.79。

王曉倩等[7]采用的是高嶺土，塑限和17 mm液限分別為33.2%和72.1%，水泥摻入比為15%，灰水比為0.289，制樣后分別標準養(yǎng)護0、1、28、90 d，再置于海水中分別浸泡28、90、180 d。王曉倩等認為，水泥土初始強度越高，劣化速度越慢，A取值越小。與第1類劣化(初始強度為0)A取0.5～0.7[8]相比，具有初始強度的第2類劣化的A可取0.2～0.8。

2.2.2 第2類劣化問題的劣化深度-時間關系

Ikegami等[11]研究了日本橫濱港大黑碼頭現場水泥土的長期劣化深度，總結出劣化深度經驗公式為

D=A(t*)0.5。

(5)

式中：D為劣化深度(mm)；A為1 a后的劣化深度(mm)；t*為時間t與1 a的比值。

閆楠[13]研究了海水及原土養(yǎng)護條件下水泥土劣化深度隨時間的變化規(guī)律，分別建立了水泥土在海水及原土養(yǎng)護條件下的劣化深度預測經驗公式，海水養(yǎng)護條件下,有

dn=ln(a+bt) 。

(6)

式中：dn為劣化深度(mm)；a，b為與水泥土摻入比相關的常數；t為養(yǎng)護時間或浸泡時間(d)。

原土養(yǎng)護條件下，有

dn=m+ntc。

(7)

式中m、n、c均為常數。

楊俊杰等[8]研究了現場養(yǎng)護的濱海相軟土水泥土的劣化深度隨時間的演化規(guī)律，并提出了根據90 d劣化深度推測長期劣化深度的預測式，即

D=D90(t/90)A。

(8)

式中：D90為90 d劣化深度(mm)；A為待定常數。

基于長達3.5 a(1 260 d)的現場試驗數據，建議A的取值范圍為0.5～0.7。

2.2.3 存在的問題及本文的研究內容

水泥土的初始強度對場地環(huán)境變化引起的水泥土劣化深度具有一定的影響：一方面，影響規(guī)律有待進一步的數據積累；另一方面，在劣化深度-時間關系預測為冪函數形式時初始強度的影響如何體現，有待進一步討論。

如上所述，劣化水泥土由強度幾乎為0的完全劣化層、強度隨深度增加的劣化過渡層以及強度可看成與同齡期標準養(yǎng)護水泥土相同的未劣化區(qū)共3部分組成。在預測劣化水泥土強度時，不僅需要知道這3部分的強度，還需要知道劣化深度(D)、完全劣化深度(Dc)和劣化過渡層深度(Dt)。然而，無論是第1類劣化問題還是第2類劣化問題，均只給出了劣化深度(D)預測方法，未進一步給出完全劣化深度(Dc)和劣化過渡層深度(Dt)預測方法。

在冪函數形式的劣化深度預測式中，系數為某一短期劣化深度，該系數很可能是一個含有原土性質、固化劑摻量、初始強度、劣化環(huán)境等因素影響的綜合參數，而式中指數的取值趨于一致。因此，冪函數形式可能是實用性強的劣化深度預測式，其他函數形式的預測式則含有多個擬合參數。

需要說明的是，上述研究中劣化深度確定方法不盡相同，但所得結果相差不大且趨勢相同。

本文以山東濰坊港海相軟土為試驗用土，采用不同水泥摻入比和不同標準養(yǎng)護時間得到具有不同初始強度的水泥土，研究不同初始強度下水泥土劣化特性，據此提出劣化深度、完全劣化深度和劣化過渡層深度的預測方法；并利用現場腐蝕試驗(最長腐蝕時間達到1 800 d)予以驗證，為水泥土結構全壽命設計提供理論依據，具有一定的實用價值。

3 不同初始強度對水泥土劣化深度的影響

3.1 試驗概況

影響水泥土劣化的因素有原土性質、水泥摻量、水泥土初始強度、劣化環(huán)境，本文通過改變水泥摻入比和標準養(yǎng)護齡期制備不同初始強度的水泥土，研究初始強度對劣化程度的影響。

試驗用土取自山東省濰坊市渤海萊州灣南岸濰坊港港口內海底。去除軟土中的石塊、水草等雜質后攪拌均勻，圖3為預處理后的土樣。

圖3 預處理后的土樣Fig.3 Soil samples after pretreatment

試驗用土的物理性質和主要離子濃度分別如表1和表2所示。根據塑性圖可知試驗用土為低液限粉土。

表1 試驗用土物理性質Table 1 Physical properties of test soil

表2 試驗用土主要離子濃度Table 2 Main ion concentrations of test soil

表3 試樣制備方案Table 3 Scheme of sample preparation

試驗用水泥為濰坊魯元建材有限公司生產的42.5號普通硅酸鹽水泥。水泥摻入比及標準養(yǎng)護時間如表3試驗制備方案所示。采用海水浸泡，浸泡時間如表3所示。

按照試樣制備方案將預處理后的濰坊港海相軟土與水泥攪拌均勻制備水泥土，然后分3次裝入內徑85 mm、內高105 mm的500 mL塑料燒杯中。每次裝填時輕微振動燒杯以減少氣泡，并振實20次(共振實60次)，裝至燒杯頂部抹平。然后采用制樣攪拌機對燒杯中水泥土進行攪拌，上下攪拌來回各3次，每次30 s，攪拌完后刮平表面，制樣時間控制在5 min之內。制備的水泥土試樣如圖4所示。將制備的水泥土試樣標準養(yǎng)護至設定齡期。達到齡期后，放入塑料桶內進行海水浸泡，如圖5所示。對達到設定浸泡時間的試樣實施微型貫入試驗。微型貫入儀為應變控制式，貫入速度設為2 mm/min，探頭直徑為3.4 mm。

圖4 制備的水泥土試樣Fig.4 Cement soil sample prepared for test

圖5 海水浸泡中的水泥土試樣Fig.5 Cement soil sample immersed in seawater

3.2 不同初始強度對水泥土劣化深度影響

圖6—圖8分別為海水浸泡28、90、180 d的微型貫入試驗結果。其中，圖8(a)中標準養(yǎng)護時間0 h的試樣貫入曲線在劣化過渡層呈現出波動現象，可能是水泥土試樣內部不均性導致的。其它不同水泥摻入比、不同標準養(yǎng)護時間，劣化水泥土的貫入阻力曲線性狀均與圖2的貫入阻力曲線示意圖相同，表明水泥土初始強度對劣化水泥土貫入阻力曲線性狀無明顯影響。

圖6 海水浸泡28 d微型貫入試驗結果Fig.6 Result of micro-penetration test results of sample immersed in seawater for 28 days

圖7 海水浸泡90 d微型貫入試驗結果Fig.7 Result of micro-penetration test results of sample immersed in seawater for 90 days

圖8 海水浸泡180 d微型貫入試驗結果Fig.8 Result of micro-penetration test results of sample immersed in seawater for 180 days

根據劣化深度定義確定各種條件下的劣化深度D、完全劣化深度Dc和劣化過渡層深度Dt。圖9為劣化深度與標準養(yǎng)護時間、水泥摻入比的關系。

如圖9所示，劣化深度D、完全劣化深度Dc和劣化過渡層深度Dt隨標準養(yǎng)護時間的增加和水泥摻入比的增大而減小，表明水泥土初始強度越大，劣化深度越小。

圖9 劣化深度與標準養(yǎng)護時間、水泥摻入比的關系Fig.9 Relations of deterioration depth against cementratio and standard curing time

4 水泥土劣化深度-時間關系預測

如第2.2.3節(jié)所述，冪函數形式可能是實用性強的劣化深度預測式。因此，本文利用式(9)對試驗得到的劣化深度D、完全劣化深度Dc和劣化過渡層深度Dt與時間的關系進行擬合，即

(9)

式中：D90、Dc90、Dt90分別為90 d劣化齡期的劣化深度(mm)、完全劣化深度(mm)、劣化過渡層深度(mm)；t為劣化時間(d)；A為待定常數。

圖10 第1類劣化問題的劣化深度計算結果與室內劣化試驗結果對比Fig.10 Comparison of degradation depth between calculation results and indoor test results for the first type ofdegradation problem

圖11 第2類劣化問題的劣化深度計算結果與室內劣化試驗結果對比Fig.11 Comparison of degradation depth between calculation results and indoor test results for the secondtype of degradation problem

圖12 第2類劣化問題的劣化深度計算結果與現場劣化試驗結果對比(水泥摻入比15%)Fig.12 Comparison of degradation depth betweencalculation results and field degradation test resultsat cement ratio of 15% for the second type ofdegradation problem

圖10、圖11分別為第1類劣化問題、第2類劣化問題的劣化深度計算結果與室內劣化試驗結果的對比，圖12為第2類劣化問題的劣化深度計算結果與現場劣化試驗結果的對比。由圖10—圖12可知，無論是第1類劣化問題還是第2類劣化問題，或是室內劣化試驗還是現場劣化試驗，當A取0.6時，劣化深度、完全劣化深度及劣化過渡層深度的計算結果均與試驗結果在數值和趨勢上有較好的一致性。因此，只需知道90 d劣化深度即可預測相應的長齡期劣化深度。

5 結 論

實施了水泥土室內劣化試驗，建立了水泥土的劣化深度、完全劣化深度和劣化過渡層深度與時間的冪函數關系式，主要得出以下結論：

(1) 水泥土初始強度對劣化水泥土貫入阻力曲線性狀無明顯影響；水泥土劣化深度、完全劣化深度和劣化過渡層深度隨水泥土初始強度增大而減小。

(2) 劣化深度-時間關系預測式(冪函數)中，系數分別為90 d劣化齡期的水泥土劣化深度、完全劣化深度和劣化過渡層深度，指數A取值與劣化類型、室內劣化試驗或現場劣化試驗無關，均可取0.6。