張 丹， 吳振威， 宋苗苗， 徐桂中， 邱成春， 曹裕翔

(鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

水泥作為最常用的固化劑，自上世紀(jì)80年代引入我國后，在軟土地基處理、基坑圍護(hù)等工程中得到廣泛的應(yīng)用。如連-鹽高速公路軟土地基處理[1]，港珠澳大橋連接線拱北隧道基底加固[2]。由于第四紀(jì)海侵、海水入侵等運(yùn)動影響，沿海地區(qū)地下水鹽分濃度普遍較高[3]。故當(dāng)工程結(jié)構(gòu)位于沿海地區(qū)時，不可避免地將遭受鹽分侵蝕作用。因此，探究鹽分對水泥固化土力學(xué)特性的影響，具有十分重要的工程意義。

學(xué)者們通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥固化材料處于鹽分侵蝕環(huán)境時，容易出現(xiàn)強(qiáng)度衰減、壓縮-滲透性增大等劣化現(xiàn)象[4,5]。大量的工程實(shí)踐也表明，在地下水鹽分濃度較高的地區(qū)，水泥加固材料會很快被腐蝕，在外界荷載作用下容易產(chǎn)生過大不均勻沉降、長期穩(wěn)定性降低等工程問題[6,7]。王忠嘯等[8]對我國黃河三角洲地區(qū)高速公路進(jìn)行調(diào)查，指出海水侵蝕引起水泥土力學(xué)性狀劣化，是產(chǎn)生大量車轍、裂縫、沉陷等道路病害的主要原因。顯而易見，沿海地區(qū)鹽分侵蝕將引起水泥固化疏浚泥力學(xué)性狀劣化，容易導(dǎo)致各種工程災(zāi)變的發(fā)生，影響實(shí)際工程的長期安全運(yùn)營。李丹丹[9]對氯鹽侵蝕下固化土的工程特性做了研究，研究表明固化土強(qiáng)度隨著氯離子濃度的升高而降低；王子帥[10]、傅小茜[11]等研究了硫酸鹽侵蝕下水泥土的力學(xué)特性，并指出侵蝕作用與水泥的摻入比、侵蝕齡期等因素有關(guān)；史可健[12]通過對硫酸鹽和氯鹽共同侵蝕下固化土的力學(xué)特性研究，發(fā)現(xiàn)氯離子的存在不僅可以降低硫酸鹽的侵蝕速度，一定程度上還可以提高固化土的抗壓強(qiáng)度，減輕固化土的劣化程度；萬志輝等[13]等指出海水侵蝕下，水泥土強(qiáng)度同時存在增長和侵蝕破壞兩種作用；寧寶寬[14]對不同侵蝕條件下水泥土力學(xué)性能的演化進(jìn)行了探討,并且分析、建立其相應(yīng)損傷本構(gòu)模型；然而，大部分學(xué)者的研究只是針對一種鹽分，少數(shù)學(xué)者做了兩種鹽分耦合的研究；對固化土在實(shí)際海水環(huán)境中劣化研究相對來說更少。

基于此，本文在試驗(yàn)室內(nèi)不僅模擬了單一鹽分侵蝕環(huán)境，還模擬了實(shí)際海水環(huán)境；通過無側(cè)限試驗(yàn)研究了不同侵蝕環(huán)境下固化土的力學(xué)性能變化規(guī)律，以期為我國實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)簡介

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自鹽城市阜寧縣，為了保證試驗(yàn)土樣的均勻一致性，試驗(yàn)開始前將現(xiàn)場取回的淤泥土樣進(jìn)行晾干、粉碎、過篩，去除試驗(yàn)淤泥土樣中如樹枝、枯葉、石子等雜質(zhì)，處理過后加入純水在100 L密封桶內(nèi)配置成一定含水率的淤泥泥漿，攪拌均勻備用。根據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測定試驗(yàn)用土液塑限、顆粒級配、比重等，結(jié)果如表1和圖1所示。試驗(yàn)所用阜寧淤泥在塑性圖上的位置如圖2所示，根據(jù)規(guī)范GB/T 50145—2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》可知，試驗(yàn)所用土樣為高液限黏土。試驗(yàn)用土的黏土礦物成分組成委托中國科學(xué)院南京土壤研究所進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖1 土樣級配曲線

圖2 土樣塑性圖

表1 土樣的基本物理性質(zhì)

表2 土樣的礦物成分

試驗(yàn)所用水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，出廠前由專門機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)檢測，28 d的抗折和抗壓強(qiáng)度分別為9.2，50.3 MPa，其他各項(xiàng)指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范GB 175—2020要求。

試驗(yàn)中模擬侵蝕環(huán)境配制溶液所用的氯化鈉(NaCl)，由天津市北辰方正試劑廠生產(chǎn)，純度為分析純，其中氯化鈉(NaCl)含量大于99.5%；

試驗(yàn)中模擬侵蝕環(huán)境配制溶液所用的硫酸鈉(Na2SO4)，由天津市登峰化學(xué)試劑廠生產(chǎn)，純度為分析純，其中氯化鈉(Na2SO4)含量大于99%；試驗(yàn)中模擬侵蝕環(huán)境配制溶液所用的海鹽，來自山東青島東風(fēng)鹽場，為天然海水曬制而成，主要成分為氯化鈉(NaCl)，還含有少量的氯化鎂、硫酸鈣等礦物成分，具體數(shù)值如表3所示。

表3 海鹽化學(xué)成分

1.2 試樣制備

為了避免原土樣中鹽分對試驗(yàn)結(jié)果的影響，制備試樣前先對土樣進(jìn)行洗鹽處理，然后統(tǒng)一配置成含水率為99%泥漿備用，固化土試樣的水泥的摻量為50 kg/m3。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的模具選用高度80 mm，直徑40 mm的亞克力圓筒。制樣前，先用凡士林均勻涂抹模具圓筒內(nèi)壁及模具蓋子內(nèi)邊緣，然后分三次填入攪拌均勻的固化土樣，每次填入土樣后，振動密實(shí)，最后將表面刮平。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每組制作三個平行試樣。一批試樣制備完成后，立即放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24小時，脫模后放入相應(yīng)配制好的溶液中，繼續(xù)浸泡至相應(yīng)齡期，取出做單軸無側(cè)限抗壓試驗(yàn)。

1.3 試樣環(huán)境模擬

本次試驗(yàn)采用4種溶液浸泡試樣：分別為清水浸泡、海鹽浸泡、氯化鈉浸泡、硫酸鈉浸泡，其中，海鹽、氯化鈉、硫酸鈉的濃度分別為30，50 g/L。清水采用蒸餾水，海鹽、氯化鈉、硫酸鈉溶液14 d內(nèi)，每天更換一次；15～30 d，每7 d更換一次；30 d后，每1個月更換一次。

1.4 試驗(yàn)方案

無側(cè)限試驗(yàn)所用儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的YYW-2型應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力試驗(yàn)儀，無側(cè)限強(qiáng)度值取三個平行樣的平均值；試驗(yàn)方案如表4所示。

表4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 外觀變化

圖3所示為試樣表觀隨浸泡齡期變化圖，從圖中可以看出浸泡時間3 d時，在濃度為50 g/L硫酸鈉溶液中，試樣表面已經(jīng)出現(xiàn)細(xì)微的裂縫，其他濃度溶液浸泡的試樣完整性較好。浸泡時間7 d時，30,50 g/L硫酸鈉溶液中，試樣表面均出現(xiàn)裂縫，而且50 g/L硫酸鈉溶液中，試樣表面已經(jīng)出現(xiàn)貫穿整個試樣高度的細(xì)長裂縫；其他溶液浸泡的試樣表面無變化。浸泡時間28 d時，除了清水和30 g/L氯化鈉溶液中的試樣，其他溶液浸泡的試樣表面均能直觀看到不同程度的鹽分侵蝕現(xiàn)象；浸泡時間90 d時，除了清水中的試樣完整性較好，其他溶液浸泡的試樣表面均有明顯的鹽分侵蝕現(xiàn)象，而且硫酸鈉溶液浸泡的試樣鹽分侵蝕更嚴(yán)重。

圖3 試樣外觀隨浸泡時間變化

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖4a,4b,4c所示為試樣在同一種鹽分不同濃度下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨浸泡齡期變化圖，從圖4a,4b,4c 3幅圖分析可知：(1)在浸泡溶液為清水的環(huán)境下試樣的強(qiáng)度隨著齡期的增加而增加，前期水泥水化反應(yīng)迅速，生成的水化產(chǎn)物多，強(qiáng)度提升較快，中后期水泥水化反應(yīng)趨于穩(wěn)定，強(qiáng)度增長緩慢，具體表現(xiàn)在3 d強(qiáng)度只有69 kPa，28 d達(dá)到127.9 kPa，90 d略微升高達(dá)到129 kPa。

(2)在三種侵蝕環(huán)境下，試樣強(qiáng)度均隨著鹽分濃度的升高而降低。在30，50 g/L的氯化鈉溶液中，試樣浸泡28d的強(qiáng)度分別為65.81，50.98 kPa，相對于在清水中浸泡的試樣強(qiáng)度分別降低了48.5%，60.1%；在30，50 g/L的硫酸鈉溶液中，試樣浸泡28d的強(qiáng)度分別為38.56，28.31 kPa，相對于在清水中浸泡的試樣強(qiáng)度分別降低了69.8%，77.9%；在30，50 g/L的海鹽溶液中，試樣28 d的強(qiáng)度分別為49.73，31.45 kPa，相對于在清水中浸泡的試樣強(qiáng)度分別降低了61.1%，75.4%，其他浸泡齡期，相對于清水中浸泡的試樣強(qiáng)度，侵蝕環(huán)境中浸泡的試樣強(qiáng)度均有不同程度的降低。

(3)侵蝕環(huán)境中浸泡試樣強(qiáng)度先隨浸泡時間的增加而增加，再隨著浸泡時間的增加減小。需特別指出的是在50 g/L的硫酸鈉溶液和海鹽溶液中，浸泡試樣3 d強(qiáng)度分別為40.64，44.16 kPa，浸泡7 d后，試樣的強(qiáng)度分別為36.94，42.17 kPa，相對于其3 d的強(qiáng)度分別降低了9.1%和4.5%。

圖4d，4e所示為試樣在不同鹽分相同濃度下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨浸泡齡期變化圖。從4d，4e兩幅圖分析可知：同一濃度、浸泡齡期下，硫酸鈉溶液浸泡下試樣強(qiáng)度值最低；氯化鈉溶液浸泡下試樣的強(qiáng)度值最高；海鹽溶液浸泡下試樣強(qiáng)度值居于前兩者之間；以28 d 浸泡齡期，30，50 g/L硫酸鈉溶液浸泡下試樣強(qiáng)度38.56，28.31 kPa為基準(zhǔn)，30，50 g/L海鹽溶液浸泡下試樣強(qiáng)度分別提高了28.9%，11.1%，30，50 g/L氯化鈉溶液浸泡下試樣強(qiáng)度分別提高了70.6%，80.1%。表明硫酸鈉溶液浸泡對本文的固化土試樣侵蝕作用最強(qiáng)。

圖4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨浸泡齡期的變化

圖5所示為試樣浸泡28 d典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖6為試樣典型破壞模式。從圖5可以看出固化土典型的單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特征，大致可以分為三個階段[15]：第一階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線為直線段，顆粒未破損，變形在彈性范圍；第二階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為非線性上升段，固化土逐漸損傷，曲線斜率開始減小，顆粒發(fā)生破損，顆粒變形不會恢復(fù)，表現(xiàn)為塑性變形，試樣表面出現(xiàn)微裂紋；第三階段階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為非線性下降段，固化土試樣裂縫不斷延伸發(fā)展逐漸貫通(如圖6所示)。

圖5 試樣典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線(28 d)

從圖6可以看出：浸泡時間28 d時，清水、氯化鈉和海鹽溶液中試樣破壞模式為剪切破壞，硫酸鈉溶液中的試樣為張裂破壞，原因是硫酸鈉溶液對固化土侵蝕最嚴(yán)重，浸泡3 d時，試樣表觀已經(jīng)開始出現(xiàn)細(xì)長的裂縫，中期由于試樣表觀裂縫及內(nèi)部缺陷存在，使得試樣在發(fā)生剪切破壞之前發(fā)生了張裂破壞[16]；浸泡時間90 d時，清水溶液中試樣破壞模式為剪切破壞，氯化鈉、硫酸鈉和海鹽溶液中的試樣為張裂破壞，原因是在鹽分長期的侵蝕下，固化土表觀和內(nèi)部均產(chǎn)生了不同程度的破壞，導(dǎo)致了張裂破壞發(fā)生在剪切破壞之前，而清水溶液中試樣浸泡到90 d，試樣表觀也無明顯變化，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍在緩慢增長。

圖6 試樣典型破壞模式

3 機(jī)理分析

(1)水泥土強(qiáng)度提升的主要原因是水泥熟料礦物水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H和C-A-H等水化產(chǎn)物之間相互搭接形成骨架[17,18]，并且膠結(jié)土顆粒形成整體。28 d時，水泥水化反應(yīng)在已經(jīng)達(dá)到60%以上；90 d時，水泥水化反應(yīng)已經(jīng)完成90%以上[19]，因此在清水環(huán)境中浸泡試樣的強(qiáng)度在前期快速增長，28 d后強(qiáng)度增長速度變緩。

(2)在氯化鈉溶液中浸泡的試樣，在前期強(qiáng)度先隨浸泡齡期增長的原因是Cl-含量較低，對固化土的侵蝕速度要弱于水泥水化反應(yīng)的速度；中、后期水浸泡齡期降低的主要原因：當(dāng)溶液中的Cl-濃度較高時，CaO·Al2O3,CaCl2,C-A-H反應(yīng)生成F′s鹽(反應(yīng)式如式(1)所示)，F(xiàn)′s鹽膠結(jié)強(qiáng)度比水泥水化產(chǎn)物低，并且會阻止黏土礦物的水化，降低水化產(chǎn)物的產(chǎn)生[9]。因此，在氯化鈉溶液中浸泡的試樣強(qiáng)度會低于在清水中浸泡的試樣強(qiáng)度。

Ca(OH)2+2NaCl?CaCl2+2NaOH

3CaO·Al2O3·6H2O+CaCl2+25H2O→

3CaO·Al2O3·CaCl2·31H2O(F′s鹽)

(1)

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

(2)

(5)海鹽中最主要的成分是氯化鈉，還含有少量的硫酸鹽。海鹽溶液中浸泡的試樣，強(qiáng)度出現(xiàn)降低的主要原因是前兩者共同的作用的結(jié)果，在此不重復(fù)贅述。

4 結(jié) 論

(1)在清水和30 g/L氯化鈉、海鹽液中浸泡的試樣，90 d試樣表面基本無侵蝕現(xiàn)象；在50 g/L硫酸鈉溶液中，3 d時試樣表面已經(jīng)出現(xiàn)裂縫；在30 g/L硫酸鈉溶液中，7 d試樣表面均出現(xiàn)裂縫；除了清水和30 g/L氯化鈉、海鹽液中浸泡的試樣，90 d其他試樣表面均有明顯侵蝕現(xiàn)象。

(2)浸泡時間28 d時，清水、氯化鈉和海鹽溶液中試樣破壞模式為剪切破壞，硫酸鈉溶液中的試樣為張裂破壞；浸泡時間90 d時，清水溶液中試樣破壞模式為剪切破壞，氯化鈉、硫酸鈉和海鹽溶液中的試樣為張裂破壞。

(3)同一濃度、浸泡齡期下，硫酸鈉溶液對固化土的侵蝕作用更強(qiáng)，海鹽溶液次之，氯化鈉溶液侵蝕作用最弱；但是，無論哪種溶液侵蝕，固化土的強(qiáng)度均出現(xiàn)大幅降低。

(4)固化土28 d典型的單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特征，海鹽溶液中浸泡試樣的峰值強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變要小于硫酸鈉溶液中浸泡試樣峰值強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變。