付大慶，曹連朋，陳汝振，卜令全，郝曉迅，毛樹亭

(1.山東恒源勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，山東 濰坊 261205；2.濰坊市水利建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濰坊 261205)

由于水泥土具有施工簡(jiǎn)單、材料來源廣泛、設(shè)計(jì)靈活、造價(jià)低廉等優(yōu)勢(shì)，在道路、機(jī)場(chǎng)、港口等軟土地基處理、基坑支護(hù)以及水庫、攔河閘壩、堤防、渠道防滲等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-6]。水泥土的工程性能受水泥摻入量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、水泥強(qiáng)度等級(jí)、土體含水率、土質(zhì)、有機(jī)質(zhì)含量及水泥外摻劑等眾多因素的影響，加之各因素相互影響導(dǎo)致了水泥土工程特性的復(fù)雜性和不確定性，眾多學(xué)者對(duì)水泥土的力學(xué)性質(zhì)及增長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行了深入研究。許淼[7]采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的方法，研究了水泥摻量、含水率、養(yǎng)護(hù)時(shí)間和養(yǎng)護(hù)方式對(duì)水泥土強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響。高鵬飛等[8]通過試驗(yàn)對(duì)水泥配比及土樣含水率對(duì)不同土質(zhì)水泥土的強(qiáng)度及變形規(guī)律進(jìn)行了研究，指出隨著水泥配比的增加，不同土質(zhì)水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)率有明顯不同，并擬合出了28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間水泥土變形模量估算公式。董猛榮等[9]對(duì)海相軟土場(chǎng)地水泥土劣化機(jī)理進(jìn)行了研究，從腐蝕離子干預(yù)水化反應(yīng)進(jìn)程和分解水化產(chǎn)物2個(gè)過程揭示了海相軟土場(chǎng)地水泥土劣化機(jī)理。鄭美如[10]對(duì)堿渣作為穩(wěn)定材料的水泥土強(qiáng)度進(jìn)行了分析，指出利用堿渣和水泥及礦渣配合開發(fā)適應(yīng)淤泥土的固化劑，可以達(dá)到利用廢棄資源，提高水泥土強(qiáng)度，降低工程投資的效果。耿興華[11]研究了造紙廠污水對(duì)水泥土性能的影響，指出水泥土強(qiáng)度和電阻率都隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大，隨著造紙廠污水溶液濃度的增加而減小。

堿渣是氨堿法生產(chǎn)純堿過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，具有高堿性、高含水率和高氯離子含量特點(diǎn)，目前堿渣處理方式主要是堆填[12]，其次是制成建筑材料。就地堆填對(duì)地基土及地下水均產(chǎn)生一定的污染，堿渣污染水泥土的工程特性尚無研究先例。位于渤海萊州灣南岸濱海平原地帶的萊州灣鹽場(chǎng)是我國(guó)四大鹽場(chǎng)之一，分布著山東?；瘓F(tuán)有限公司、山東海天生物化工有限公司等以海鹽為原料的大型、特大型鹽化工企業(yè)，產(chǎn)生的堿渣就近堆放，形成了數(shù)座堿渣庫(池)，存在重大安全隱患。本文以山東?；煞萦邢薰炯儔A廠堿渣場(chǎng)新1#池、新2#池和南堿渣庫防滲墻加固項(xiàng)目為例，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)對(duì)水泥土防滲墻處理深度范圍內(nèi)堿渣污染的三類土與水泥按一定比例攪拌后制成的水泥土試塊進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與滲透性試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

擬加固堿渣庫周邊地層自上而下分別為粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土三類土，相應(yīng)厚度分別2、10、4m，均為海相沉積物，原狀土樣分別取自孔1、孔2與孔3的3個(gè)鉆孔，每孔每層土物理性質(zhì)試驗(yàn)組數(shù)3組，總計(jì)試驗(yàn)組數(shù)27組。試驗(yàn)用土顆粒分析、物理性質(zhì)見表1，離子含量試驗(yàn)結(jié)果見表2。試驗(yàn)拌合用水、養(yǎng)護(hù)用水與水質(zhì)分析用水通過在場(chǎng)地鉆孔旁開挖探坑滲水取得。試驗(yàn)用水水質(zhì)分析成果見表3。

表1 試驗(yàn)用土顆粒組成百分比與物理性質(zhì)

表2 試驗(yàn)用土土質(zhì)分析及pH值

表3 試驗(yàn)用水水質(zhì)分析及礦化度

固化劑采用濰坊山水水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 32.5普通硅酸鹽水泥，外摻劑采用濟(jì)南德利泰建材科技有限公司生產(chǎn)的DLT-A2混凝土抗裂防滲引氣劑。

1.2 試驗(yàn)方案

水泥摻入量12.0%，水灰比0.5，外摻劑摻入量為水泥的8.3‰，制作水泥土試塊。每孔每層土料與水泥、外摻劑各制作3個(gè)試塊分別進(jìn)行7d、14d與28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，共計(jì)試塊81件；每孔每層土料與水泥、外摻劑各制作3個(gè)試塊，分別進(jìn)行7d、14d與28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透試驗(yàn)，共計(jì)試塊81件；合計(jì)試塊162件。

原狀土物理性質(zhì)試驗(yàn)后的土料與鉆孔所取剩余原狀土經(jīng)充分碾碎，清除雜質(zhì)后與P·O32.5普通硅酸鹽水泥、DLT-A2混凝土抗裂防滲引氣劑，放入行星式攪拌機(jī)經(jīng)充分?jǐn)嚢?，再逐次加水?dāng)嚢璨簧儆?0min，然后裝入70.7mm×70.7mm×70.7mm的內(nèi)表面涂脫模劑的試模內(nèi)，經(jīng)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)及振搗棒振搗至少20次至試模的一半高度，緊接再次填入試料再振搗至少20次，最后將高出試模上沿口多余的拌合物刮除，抹平后蓋上塑料薄膜，防止水分蒸發(fā)?？箟簭?qiáng)度試塊成型后48h拆模，脫了模的試塊用天平稱重后與未拆模的滲透試驗(yàn)試塊放入養(yǎng)護(hù)室，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件(溫度20±1℃，濕度≥95%)下分別進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的養(yǎng)護(hù)，2d更換1次養(yǎng)護(hù)用水?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)試塊尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方體，滲透試驗(yàn)試塊尺寸為上口直徑70mm，下口直徑80mm，高度40mm的圓臺(tái)體。

2 試驗(yàn)成果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果分析

對(duì)不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的水泥土試塊進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，三類水泥土試塊不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果見表4。

表4 堿渣污染水泥土不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由表4及圖1可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，堿渣污染粉土水泥土7～14d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，14～28d強(qiáng)度增長(zhǎng)逐漸減緩。7d～14d～28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，孔1和孔3相關(guān)系數(shù)R2分別為0.999與0.933，孔2相關(guān)系數(shù)R2為0.873，相關(guān)性相對(duì)較差，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈良好的函數(shù)關(guān)系。分析各孔粉土水泥土相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可得出，7、14、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度離散性相對(duì)較大，孔1比孔3在7、14、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高一倍以上。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比例關(guān)系fcu，7∶fcu，14∶fcu，28=0.500∶0.778∶1.000。

圖1 堿渣污染水泥土養(yǎng)護(hù)時(shí)間-無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線

隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，堿渣污染粉砂水泥土7～14d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，14～28d強(qiáng)度增長(zhǎng)逐漸減緩，7d～14d～28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，3孔相關(guān)系數(shù)R2分別為0.992、0.998、0.972，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈很好的函數(shù)關(guān)系。分析各孔粉砂水泥土相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可得出，7、14、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉砂水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度離散性較大，孔1和孔2相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相近，與孔3相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的抗壓強(qiáng)度相差較大。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉砂水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比例關(guān)系fcu，7∶fcu，14∶fcu，28=0.655∶0.836∶1.000。

隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，堿渣污染粉質(zhì)黏土水泥土7～14d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，14～28d強(qiáng)度增長(zhǎng)逐漸減緩。7d～14d～28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈很好的冪函數(shù)關(guān)系，3孔相關(guān)系數(shù)R2分別為0.975、0.971、0.994，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈很好的函數(shù)關(guān)系。分析各孔粉質(zhì)黏土水泥土相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可得出，7、14、28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉質(zhì)黏土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度離散性較大，各孔相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無側(cè)側(cè)抗壓強(qiáng)度相差較大。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉質(zhì)黏土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比例關(guān)系fcu，7∶fcu，14∶fcu，28=0.534∶0.740∶1.000。

28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉土水泥土、粉砂水泥土、粉質(zhì)黏土水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比例關(guān)系為

fcu，28，粉土水泥土∶fcu，28，粉砂水泥土∶fcu，28，粉質(zhì)黏土水泥土

=1.000∶0.764∶0.910

粉質(zhì)黏土水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是粉土水泥土的91%，粉砂水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別是粉質(zhì)黏土水泥土的84.0%與粉土水泥土的76.4%，粉土水泥土與粉質(zhì)黏土水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于粉砂水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要原因是：粉土與粉質(zhì)黏土的主要粒組是粉粒，顆粒細(xì)小，而粉砂的主要粒組是粉砂粒，顆粒相對(duì)于粉粒較粗，由于水泥的摻量只有12%，水泥水解和水化反應(yīng)完全是在有一定活性的介質(zhì)的圍繞下進(jìn)行。

普通硅酸鹽水泥主要由氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵、三氧化硫等氧化物分別組成了硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣、硫酸鈣等水泥礦物。水泥與土充分?jǐn)嚢枳龀稍噳K置于水中養(yǎng)護(hù)后，水泥顆粒表面的礦物很快與土中的吸著水與薄膜水發(fā)生分解和水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣及水化鐵鋁酸鈣等水合物。當(dāng)水泥中的各種水化物生成后，有的自身繼續(xù)硬化；有的則與其周圍具有一定活性的粉土顆粒、黏土顆粒發(fā)生離子交換和團(tuán)?；饔茫嗨傻哪z粒子的比表面積比水泥顆粒大數(shù)百倍甚至千倍，有很強(qiáng)的吸附活性，使得較大的土顆粒團(tuán)粒進(jìn)一步相互結(jié)合，形成水泥土的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，并封閉土團(tuán)之間的孔隙，形成堅(jiān)固的連結(jié)[13]，從而使粉土水泥土與粉質(zhì)黏土水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于粉砂水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2.2 滲透試驗(yàn)成果分析

滲透試驗(yàn)組數(shù)及養(yǎng)護(hù)時(shí)間同無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)前將達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)間的試塊飽水48h，采用砂漿抗?jié)B儀進(jìn)行滲透試驗(yàn)，根據(jù)達(dá)西定律，三類水泥土試塊不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透試驗(yàn)成果見表5。

由表5及圖2可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，堿渣污染粉土水泥土滲透系數(shù)均呈10-7cm/s數(shù)量級(jí)，7～14d滲透曲線降低明顯，14～28d滲透曲線降低減緩，7d～14～28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，3孔相關(guān)系數(shù)R2分別為0.998、0.983、0.997，滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈很好的函數(shù)關(guān)系。分析各孔相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間滲透系數(shù)可知，各孔相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透系數(shù)相差較小，差值最大2.8×10-8cm/s。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉土水泥土滲透系數(shù)比例關(guān)系k7∶k14∶k28=1.133∶1.068∶1.000。

圖2 堿渣污染水泥土養(yǎng)護(hù)時(shí)間-滲透系數(shù)曲線

表5 堿渣污染水泥土不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透系數(shù)

隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，堿渣污染粉砂水泥土滲透系數(shù)均呈10-7cm/s數(shù)量級(jí)，7～14d滲透曲線降低明顯，14～28d滲透曲線降低減緩，7d～14d～28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，3孔相關(guān)系數(shù)R2分別為0.952、0.991、0.957，滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈良好的函數(shù)關(guān)系。分析各孔相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間滲透系數(shù)可知，各孔相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透系數(shù)相差較小，差值最大1.04×10-7cm/s。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉砂水泥土滲透系數(shù)比例關(guān)系k7∶k14∶k28=1.101∶1.055∶1.000。

隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，堿渣污染粉質(zhì)黏土水泥土滲透系數(shù)均呈10-7cm/s數(shù)量級(jí)，7d～14d滲透曲線降低非常明顯，14～28d滲透曲線降低極度減緩，7d～14d～28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間大致呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，3孔相關(guān)系數(shù)R2分別為0.952、0.991、0.957，滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈良好的函數(shù)關(guān)系。分析各孔相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透系數(shù)可知，各孔相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間滲透系數(shù)相差較小，差值最大1.49×10-7cm/s。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉質(zhì)黏土水泥土滲透系數(shù)比例關(guān)系k7∶k14∶k28=1.164∶1.053∶1.000。

28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的粉土水泥土、粉砂水泥土、粉質(zhì)黏土水泥土的滲透系數(shù)比例關(guān)系為

k28，粉土水泥土∶k28，粉砂水泥土∶k28，粉質(zhì)黏土水泥土

=1.000∶2.409∶1.989

粉土水泥土的滲透系數(shù)最小，粉砂水泥土滲透系數(shù)是粉土水泥土滲透性的2.409倍，粉質(zhì)黏土水泥土滲透系數(shù)是粉土水泥土滲透性的1.989倍，粉砂水泥土的滲透系數(shù)是粉質(zhì)黏土水泥土滲透性的1.211倍。

一般情況下，粉土、粉砂與粉質(zhì)黏土三種土中，粉質(zhì)黏土的滲透性最小，粉砂的滲透性最大，粉土滲透性介于二者之間。陶高粱等[14]認(rèn)為土體孔隙通道由不同數(shù)量級(jí)尺度的孔隙組成，孔隙通道尺度越小，相應(yīng)滲透系數(shù)越小，滲透系數(shù)與孔隙通道尺度的平方成正比。普通硅酸鹽水泥中硫酸鈣含量極低，堿渣除含有大量的氯離子外，還含有一定數(shù)量的鈣離子、硫酸根離子，受堿渣污染后，粉土水泥土相較于粉砂水泥土與粉質(zhì)黏土水泥土，含有更多的鈣離子、硫酸根離子，它和鋁酸三鈣與水發(fā)生反應(yīng)

3CaSO4+3CaO·Al2O3+32H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

該反應(yīng)能把大量的自由水以結(jié)晶水的形式固定下來，同時(shí)，水泥水化產(chǎn)物中游離的氫氧化鈣與水中二氧化碳及堿渣中的碳酸根離子、重碳酸根離子發(fā)生碳酸化反應(yīng)，生成不溶于水的碳酸鈣，使粉土水泥土試塊中的孔隙通道數(shù)量及尺度低于粉砂水泥土與粉質(zhì)黏土水泥土試塊中的數(shù)量及尺度，從而使粉土水泥土的滲透性低于粉砂水泥土與粉質(zhì)黏土水泥土。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)堿渣污染的粉土水泥土、粉砂水泥土與粉質(zhì)黏土水泥土三類土進(jìn)行研究，得到結(jié)論如下：

(1)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大，7～14d強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，14～28d強(qiáng)度增長(zhǎng)逐漸減緩，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的三者比例關(guān)系1.000∶0.764∶0.910。

(2)7～14d滲透性降低明顯，14～28d滲透性降低減緩，滲透性與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，28d養(yǎng)護(hù)時(shí)間的滲透系數(shù)均呈10-7cm/s數(shù)量級(jí)，三者比例關(guān)系1.000∶2.409∶1.989。

本次水泥摻量單一，在后序的研究中可用多種摻量與不同種類的水泥，采用X射線衍射(XRD)試驗(yàn)、掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)、能譜(EDS)分析等多種試驗(yàn)方法研究水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與滲透性變化規(guī)律。