不同环境对水泥土动应力影响的试验研究

陈四利, 魏 星, 宁宝宽

(1.沈阳工业大学建筑与土木工程学院,辽宁 沈阳 110870; 2.江西工业工程职业技术学院,江西 萍乡 337000)

不同环境对水泥土动应力影响的试验研究

陈四利1, 魏 星2, 宁宝宽1

(1.沈阳工业大学建筑与土木工程学院,辽宁 沈阳 110870; 2.江西工业工程职业技术学院,江西 萍乡 337000)

为研究腐蚀性介质和动荷载对水泥土力学特性的影响,通过水泥土的动三轴压缩试验,获取水泥土动应力试验参数,分析各种环境对水泥土动强度的影响。试验结果表明,当硫酸钠溶液浓度小于0.03 mol/L时水泥土的动强度逐步增大,当硫酸钠溶液浓度大于0.03 mol/L时水泥土的动强度又逐步降低;随着氯化钠溶液浓度的增大,其动强度逐步降低;随着腐蚀时间的增加,0.03 mol/L硫酸钠溶液的水泥土动强度逐步增大,而0.1 mol/L和0.3 mol/L硫酸钠溶液的水泥土动强度均逐步降低;水泥掺入比和围压越大,水泥土动强度越大;当溶液浓度小于0.03 mol/L时硫酸钠环境对水泥土的动强度有增强效应,且浓度大于0.03 mol/L时硫酸钠环境对水泥土具有腐蚀破坏效应,且硫酸钠溶液腐蚀效应大于氯化钠溶液腐蚀效应。

水泥土; 动三轴压缩试验; 动应力; 腐蚀环境; 水泥掺入比; 围压

0 引言

水泥土由于其价格低廉和制作方便被广泛应用于地基处理、道路地基、水泥土搅拌桩、堤坝以及防渗墙等工程[1]。然而,处于公路路基、建筑地基以及堤坝等工程中的水泥土又经常遭受诸如酸雨、污水、受污染的地下水以及海水、河水等侵蚀性水的作用,必将对其力学特性产生影响[2]。同时,在实际工程中水泥土也常受到动荷载的冲击,如地震、车辆碾压以及海水、河水冲击坝体等作用。因此国内外学者对水泥土的力学特性进行了较为深入的研究,开展了单轴、三轴、渗透以及环境影响(如腐蚀、冻融)等试验。如刘恩军[3]分析了侵蚀性地下水对地下结构工程的影响、评价标准及其防治措施;赵振亚等[4]讨论了 Ca(OH)2对低掺量水泥土强度的影响;朱崇辉等[5]进行了水泥土渗透系数变化规律的试验研究;宁宝宽等[6-8]等分析了各种环境对水泥土力学特性的腐蚀效应;陈四利等[9-11]分析了化学腐蚀、渗流以及冻融循环对水泥土力学特性的影响;杨雨林[12]研究了污水对水泥土渗透性能的影响;袁伟[13]分析了海水环境对水泥土渗透性和强度的影响及机理;杨俊杰等[14]对腐蚀性场地形成的水泥土的劣化进行了研究;魏星[15]开展了腐蚀环境下水泥土的动力性能试验研究,获得了有益的成果;王金涛[16]研究了循环荷载作用下水泥土桩复合地基的动力特性;张鹏等[17]探讨了不同掺剂对水泥土动力特性的影响;李庆冰[18]开展了橡胶水泥土动力特性的试验研究;蔡袁强等[19]分析了水泥土-土复合试样的动力特性。另外,谭凡等[20]分析了饱和尾矿粉土的动力特性,冷建等[21]开展了循环荷载对上海软土动力特性影响规律的试验研究。然而,在动荷载作用下有关水泥土处于腐蚀环境中的动力特性却鲜有报道。本文拟开展在腐蚀环境作用下水泥土的动三轴试验研究,分析不同环境对水泥土动应力的影响,其研究成果可为处于复杂环境下水泥土工程的安全性和耐久性设计提供参考。

1 试件制备与试验方案

1.1 水泥土试件的制备

试验所用土为粉质黏土,经过风干、碾压、过筛,其主要的物理力学性质指标:含水量27.5%,天然重度19.2 kN/m3,液限35.0%,塑限19.4%,塑性指数15.6,液性指数0.58。

根据《JGJT 233-2011 水泥土配合比设计规程》以及试验设计的要求,试验采用强度等级为42.5的矿渣硅酸盐水泥。为了进行对比分析,讨论水泥掺量对水泥土动力特性的影响,取两组水泥掺入比,分别为15%、18%、21%和3%、6%、9%,并装入直径为39.1 mm、高为80 mm的模具中,试件放于(20±5) ℃的潮湿环境下静置24 h后拆模。

1.2 水泥土试件养护

将静置24 h后的试件拆模,放入清水中养护90天,室内温度约为22～28 ℃。为分析腐蚀环境对水泥土的影响,分别配置两种化学溶液,即硫酸钠(Na2SO4)溶液和氯化钠(NaCl)溶液,并根据试验要求将试件分别放入0.03 mol/L、0.1 mol/L、0.3 mol/L硫酸钠和氯化钠溶液中进行腐蚀。腐蚀时间分别为10天、20天、30天。

1.3 试验方案

本试验采用SDT-20型微机控制电液伺服土动三轴试验机,如图1所示。

图1 动三轴试验机Fig.1 Dynamic triaxial apparatus

对腐蚀时间分别为10、20及30天的试件进行动三轴试验。试验设置参数和方案如下:

选择不固结试验,围压分别取100、200和300 kPa,其加载速率为100 kPa/min。选轴向负荷控制、静态加载速率为200 N/min,轴向力控制频率为1 Hz,波形为正弦波。对于水泥掺入比为15%、18%、21%以及不同腐蚀时间、腐蚀浓度、腐蚀溶液试验中,其初始轴向力为3 000 N,振动采用分4级加载,振幅分别为500、1 000、1 500及2 000 N,振动次数均为50次。对于水泥掺入比为3%、6%、9%以及不同围压试验中,初始轴向力为400 N,振动采用分4级加载,振幅分别为50、100、150及200 N,振动次数均为50次。

2 试验结果及分析

2.1 腐蚀溶液浓度对动应力的影响

限于篇幅,仅给出围压为300 kPa、硫酸钠溶液腐蚀20天后的腐蚀溶液浓度以及不同水泥掺入比对水泥土动应力影响的关系曲线(图2)。无论哪种水泥掺入比(15%、18%和21%),硫酸钠溶液浓度为0.03 mol/L时极限动应力最大,0.3 mol/L时极限动应力最小。相对于清水状态下的动强度,水泥掺入比为15%时:浓度为0.03 mol/L时其动强度提高了12.2%,而浓度为0.1 mol/L和0.3 mol/L时分别降低了5.8%、17.3%;水泥掺入比为18%时:浓度为0.03 mol/L时提高了4.4%,浓度为0.1 mol/L和0.3 mol/L时分别降低了15.7%、25.5%;同理,水泥掺入比为21%时:浓度为0.03 mol/L时提高了7.1%,浓度为0.1 mol/L和0.3 mol/L时分别降低了8.3%、24.5%。

图2 硫酸钠溶液浓度对动应力-动应变影响的曲线Fig.2 Effect curves of Na2SO4 solution concentration on dynamic stress-dynamic strain

为了更详细分析硫酸钠溶液浓度对水泥土动强度的影响,探讨上述现象,以水泥掺入比为21%为例,不同腐蚀时间和浓度条件下水泥土动强度变化曲线如图3所示。当浓度较小时,随溶液浓度的增加,其水泥土动强度先增大,当浓度达到某一定值(约0.03 mol/L)时动强度又逐步降低。

图3 溶液浓度对动强度的影响曲线Fig.3 Effect curves of solution concentration on dynamic strength

2.2 腐蚀时间对动应力的影响

图4所示为水泥掺入比为18%的水泥土在不同腐蚀时间下、围压300 kPa时动应力随动应变的变化曲线。

图4曲线变化表明:当溶液浓度为0.03 mol/L时,腐蚀时间10、20和30 d时的极限强度与初始强度(未腐蚀、清水状态)相比分别提高了4.9%、3.9%和13.6%;而当溶液浓度为0.1 mol/L时,极限强度分别降低了2.9%、13.1%和5.8%;同理,溶液浓度为0.3 mol/L时,极限强度分别降低了10.3%、19.9%和9.2%。

图4 腐蚀时间对动应力-动应变的影响曲线Fig.4 Effect curves of corrosion time on dynamic stress-dynamic strain

为分析腐蚀时间对水泥土动强度的影响,取水泥掺入比为18%,将上述破坏时的极限强度绘制成如图5所示的曲线。不同的硫酸钠溶液浓度影响程度不同,当溶液浓度为0.03 mol/L时,腐蚀时间越长其水泥土动强度越大,浓度较小时有利于水泥土强度发展;当溶液浓度为0.1 mol/L和0.3 mol/L,即硫酸钠溶液浓度越大时,腐蚀时间越长水泥土腐蚀破坏越严重,导致水泥土动强度逐步降低。

图5 腐蚀时间对动强度的影响曲线Fig.5 Effect curves of corrosion time on dynamic strength

2.3 不同腐蚀溶液对动应力的影响

不同腐蚀环境对水泥土的影响程度不同,本文进行了两种腐蚀溶液(硫酸钠溶液和氯化钠溶液)下的试验。图6所示为围压300 kPa、水泥掺入比18%的水泥土试件,腐蚀时间为20 d时其动应力随动应变的变化曲线。对于硫酸钠溶液下的极限强度变化上文已经讨论过,而氯化钠溶液下的极限强度,当浓度为0.03 mol/L、 0.1 mol/L和0.3 mol/L时,与未腐蚀的极限强度相比分别降低了1.5%、3.0和13.6%。

为了更详细分析不同腐蚀溶液对水泥土动强度的影响,选取水泥掺入比为18%、腐蚀时间为20 d、围压为300 kPa时水泥土动强度的变化曲线(图7)。图中曲线表明,硫酸钠环境中的水泥土动强度先升高再降低,而氯化钠环境中的水泥土动强度一直平稳降低。

2.4 不同围压对动应力的影响

由于篇幅有限,仅取硫酸钠腐蚀溶液且腐蚀20 d、水泥掺入比为6%时,不同硫酸钠腐蚀溶液浓度、不同围压下水泥土动应力随动应变的变化曲线(图8)。试验结果表明,随着围压增大,其水泥土的动强度也增大;硫酸钠腐蚀溶液浓度越大,其对水泥土的动强度影响越大(图9)。

2.5 不同水泥掺入比对动应力的影响

对于硫酸钠溶液,腐蚀时间20 d、围压为300 MP时,不同水泥掺入比、不同硫酸钠溶液浓度下水泥土动应力随动应变的变化曲线如图10所示。

图中数据表明,硫酸钠溶液浓度为0.03 mol/L时,水泥掺入比为18%和21%的极限强度相比15%的极限强度分别提高了26.8%和40.5%。硫酸钠溶液浓度为0.1 mol/L时,水泥掺入比为18%和21%的极限强度相比15%分别提高了17.0%和23.8%。而硫酸钠溶液浓度为0.3 mol/L时,水泥掺入比为18%和21%的极限强度相比15%分别提高了17.8%和31.0%(图11)。

图6 腐蚀溶液对动应力-动应变的影响曲线Fig.6 Effect curves of corrosion solution on dynamic stress-dynamic strain

图7 不同腐蚀溶液对动强度的影响曲线Fig.7 Effect curves of different corrosion solution on dynamic strength

图8 不同围压对动应力-动应变的影响曲线Fig.8 Effect curves of different confining pressure on dynamic stress-dynamic strain

图9 围压对动强度的影响曲线Fig.9 Effect curves of confining pressure on dynamic strength

图10 不同水泥掺入比对对动应力—动应变 影响的曲线Fig.10 Effect curves of different cement mixing ratio on dynamic stress-dynamic strain

3 结论

本文通过对腐蚀后水泥土的动三轴试验,分析腐蚀溶液浓度、腐蚀时间、不同腐蚀溶液以及水泥掺入比和围压对水泥土动应力的影响,得出如下主要结论:

图11 水泥掺入比对动强度影响的曲线Fig.11 Effec curves of cement mixing ratio on dynamic strength

(1) 对硫酸钠腐蚀溶液浓度来说,当浓度小于0.03 mol/L时水泥土的动强度逐步增大,当浓度大于0.03 mol/L时水泥土的动强度又逐步降低;随着氯化钠溶液浓度的增大,其动强度逐步降低;

(2) 随着腐蚀时间的增加,0.03 mol/L硫酸钠溶液的水泥土动强度逐步增大;而0.1 mol/L和0.3 mol/L硫酸钠溶液的水泥土动强度均逐步降低;

(3) 通过硫酸钠溶液和氯化钠溶液对比分析可知,当溶液浓度小于0.03 mol/L时,硫酸钠环境对水泥土的动强度有增强效应;而浓度大于0.03 mol/L时,硫酸钠环境对水泥土有腐蚀破坏效应,且硫酸钠溶液腐蚀效应大于氯化钠溶液腐蚀效应;

(4) 水泥掺入比越大,其水泥土动强度越大;围压越大,水泥土动强度越大。

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Experimental Study on Dynamic Stress of Cement Soil under Different Environments

CHEN Si-li1, WEI Xing2, NING Bao-kuan1

(1.SchoolofArchitecture&CivilEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110870,Liaoning,China; 2.JiangxiVocationalCollegeofIndustry&Engineering,Pingxiang337000,Jiangxi,China)

Dynamic triaxial compression tests are conducted to study the effects of corrosive media and dynamic loads on the mechanical properties of cement soil. The experimental parameters of dynamic stress are obtained, and the effects of the dynamic strength of the cement soil are analyzed in different environments. Results show a gradual increase in the dynamic strength of the cement soil with an increase in the concentration of sodium sulfate corrosion solution when it is less than 0.03 mol/L. However, when the concentration is greater than 0.03 mol/L, there is a gradual decrease in the dynamic strength of the cement soil. In addition, there is a gradual decrease in the dynamic strength of cement soil with an increase in the concentration of sodium chloride solution. Furthermore, there is a gradual increase in the dynamic strength of cement soil in 0.03 mol/L of sodium sulfate solution with an extension of corrosion time. Results show the following: when the concentration of sodium sulfate solution is between 0.1～0.3 mol/L, there is a gradual decrease in the dynamic strength of the cement soil. Moreover, when the cemented content is at a greater ratio, the stronger dynamic strength of cement soil is greater. Furthermore, when the confining pressure is greater, the dynamic strength of cement soil is stronger. In addition, when the solution concentration is less than 0.03 mol/L, the dynamic strength of cement soil is enhanced in a sodium sulfate environment, but when it is greater than 0.03 mol/L, the cement soil is corroded and damaged within the same environment and the corrosion effect is greater than that of the sodium chloride solution.

cement soil; dynamic triaxial compression test; dynamic stress; corrosive environment; cement mixing ratio; confining pressure

2015-08-13 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51279109) 作者简介：陈四利(1959-)，男，博士，教授，主要从事环境岩土力学理论及其应用研究。E-mail:chen1458@163.com。

TU411

A

1000-0844(2016)06-0847-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0847