硫酸镁对水泥改良砂力学特性的影响研究

王 哲

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063)

海南国际旅游岛先行试验区第一期路网工程——文黎大道延伸线广泛分布滨海、泄湖相砂土，该粉细砂粘粒含量低、级配不良，为满足工程需要，拟对该粉细砂进行水泥改良.

综上所述，学者们虽然针对MgSO4对水泥改良土的侵蚀作用展开了大量研究，但是研究中侵蚀程度多只借助水泥土的无侧限强度的变化，研究指标单一，对侵蚀后水泥改良土其他力学性能如应力应变曲线的研究不够深入.

本文选取MgSO4作为侵蚀液，以海南东南部滨海细砂为研究对象，借助于改装后的无侧限强度测试仪，研究了不同侵蚀液浓度、不同侵蚀龄期对水泥改良砂应力应变曲线、无侧限强度的影响，研究结果对于水泥改良砂MgSO4侵蚀评价、侵蚀条件下本构关系等的研究都具有十分重要的意义.

1 试验仪器

试验中改良砂的水泥掺量为2%、6%、10%，上述三种水泥掺量的改良砂强度较大，黏土无侧限强度试验仪并不适用，故对三轴仪进行了改装，以进行无侧限强度试验，改装后仪器如图1所示.

图1中，底座的位移通过与底座相连的百分表读取，轴向应力则通过与试样相连的测力计百分表读数经计算得到，在实验开始前，施加一定的预压力以使仪器连接部分接触充分，在试验过程中，底座每上升0.02 mm时读取一次测力计百分表的读数.

图1 无侧限抗压强度试验仪Fig.1 Unconfined compressive strength tester

2 试验过程

2.1 试验材料

试验用砂取自海南省东南部陵水县，历史沉积环境为低能的浅水环境，以细砂为主，主要成分为二氧化硅，性质十分稳定.

试验用水泥为海螺牌P.C325复合硅酸盐水泥，水泥在储存中用塑料桶密封，防止水泥受潮.

2.2 试验方案

3 试验结果分析

3.1 硫酸镁溶液对无侧限强度的影响

水泥改良砂经MgSO4溶液浸泡后的无侧限强度变化见图2至3所示.

在1 g/L、4 g/L MgSO4溶液中即使浸泡4周水泥改良砂试样表面也无变化，而在9 g/L、18 g/L MgSO4溶液中水泥改良砂在浸泡的第2周即出现明显的破损裂纹，试样的破损情况见图4所示.

从图2、3，并结合图4试验中的观察现象，可以看出，MgSO4溶液浓度低于4 g/L时，水泥改良砂的无侧限强度在4周内随着MgSO4溶液浓度的增长并没有明显的下降，而MgSO4溶液浓度高于4 g/L时，即使在侵蚀的早期试样强度衰减程度也很大，且随着MgSO4溶液浓度、侵蚀时间的增长，这种侵蚀作用更加明显，水泥改良砂强度进一步减小.

图2 水泥掺量2%改良砂MgSO4溶液浸泡后无侧限强度变化Fig.2 Unconfined strength change of sand modified by 2 percent cement eroded by MgSO4 liquid

图3 水泥掺量6%、10%改良砂在MgSO4溶液中浸泡后无侧限强度变化Fig.3 Unconfined strength change of sand modified by 6 and 10 percent cement eroded by MgSO4 liquid

图4 水泥改良砂在9 g/L MgSO4溶液中侵蚀2周后试样表面破坏情况Fig.4 Surface damage of the cement modified sample after erosion in magnesium sulfate solution with a solution of 9 gram per liter for two weeks

可见，MgSO4溶液对水泥砂的侵蚀存在一个浓度阙值，低于这个浓度阙值时对水泥改良砂的侵蚀作用很小，文献[11]也通过试验得到MgSO4溶液浓度大于4.5 g/L时，对水泥土有强烈腐蚀作用.

这是由于MgSO4浓度较小时，其与水泥水化物反应生成的钙矾石较少，该钙矾石填充了土颗粒间的孔隙，使得水泥改良砂无侧限强度并未明显下降.随着MgSO4溶液浓度、侵蚀龄期的增长，当土颗粒间的孔隙被填充满后，新生成的钙矾石会对试样产生膨胀力，在试样中产生了微裂隙，进而导致试样强度降低.

3.2 硫酸镁溶液对无侧限应力应变曲线的影响

在不同MgSO4浓度溶液中浸泡不同时间后各水泥改良砂无侧限应力应变曲线如图5～6所示.

图5 改良砂在不同浓度MgSO4溶液中侵蚀后无侧限应力应变曲线Fig.5 Unconfined stress-strain curve of modified sand eroded by different concentration of MgSO4 liquid

图6 水泥改良砂在4 g/L MgSO4溶液中侵蚀不同时间无侧限应力应变曲线Fig.6 Unconfined stress-strain curve of modified sand eroded by 4 g per liter of MgSO4 liquid for different time

图5(b)中水泥掺量6%的改良砂在18 g/L MgSO4溶液中侵蚀1周后试样即出现大量的裂纹，稍加荷载即破坏，无法获取其应力应变曲线.高路彬[15]发现水泥土无侧限应力应变曲线在荷载作用下将依次经历裂纹及气孔的闭合、线弹性响应、微缺陷稳态扩展、裂纹贯通及非稳态扩展4个阶段，4个阶段特性如下：

(1)裂纹及气孔闭合：表现下凸性，材料被强化，垂直于压应力方向孔洞受压而闭合，故其下凸特性所持续的应变范围在一定程度上可以反映试样中孔隙的多少.

(2)线弹性响应：应力应变曲线近似为直线，此阶段局部应力集中但还不足以使材料中的微裂纹缺陷演化.

(3)微缺陷稳态扩展：应力应变曲线发生弯曲，并伴有非弹性变形.

(4)裂纹贯通及非稳态扩展：试样中的裂纹发生分叉、绕行和贯通现象，应力水平降低，表现为峰值后的软化效应.

通过图5～6可以看到，水泥掺量为2%的改良砂的应力应变曲线将只经历线弹性响应、微缺陷稳态扩展、裂纹贯通及非稳态扩展而破坏，并没有气孔闭合阶段，而水泥掺量6%、10%的改良砂的应力应变曲线形态则依次经历气孔闭合阶段、线弹性响应、微缺陷稳态扩展而破坏，之所以未出现裂纹贯通及非稳态扩展的软化现象，主要是由于高掺量水泥改良砂试样脆性较强，在达到应力峰值时，试样即丧失强度.

水泥掺量2%与水泥掺量6%和10%改良砂应力应变曲线的差异主要是水泥掺量不同时砂颗粒间的胶结作用不同所导致：水泥掺量为2%的改良砂颗粒间连接较弱，由于没有围压的约束，在轴向荷载作用下，砂颗粒间的侧向挤压变形也较明显，难以压实，故并没有出现气孔闭合阶段，而水泥掺量6%、10%的改良砂颗粒间胶结作用强，试样以轴向变形为主，能够依次经历气孔闭合阶段、线弹性响应、微缺陷稳态扩展阶段.

比较图5至图6还可以发现，对于低掺量的改良砂，MgSO4溶液浓度、侵蚀时间对改良砂无侧限应力应变曲线形态的影响很小，随着在MgSO4溶液浓度、侵蚀时间的增长，水泥改良砂无侧限应力应变曲线峰值前曲线的上凸特性逐渐明显，表明试样受到MgSO4溶液侵蚀后微缺陷稳态发展阶段逐渐明显，非弹性变形逐渐增大，但曲线整体形态变化不大；而MgSO4溶液浓度、侵蚀时间对高掺量水泥改良砂的应力应变曲线形态影响较大.在MgSO4溶液浓度较低、侵蚀早期，水泥掺量6%、10%的改良砂的应力应变曲线表现三阶段特性，而随着MgSO4溶液浓度、侵蚀时间的增长，改良砂的无侧限应力应变曲线逐渐过渡到以气孔闭合阶段、微缺陷的稳态扩展为主，而线弹性阶段特征不明显，表明在MgSO4溶液的侵蚀下，试样在荷载作用下局部应力集中较快，很快跳过线弹性阶段，这是由于随着MgSO4溶液侵蚀作用的加强，试样中的微裂缝逐渐积累，在荷载作用下应力易于集中的缘故；且随着MgSO4溶液浓度、侵蚀时间的增长，水泥改良砂试样的气孔闭合阶段所持续的应变逐渐增长，表明试样里的孔隙逐渐增多，在一定程度上反映受到MgSO4溶液的侵蚀越严重.改良砂无侧限应力应变曲线显示的侵蚀规律与无侧限强度显示的侵蚀规律整体上一致.

4 结论

对MgSO4溶液侵蚀作用下水泥改良砂在不同侵蚀液浓度、侵蚀时间条件下无侧限强度变化和无侧限应力应变曲线形态的发展规律进行了研究，得到的结论如下：

(1)MgSO4溶液对水泥改良砂的侵蚀存在一个浓度阙值，浓度低于4 g/L时，水泥改良砂无侧限强度在4周内并没有明显的下降，而MgSO4溶液浓度高于4 g/L时，试样强度衰减程度则很大，随着MgSO4浓度的增加和侵蚀时间的增长，整体上水泥改良砂强度逐渐减小.

(2)水泥掺量2%的改良砂，MgSO4溶液浓度和侵蚀时间对其无侧限应力应变曲线形态的影响较小，改良砂的应力应变曲线将只经历线弹性响应、微缺陷稳态扩展而破坏，并没有气孔闭合阶段.

(3)水泥掺量6%、10%的改良砂，在MgSO4溶液浓度小、侵蚀早期，在轴向应力的作用下，试样能依次经历气孔闭合阶段、线弹性阶段、微缺陷的稳态扩展阶段三阶段而破坏；而在MgSO4溶液浓度高、侵蚀时间长时，试样气孔闭合阶段持续应变增大，此后试样即进入微缺陷的稳态扩展阶段，线弹性阶段不明显.