王升位，聞一江，洪項華，張笑彬

（1.揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127；2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127；3.揚州市公共交通集團有限責任公司，江蘇 揚州 225100）

目前，簡易填埋場滲瀝液滲漏和污染場地污染物運移污染地下環(huán)境等工程問題凸顯，垂直防污屏障具有很好的強度和防滲性，可以較好的控制污染物向周圍運移，被廣泛的應用于填埋場工程和污染場地管控工程［1-3］.垂直防污屏障類型有水泥-膨潤土墻、土-膨潤土墻、塑性混凝土墻和高密度聚乙烯（HDPE）土工膜-膨潤土復合墻等［4］.其中，塑性混凝土墻是由骨料、水泥、水和膨潤土組成，其具有彈性模量小、抗壓強度高、防滲性好和工程造價低等特點被廣泛應用于垂直防滲墻工程［5-6］.

塑性混凝土墻不僅要求具備較低的滲透性，而且要具有較高的強度，以保證其在外荷載作用下不破裂.目前，國內(nèi)外學者對塑性混凝土強度開展了相關研究，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部孔徑結構與強度密切相關［7-9］.同時，有學者發(fā)現(xiàn)隨著塑性混凝土孔徑的變化，孔隙溶液的pH值和電導率均會隨之改變［10-13］.考慮土體具有導電性，學者們常采用電導率表征土體基本性質參數(shù).Princigallo等［14］開展了電導率對混凝土強度影響研究，發(fā)現(xiàn)不同水膠比下混凝土電導率的倒數(shù)與其強度呈對數(shù)函數(shù)關系.Liu等［15］發(fā)現(xiàn)水泥土后期強度與電導率之間存在一定的關系，并在一定養(yǎng)護齡期和水膠比下提出了水泥土電導率的簡化公式.車東日等［16］開展了電導率和pH值對水泥混合上海黏土強度的影響研究，發(fā)現(xiàn)水泥土初期pH值在11.5左右，同時初期電導率在0.9 mS/cm左右時開始產(chǎn)生強度.當pH值大于11.8后強度開始迅速上升，上升幅度隨著養(yǎng)護齡期的增加而增大.通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)水泥土的強度不僅與電導率有關，而且與pH值存在一定關聯(lián)，但目前缺乏對pH值、電導率與塑性混凝土強度之間關系的相關分析和定量研究.

為了解決以上問題，本文以水泥、膨潤土、水和砂組成的塑性混凝土為研究對象，分別開展了不同水泥摻量和養(yǎng)護齡期條件下塑性混凝土無側限抗壓強度（以下簡稱強度）研究，進一步測定了相應水泥摻量和養(yǎng)護齡期下塑性混凝土的pH值和電導率，分析并建立了pH值和電導率與塑性混凝土強度的定量關系.

1 試驗

1.1 原材料及配合比

試驗材料選用42.5級普通硅酸鹽水泥、河北膨潤土（HB）、福建標準砂（FS）和水.其中，水中含鉛離子濃度約為0.013 mol/L.為了模擬垂直防污屏障在現(xiàn)場常遇到的砂性土地層，選用了商用的級配不良中砂即福建標準砂.砂土粒徑分布通過篩分法測得，膨潤土粒徑分布采用馬爾文激光粒度儀測得，結果見圖1.膨潤土基本物理性質指標按照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》進行測定，其相對密度為2.75，液限1）文中涉及的液限、塑限和水膠比等除特別說明外均為質量分數(shù)或質量比.、塑限分別為181%、53%，膨脹指數(shù)（體積分數(shù)）為128%，Zeta電位為－34.1 mV.關于塑性混凝土配合比的選取，考慮到4種原材料（水泥、膨潤土、水和砂）會導致配合比種類較多，因此采用對塑性混凝土強度影響最大的水泥摻量作為單一變量.因此，塑性混凝土配合比中水膠比mW/mB（凝膠材料為水泥和膨潤土）控制在0.9，砂含量為1 600 kg/m3，水泥摻量分別為160、180、200、220、240 kg/m3，對應5種配合比的塑性混凝土編號分別為C160、C180、C200、C220和C240.

圖1 砂和膨潤土的粒徑分布Fig.1 Particle size distributions of FS and HB

1.2 試驗方法

采用PY-300應變控制式無側限壓縮儀測定塑性混凝土的強度（f），其加載速率為3 mm/min.無側限壓縮儀中試樣模具為內(nèi)徑39.1 mm、高度80 mm的三瓣膜，將塑性混凝土混合均勻后放入三瓣膜中進行制樣（每組配合比下制備5個試件）.為保證試件密實均勻，將塑性混凝土分3次裝入，每次均進行充分振搗，制樣1 d后拆模，將脫模后的樣品放入恒溫養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護，溫度（20±2）℃，相對濕度不低于95%，養(yǎng)護齡期為3、7、14、28 d.

采用不銹鋼藥勺對剛制備的試件（齡期為0 d）和強度試驗結束后的試件（齡期為3、7、14、28 d）分別取樣15 g進行碾壓，取樣點為試件中心處，碾壓后的15 g樣品與75 g去離子水放入150 mL離心管中混合，震蕩20 min使其混合均勻，靜止后分別測定塑性混凝土的pH值和電導率（σ）.采用上海越平PHS-3CU型pH計測定pH值，采用雷磁DDS-307A電導率儀測定電導率.其中，pH值和電導率每隔5 min測量1次，直至測量數(shù)值穩(wěn)定，測定時的溫度均為室溫（25℃）.

2 結果與分析

2.1 配合比和齡期對塑性混凝土強度的影響

塑性混凝土的強度見圖2.由圖2可見：隨著養(yǎng)護齡期的延長，5種配合比下塑性混凝土強度均增大；在同一齡期下，隨著水泥摻量的增加，塑性混凝土強度逐漸增大；所有試件強度范圍在1～12 MPa，并且28 d強度均滿足工程強度要求（2～4 MPa）.這主要是由于不同配合比和齡期下塑性混凝土的水化產(chǎn)物和水化程度不同，水化程度隨齡期增加而增大，強度因此增大；同理，水泥摻量越大，相同齡期下水化產(chǎn)物越多，塑性混凝土強度越大.

圖2 塑性混凝土的強度Fig.2 Strength of plastic concrete

2.2 配合比和齡期對塑性混凝土pH值及電導率的影響

2.2.1 配合比和齡期對塑性混凝土pH值的影響

塑性混凝土的pH值測定結果見圖3.由圖3可見：塑性混凝土初期pH值基本集中在12.20附近，3 d時pH值集中在12.70附近；不同配合比塑性混凝土0～3 d的pH值均逐漸增大，3～28 d的pH值逐漸減??；隨著水泥摻量的增加，pH值逐漸增大；0～3 d時，隨著水泥摻量的增加，pH值增幅較?。?～28 d時，隨著水泥摻量的增加，pH值增幅較大.這主要是由于不同配合比和齡期下塑性混凝土的水化產(chǎn)物和水化程度不同，因此導致塑性混凝土pH值發(fā)生變化.

圖3 塑性混凝土的pH值Fig.3 pH value of plastic concrete

2.2.2 配合比和齡期對塑性混凝土電導率的影響

塑性混凝土電導率測定結果見圖4.由圖4可見：隨著水泥摻量的增加，塑性混凝土電導率逐漸增大，并且電導率增加速率逐漸減??；5種配合比下塑性混凝土的電導率均隨齡期增加而先增大后減小，0～3 d時電導率增加，3～28 d時電導率下降.對比圖3、4發(fā)現(xiàn)，pH值和電導率隨配合比、齡期的變化規(guī)律基本一致.

圖4 塑性混凝土的電導率Fig.4 EC of plastic concrete

2.2.3 影響機理分析

由圖3、4發(fā)現(xiàn)，隨著水泥摻量的增加，塑性混凝土pH值和電導率均增大.這一方面是由于水泥摻量的增加使得參加反應的硅酸鈣含量增多；另一方面是由于所有試樣水灰比相同，水泥摻量的增加也就意味著膨潤土摻量減少，膨潤土具有高度分散性，會在水泥顆粒周圍形成一層膨潤土薄膜，減緩水泥水化過程［17］.

水泥水化后的產(chǎn)物為氫氧化鈣（Ca（OH）2）、水化硅酸鈣（C-S-H凝膠）和水化鋁酸鈣（C-A-H）等，其穩(wěn)定存在的pH值分別為12.23、10.40、11.43.混凝土的孔 隙 水 為Ca（OH）2飽 和 溶 液，其pH值 為12.00～13.00，呈強堿性［18］.Ca（OH）2在水泥與水接觸時就會不斷生成，然而Ca（OH）2是微溶物，飽和濃度很低，因此前期處于飽和狀態(tài)，pH值在12.20左右.膨潤土的摻入使得其中的陽離子與水泥水化過程釋放的離子產(chǎn)生反應，生成NaOH（pH值為12.70）和Mg（OH）2（pH值為12.40，溶解度低）等物質.3 d時pH值可達12.70.隨著齡期的增加，水化反應和碳化反應不斷進行，造成塑性混凝土中Ca（OH）2以及其他離子不斷減少，使得pH值不斷降低，混凝土逐漸呈現(xiàn)中性.0～7 d在水化反應階段大量的Fe3+、Ca2+和Al3+會從水泥中釋放出來，電導率在此階段不斷上升.隨著水化反應的不斷進行，離子釋放的速率變緩或停止，此時形成C-S-H凝膠、水化硅鋁酸鈣（C-A-S-H）凝膠和Mg（OH）2等穩(wěn)定化合物的水化反應變成主導因素，導致電導率在7～28 d內(nèi)逐漸下降.同時，考慮水溶液中含有Pb2+，Pb2+的存在會對塑性混凝土pH值和電導率產(chǎn)生影響.Pb2+在水泥水化過程中會生成Pb（OH）2，從而對水化產(chǎn)物Ca（OH）2和C-S-H凝膠的生成產(chǎn)生抑制作用［19］.同時Pb2+會和CO2－3發(fā)生反應，生成不易降解的PbCO3，進一步影響碳化產(chǎn)物CaCO3的含量.

由于碳化反應的速度在相同條件下保持不變，因此，可以結合圖3、4以及水化反應速率將pH值和電導率分為4個階段：第1階段（0～3 d），水泥與水接觸后，發(fā)生溶解，礦物中的Ca2+、OH－、SO2－4不斷釋放到水溶液中，離子濃度上升，pH值和電導率增加；第2階段（3～7 d），這些離子被消耗形成鈣礬石、C-S-H凝膠、Ca（OH）2和Pb（OH）2等穩(wěn)定化合物，并且碳化反應不斷進行，Ca（OH）2和Pb（OH）2不斷被消耗，pH值和電導率不斷減??；第3階段（7～14 d）：隨著離子濃度的升高，C-S-H凝膠在混凝土表面形成一層保護膜，導致水化速率降低，離子析出速率減緩，pH值和電導率繼續(xù)減??；第4階段（14～28 d）：隨著水化反應的進一步進行，顆粒表面的保護膜破裂，水化速率加快，從而導致pH值和電導率進一步降低.

2.3 pH值、電導率與塑性混凝土強度的關系

2.3.1 pH值與強度的關系

圖5給出了各配合比和齡期下塑性混凝土pH值與強度的關系.由圖5可見，不同配合比的塑性混凝土，在相同齡期時，隨著pH值的增加，其強度不斷增加.各試件pH值與強度的關系，大致可以分為3段：（1）3、7 d對應pH值為12.35～12.80，該階段強度隨pH值 增 加 而 增 加；（2）14 d對 應pH值 為12.20～12.35，該階段強度隨pH值增加其增長速率逐漸減緩；（3）28 d對應pH值為11.60～12.20，該階段強度隨pH值增加而線性增加.考慮水泥摻量不同，會導致相同齡期下水化產(chǎn)物含量不同，因此pH值有所差異.整體表現(xiàn)為相同齡期下塑性混凝土pH值越大，該階段水化產(chǎn)物含量越多，強度越大.另外，不同齡期下水化產(chǎn)物種類不同，導致其pH值有所差異.

圖5 塑性混凝土pH值與強度的關系Fig.5 Relationship between pH value and strength of plastic concrete

2.3.2 電導率與強度的關系

圖6給出了各配合比和養(yǎng)護齡期下塑性混凝土電導率與強度的關系.由圖6可見：塑性混凝土電導率與強度之間的關系并不能用單一公式進行表達，在pH值的3個階段，電導率與強度之間分別呈現(xiàn)不同的數(shù)學表達式，每個階段塑性混凝土強度均隨著電導率的增加而增大.由于塑性混凝土電導率主要來源是水化反應過程中離子的釋放，對于不同配合比和齡期的試件，水化程度和水化產(chǎn)物均有差異，因此，在pH值的3個階段下電導率與強度均呈現(xiàn)較好的冪函數(shù)關系.

圖6 塑性混凝土電導率與強度的關系Fig.6 Relationship between electrical conductivity and strength of plastic concrete

在pH值為12.35～12.80時（3～7 d），塑性混凝土主要剩余水化產(chǎn)物為鈣礬石、C-S-H凝膠、Pb（OH）2和Ca（OH）2，電導率σ與強度f的關系為：

在pH值為12.20～12.35時（7～14 d），塑性混凝土主要剩余水化產(chǎn)物為C-S-H凝膠、Pb（OH）2和Ca（OH）2，電導率與強度的關系為：

在pH值為11.6～12.2時（14～28 d），塑性混凝土主要剩余水化產(chǎn)物為C-S-H凝膠，電導率與強度的關系為：

綜上可以發(fā)現(xiàn)，前人采用單一指標pH值或導電性來描述塑性混凝土強度會導致一定的誤差，pH值和電導率可以綜合反映塑性混凝土產(chǎn)物種類和水化反應程度，因此采用pH值和電導率來綜合描述塑性混凝土強度是合理的，在不同pH值范圍內(nèi)，塑性混凝土強度和電導率之間存在很好的冪函數(shù)關系.

3 結論

（1）塑性混凝土強度隨著水泥摻量和養(yǎng)護齡期的增加而增大；pH值和電導率隨著水泥摻量的增加而增大，隨著養(yǎng)護齡期的增加而先增大后減小.

（2）不同養(yǎng)護齡期和配合比下，塑性混凝土水化反應程度和水化產(chǎn)物不同，導致pH值和電導率不斷變化，進而影響塑性混凝土強度.

（3）pH值和電導率可以綜合反映塑性混凝土水化產(chǎn)物種類和水化反應程度，pH值呈現(xiàn)3個階段：11.60～12.20、12.20～12.35、12.35～12.80，每個階段下塑性混凝土電導率與強度均呈現(xiàn)很好的冪函數(shù)關系.