场地形成的水泥土的劣化室内模拟试验

杨俊杰，张玥宸，闫 楠，王秀海

(中国海洋大学 a.环境科学与工程学院； b.海洋环境与生态教育部重点实验室， 山东 青岛 266100)

水泥土在软土地基处理中应用广泛。然而，长期处在腐蚀性场地中的加固体会受到腐蚀，发生强度降低、渗透性增大等的劣化现象。劣化的发生严重影响水泥土的使用寿命[1～5]。

杨俊杰等将水泥土的劣化研究分为场地环境变化导致已有水泥土的劣化和在场地中形成的水泥土的劣化[6]。

场地环境变化引起的加固体劣化，主要是指酸、碱、海水等致污物质侵入场地导致场地土质及土中水被污染，场地内既有加固体受到致污物质及被污染水、土的腐蚀而发生的劣化[6]。这一类研究采用的方法及技术路线基本上是：制备加固体→养护→(脱模)加固体浸泡→强度试验及物理化学试验[7～17]。

场地形成的水泥土的劣化，主要是指在被酸、碱、海水等致污物质污染的场地或滨海相软土等具有腐蚀性的场地施工的水泥土在产生强度的同时，受场地中侵蚀性离子影响而发生的劣化。这一类研究采用的方法及技术路线是，制备加固体→(不脱模)加固体顶面暴露于腐蚀性环境→微型贯入试验及物理化学试验。将原土与固化剂混合并装入顶面敞开的圆柱形容器后不脱模立即置于腐蚀性环境(溶液或土体)中养护，可模拟加固体的形成环境；养护后不脱模从与外界环境接触面开始实施加固体的微型贯入试验，可得到加固体强度(劣化)的时空分布规律[6]。

场地形成的水泥土的劣化影响因素有内因和外因。内因是影响加固体强度的因素，有原土性质、固化剂种类与强度等级及掺入比、水灰比、加固体自重应力状态、施工工艺等；外因是外界环境因素，有侵蚀性离子种类及浓度、温度及温度循环变化、加固体受到的有效土压力和孔隙水压力(如饱和地基中水泥土桩侧面承受的水平向有效土压力和孔隙水压力)等；而时间这一因素可以看成是内因也可以看成是外因，从水泥土强度增长的角度，可以称为龄期，从劣化的角度看，则表示水泥土与侵蚀性介质接触的时间长短，是水泥土强度降低的因素，研究腐蚀性场地形成的加固体的劣化，应在加固体形成后立即将其置于腐蚀性环境中养护，因此，可以将这两个时间因素看成是同一个，考虑到可将水泥土视为是在腐蚀性环境中养护，亦为方便起见，称之为养护时间[6]。

本文在杨俊杰等的初步试验的基础上提出了劣化深度的定义并讨论了养护时间和水泥掺量对场地形成的水泥土的劣化深度的影响。

1 试验概况

试样筒为有效直径110 mm，高度145 mm的有机玻璃质烧杯。养护筒为有机玻璃质圆筒。装入水泥土前后的试样筒及养护情况如图1所示。

图1 试样筒及养护筒

微型贯入仪(MCPT-1)为应变控制式，贯入阻力与贯入深度利用数字自动显示器读取，峰值可自动保存。探头及探杆为不锈钢材料制作，探头直径为7 mm，锥角为60°，探杆直径为6 mm，最大可贯入长度为130 mm。

表1 青岛胶州湾海相粘土基本物理性质

因为原土处于海水饱和软土场地，天然含水量较高，接近液限的1.5倍，所以，直接将水泥掺入原土即可搅拌均匀。分别以7%、16%的掺入比(水泥与原土的重量比)制作水泥土试样。将水泥和原土混合并搅拌均匀，然后将水泥土装入试样筒中，刮平表面。在装入水泥土的过程中尽可能避免混入空气。整个过程在5 min内完成，以避免水泥土发生水化等反应而硬化。将装有水泥土的试样筒立即放入装有海水的养护筒。海水温度保持在20℃±2℃。浸泡前28天每7天换一次水，28天以后每30天换一次水。试验方案如表2所示。

表2 试验方案

微型贯入试验使用的荷载传感器量程为500 N，分辨率为0.1 N；贯入速度设定为1 mm/min。贯入阻力接近荷载传感器量程之前结束试验。

在贯入试验结束后，测试了水泥土沿深度方向的Ca2+与Mg2+的浓度分布。自表面分别切取0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm、20～25 mm各深度样品。选择1 mm孔径的筛，将土样放入筛盘中过筛。称取过筛后的样品10 g，放入锥形瓶中，加入50 ml蒸馏水，在振荡器上振荡12 h。然后将混合物过滤，滤膜孔径选择0.22 μm，将所得滤液根据EDTA滴定法测定钙离子(Ca2+)，镁离子(Mg2+)采用钙镁合量滴定法，也是利用EDTA来进行滴定，根据消耗EDTA的量来测算离子浓度。

2 试验结果及分析

2.1 劣化深度的定义

杨俊杰等[6]得到的贯入阻力与贯入深度的关系曲线形状与Hara等[3]的相似，均可用图2所示的模式图表示。曲线上存在几乎没有强度的部分和强度突然开始发挥的部分，Hara等[3]将这两个部分分别用直线近似，并将两条直线的交点的深度定义为劣化深度(图中的dn)。这种方法的缺点是在拟合直线时，斜率对结果的影响较大，尤其是几乎没有强度部分的斜率的确定需要准确的判断。而且，圆锥形贯入探头决定了贯入深度较浅部分的曲线特征，这种方法确定的劣化深度没有去除这部分深度。

本文采用将强度开始发挥的部分拟合一条直线，将直线与纵轴的交点作为劣化深度的方法(图中d)。这种方法的优点是只需拟合一条直线，且这部分的直线段明显，而且，这种方法确定的劣化深度可以部分抵消由于贯入探头锥尖影响带来的误差。由图可知，本文方法确定的劣化深度略小于Hara等的方法。

图2 根据贯入阻力曲线定义劣化深度

2.2 贯入阻力曲线

图3和图4是微型贯入试验得到的贯入阻力曲线，图3是相同水泥掺入比(7%)不同养护时间，图4是相同养护时间(120 d)不同水泥掺入比的水泥土试样贯入阻力(N)与贯入深度(mm)的关系曲线。

图3 水泥掺入比为7%的贯入试验结果

图4 养护120 d的水泥土试样的贯入试验结果

由图3和图4可知，不同养护时间的贯入阻力曲线性状相似，贯入阻力几乎不随贯入深度而增加，说明水泥土发生了劣化，但是，到达一定深度后，曲线开始出现拐点，贯入阻力随着贯入深度直线增加，到达一定深度后，再次出现拐点，贯入阻力随着贯入深度而缓慢增加，理论上此时强度达到未劣化水泥土强度而随深度增加不明显。但是，由于力学传感器量程的限制，没有全部测得水泥土第二个拐点后的稳定强度。而且，根据曲线趋势，第二个拐点后水泥土强度离散性较大，这主要是因为水泥土制作过程中人为因素影响所致。目前正在试制小型搅拌机以提高水泥土制作质量和稳定性。由图4可知，水泥掺入比为7%的水泥土试样的未劣化部分强度远小于掺入比为16%的水泥土试样。

2.3 养护时间和水泥掺量对劣化深度的影响

根据图3和图4，采用本文的劣化深度定义方法得到的劣化深度如表3所示。

表3 水泥土劣化深度

根据表3可得水泥掺入比为7%的水泥土的劣化深度与养护时间的关系(图5)。本试验条件下，水泥土的劣化深度随养护时间近似线性增加。今后有必要实施更长养护时间的试验，以探讨劣化深度随养护时间的变化规律。

图5 劣化深度与养护时间的关系

同样，养护120 d的水泥土劣化深度与水泥掺入比的关系如图6所示。随着水泥掺量的增加，水泥土强度明显增加的同时，劣化深度显著减小。因此，在实际工程应用中，增加水泥掺量不仅可增加水泥土强度，还可降低腐蚀环境导致的水泥土劣化的程度。

图6 水泥掺量对劣化深度的影响

2.4 Ca2+、Mg2+浓度沿深度的变化

图7、图8分别为相同水泥掺入比(7%)不同养护时间的水泥土试样沿深度方向的Ca2+、Mg2+浓度分布情况。

图7 Ca2+浓度沿深度的分布

图8 Mg2+浓度沿深度的分布

如图7、8所示，水泥土中的Ca2+浓度和Mg2+浓度变化(除去Mg2+60 d试样)均呈一定的规律性。不同养护时间的水泥土试样，Ca2+呈现由深到浅浓度逐渐降低的趋势，Mg2+浓度变化则随着深度的增加逐渐减小。这与HARA[3]等人的研究结果相同。

由于海水中的Mg2+在灰土pH值较高的环境下易与灰土中的OH-发生反应，生成难溶的Mg(OH)2[2]，降低灰土的pH值，而Ca2+在pH值较低条件下更易于溶出，从而使灰土发生强度降低现象[3]。

可能是试验精度或误差问题，没有得到Ca2+和Mg2+的浓度变化与养护时间、劣化深度的定量关系。但是，作为固化成分的Ca2+的溶出无疑是水泥土强度降低的原因，这对于研究水泥土劣化机理有着重要的意义，有必要再进行深入探讨。

3 结 语

利用室内模拟试验研究了养护时间和水泥掺量对青岛胶州湾海相软土场地形成的水泥土的劣化的影响。根据贯入阻力与贯入深度的关系曲线特征定义了劣化深度。试验结果表明，海水环境下水泥土的劣化进展较快；劣化深度随着养护时间的增加而增大；随着水泥掺量的增加，水泥土强度明显增加，同时水泥土的劣化深度显著减小；水泥土中的Ca2+呈现由深到浅浓度逐渐降低的趋势，Mg2+浓度变化则随着深度的增加逐渐减小。

今后结合利用X射线衍射、化学分析、扫描电镜等手段深入研究各种条件下水泥土劣化规律并揭示水泥土劣化过程(劣化机理与时间的关系)，在此基础上研究开发出能够有效抵抗水泥土劣化的添加剂。

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