范澤忠

（福建省萬聯(lián)混凝土有限公司，福建 南平 353000）

0 引言

近些年，由于水泥土具有可就地取材、抗?jié)B性能良好、一定的力學(xué)強(qiáng)度以及耐久性，使得水泥土在道路工程、水利工程以及建筑工程等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者針對水泥土的力學(xué)性能的研究也越來越多，分別從水泥摻量［1］、齡期［2-3］、含水率［4-5］、土質(zhì)［6-7］等因素來進(jìn)行研究，然而沿海工程建設(shè)中水泥土常常面臨著海水侵蝕環(huán)境的影響，因此海水侵蝕環(huán)境下水泥土的力學(xué)性能受到人們的廣泛關(guān)注。侵蝕環(huán)境下水泥土的力學(xué)性能會發(fā)生劣化，國內(nèi)外學(xué)者對其在侵蝕環(huán)境下的力學(xué)性能展開研究。Xing等［8］通過開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和掃描電鏡等微觀試驗，研究了軟土中Cl-、Mg2+、SO42-與水化反應(yīng)產(chǎn)物之間的反應(yīng)，結(jié)果表明：當(dāng)Mg2+，Cl-和SO42-共存與水泥土中時，它們抑制水泥水化產(chǎn)物的形成，降低這些水化產(chǎn)物的膠凝性能并破壞水泥土的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致強(qiáng)度降低；劉泉聲等［9］通過配制多種不同濃度的單組分的化學(xué)溶液來模擬海水侵蝕環(huán)境，將制備的水泥土試塊置于侵蝕溶液中進(jìn)行浸泡，得出相同濃度下，MgCl2溶液對水泥土的強(qiáng)度影響更大；Xing等［10］將水泥土浸泡在不同離子的侵蝕溶液中，研究各個離子對水泥土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)SO42-主要作用于水泥水化反應(yīng)的前期，Mg2+主要作用于水泥水化反應(yīng)的后期，Cl-則參與了水泥水化反應(yīng)的全部過程；Mardani［11］等研究了硫酸鹽侵蝕和凍融作用對水泥加固高嶺土強(qiáng)度和滲透性能的影響，推測硫酸鹽侵蝕降低了水泥穩(wěn)定黏土的抗凍融性能；Pham等［12］研究了海洋環(huán)境中硫酸鹽對水泥土樁的破壞作用，發(fā)現(xiàn)海洋環(huán)境對水泥土的侵蝕會降低水泥土樁的強(qiáng)度，劣化水泥土樁的力學(xué)性能；袁偉［13］使用海相軟土制作水泥土，將水泥土浸泡在自制海水溶液中，研究浸泡時間對水泥土抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)的影響，得出海水的侵蝕作用會劣化水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低其強(qiáng)度。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者們不僅系統(tǒng)地研究了水泥摻量、齡期、土質(zhì)等對水泥土力學(xué)性能的影響，還研究了侵蝕離子種類、侵蝕時間以及侵蝕溶液濃度等侵蝕環(huán)境對水泥土力學(xué)性能的劣化。隨著國家對海洋資源的開發(fā)與利用，水泥土?xí)罅窟\(yùn)用于海洋工程建設(shè)中，需要探究海水侵蝕作用對水泥土強(qiáng)度的劣化影響，且水泥土這種脆性材料多以受拉破壞為主，因此筆者進(jìn)行了水泥土在清水和海水環(huán)境下的無側(cè)限抗拉強(qiáng)度試驗研究。

1 試驗方案

1.1 原材料

試驗所用外摻料為電爐鎳鐵渣粉和?；郀t礦渣復(fù)摻后所形成的復(fù)合外摻料，兩者比例為2∶1，該復(fù)合外摻料以下均簡稱為鎳鐵渣粉，這兩種礦物摻和料的主要化學(xué)成分如表1所示。通過高活性礦粉能夠使鎳鐵渣粉得到激活，使其對土體固化的效用以及綠色環(huán)保和低成本的特點(diǎn)更有效的得到發(fā)揮。試驗所用的土料為淤泥，取自福州市閩侯縣某項目基坑內(nèi)，該淤泥的基本物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。為了保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，拌和所用水均為凈水機(jī)提純過后的純凈水。與鎳鐵渣粉復(fù)摻的水泥為P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，該水泥質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）的相關(guān)規(guī)定。配制侵蝕環(huán)境所用的海水是根據(jù)制鹽工業(yè)手冊［14］所要求的海水成分進(jìn)行配置，其化學(xué)成分組成如表3所示。

表1 復(fù)合料的化學(xué)成分

表2 淤泥基本物理力學(xué)指標(biāo)

表3 海水化學(xué)成分組成

1.2 試驗方案

本試驗采用劈裂抗拉試驗方法，目的是研究鎳鐵渣粉摻量和養(yǎng)護(hù)條件對其抗拉強(qiáng)度的影響。劈裂抗拉試驗中設(shè)計了0%、30%、45%、60%四個水平的鎳鐵渣粉取代比（即取代同質(zhì)量水泥的比率），對比分析不同摻量對鎳鐵渣粉水泥土抗拉強(qiáng)度的影響。另外，本試驗采用28 d的齡期，以此達(dá)到既能簡化試驗方案又能保證滿足試驗要求的目的。其中，本試驗中水膠比為0.5，膠凝材料摻入比為15%，清水環(huán)境下試件標(biāo)記為試件A，海水環(huán)境下試件標(biāo)記為試件B，編號后的數(shù)字表示鎳鐵渣粉摻量。具體試驗方案如表4所示。

表4 劈裂抗拉驗方案

1.3 試驗步驟

采用MTS landmark 370.25試驗機(jī)進(jìn)行間接劈裂試驗，本試驗的試件采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊，具體試驗步驟如下。①從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室的水箱中取出養(yǎng)護(hù)到期的水泥土試樣，將試樣表面擦拭干凈，測量尺寸，檢查外觀，在試樣中部畫出劈裂面位置線，劈裂面垂直于試件成型的頂面，測量精度為1 mm。②將劈裂模具放到承壓臺鋼板的中心，幾何對中校正，放妥試件和木質(zhì)墊條，其方向垂直于試件成型時的頂面，如圖1所示。③對鎳鐵渣粉水泥土試件以100 N/s的加載速度勻速加載至試件發(fā)生破壞，并記錄試驗數(shù)據(jù)。

圖1 試件放置示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果處理

試驗根據(jù)公式（1）計算水泥土的劈裂間接抗拉強(qiáng)度。

式中：Rt為水泥土的抗拉強(qiáng)度，MPa；Pmax為試件破壞時的最大荷載值，N；ɑ為試件的邊長，mm，本試驗中為70.7 mm。

2.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗設(shè)計方案表4和式（1）分別對在不同養(yǎng)護(hù)條件和不同鎳鐵渣粉摻量的3個鎳鐵渣粉水泥土試樣進(jìn)行劈裂間接抗拉強(qiáng)度試驗并計算其結(jié)果。具體結(jié)果如表5所示。

表5 不同摻量鎳鐵渣粉水泥土的抗拉強(qiáng)度

根據(jù)表5中的試驗數(shù)據(jù)，繪制出鎳鐵渣粉水泥土在清水環(huán)境和海水環(huán)境下28 d的抗拉強(qiáng)度隨鎳鐵渣粉摻量變化的關(guān)系曲線圖，如圖2所示。

圖2 水泥土的抗拉強(qiáng)度與鎳鐵渣粉摻量的關(guān)系曲線

由表1和圖2可知，清水環(huán)境和海水環(huán)境下鎳鐵渣粉水泥土的抗拉強(qiáng)度曲線的變化趨勢基本一致，抗拉強(qiáng)度曲線隨著鎳鐵渣粉摻量的增加先上升后下降，與其抗壓強(qiáng)度曲線的變化規(guī)律保持一致。清水環(huán)境養(yǎng)護(hù)下，四組不同摻量鎳鐵渣粉水泥土抗拉強(qiáng)度分別為0.30 MPa、0.32 MPa、0.38 MPa、0.31 MPa，水泥土抗拉強(qiáng)度A-30比A-0增加7.25%，A-45比A-30增加15.64%，A-60比A-45減少 了15.85%。海水環(huán)境養(yǎng)護(hù)下，四組不同摻量鎳鐵渣粉水泥土的抗拉強(qiáng)度分別為0.28 MPa、0.31 MPa、0.34 MPa、0.29 MPa，水泥土抗拉強(qiáng)度B-30比B-0增加了8.2%，B-45比B-30增加了10.43%，B-60比B-45下降了14.68%。這表明水泥土中加入鎳鐵渣粉能提升抗拉強(qiáng)度，這是因為28 d齡期的鎳鐵渣粉水泥土內(nèi)部水化反應(yīng)充分，鎳鐵渣粉的活性被激活［15］，生成的物質(zhì)在提升水泥土抗壓強(qiáng)度的同時也在提升其抗拉強(qiáng)度。但摻入過量的鎳鐵渣粉會不利于水泥土的抗拉強(qiáng)度，因為摻入過量摻入鎳鐵渣粉，水泥水化反應(yīng)減弱［16］，仍有一定量的鎳鐵渣粉活性無法激活，僅僅發(fā)揮微集料的填充作用，無法發(fā)生類似火山灰效應(yīng)，則無法提升水泥土的抗拉強(qiáng)度。因此鎳鐵渣粉存在一個最優(yōu)摻量值，從強(qiáng)度增長效果來看，最優(yōu)摻量值為45%。

另外，在相同摻量下，海水浸泡下的鎳鐵渣粉水泥土抗拉強(qiáng)度始終低于清水環(huán)境，相關(guān)研究表明［17-19］：海水中的侵蝕離子侵入水泥土的表面和內(nèi)部，參與水化反應(yīng)生成不利于抗拉強(qiáng)度的物質(zhì)，如F鹽和鈣礬石，這些物質(zhì)在水泥土內(nèi)部孔隙不斷累積膨脹，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，造成微小裂紋，這些小裂紋使海水進(jìn)一步侵入水泥土的內(nèi)部，降低水泥土的抗拉強(qiáng)度。而摻入一定量的鎳鐵渣粉水泥土可以提升水泥土的抗拉強(qiáng)度，有利于抵抗海水的侵蝕作用，因為根據(jù)童生豪［17］和石嘵夢［19］的研究，鎳鐵渣粉本身具有耐久性，同時發(fā)揮著微集料填充作用和類似火山灰效應(yīng)，填充水泥土的孔隙，提升其密實(shí)度，從而抵抗海水進(jìn)一步侵入水泥土的內(nèi)部，減弱海水的侵蝕作用。

2.3 水泥土的受拉破壞性狀

在28 d齡期時，礦粉對鎳鐵渣粉的活性激發(fā)能力大大增強(qiáng)了，在礦粉的激活下鎳鐵渣粉參與類似水泥的水化反應(yīng)的能力逐漸顯現(xiàn)出來，生成的水化產(chǎn)物充分填充了鎳鐵渣粉水泥土的孔隙，將土顆粒更加緊密膠結(jié)在一起，從而使水泥土內(nèi)部的致密性和整體性有所加強(qiáng)［20］。因此，從圖3和圖4可以看出，28 d時劈裂抗拉強(qiáng)度試驗中鎳鐵渣粉水泥土的劈裂破壞形式主要為顯著的突發(fā)性的脆性破壞，破壞時從試件中間劈開，劈裂面與受拉力方向基本保持垂直，從而呈現(xiàn)一個完整的剪切面，這與文獻(xiàn)［21］中所研究的結(jié)果保持一致。另外，從圖3和圖4中還可以看出，在整體上，鎳鐵渣粉摻入前與摻入后，水泥土試件在劈裂破壞形式上差別并不大，海洋環(huán)境與清水環(huán)境鎳鐵渣粉水泥土破壞形式也相差不大，只是海水環(huán)境的鎳鐵渣粉水泥土破裂面略微平整。

圖3 是否摻有鎳鐵渣粉水泥土的劈裂破壞對比

圖4 清水環(huán)境與海水環(huán)境劈裂破壞對比

3 結(jié)論

通過開展劈裂間接抗拉試驗，研究不同鎳鐵渣粉摻量、不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境（清水與海水）對水泥土的抗拉強(qiáng)度、表觀侵蝕以及破壞性狀的影響。

①清水環(huán)境和海水環(huán)境水泥土中摻入適量的鎳鐵渣粉，由于其活性被激活，且能發(fā)揮較好的微集料填充作用，能明顯提升水泥土的抗拉強(qiáng)度；但摻量的增大到一定程度，其抗拉強(qiáng)度隨摻量增加呈先增大后減小的趨勢，因此可得到最優(yōu)鎳鐵渣粉摻量為45%。

②海水浸泡下的水泥土抗拉強(qiáng)度始終低于清水環(huán)境，這表明海水中的侵蝕離子侵入水泥土內(nèi)，生成不利于強(qiáng)度的F鹽等物質(zhì)，由膨脹力造成細(xì)小裂縫，降低水泥土的抗拉強(qiáng)度。

③破壞時從試件中間劈開，劈裂面與受拉力方向基本保持垂直，在兩種養(yǎng)護(hù)條件下水泥土試件均表現(xiàn)為脆性破壞。