原土环境下水泥土强度衰减过程室内试验研究❋

闫 楠， 杨俊杰， 刘 强， 董猛荣

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100； 3.山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266590)

长期服役于腐蚀场地的水泥土将发生劣化[1-6]，从而对其使用寿命产生严重影响。

针对水泥土等加固体的劣化问题，杨俊杰等[7-10]根据不同的工程背景将其分为场地环境变化引起已有加固体的劣化问题(第一类劣化问题)和腐蚀场地形成的加固体的劣化问题(第二类劣化问题)。针对第一类劣化问题，Han和Bai[4]通过采用硫酸、硫酸钠、氯化镁等不同溶液对成型的水泥土实施浸泡，并对达到浸泡时间的试样实施无侧限抗压强度试验。刘泉声等[11]利用不同浓度的氯化钠溶液、氯化镁和氯化钠混合溶液、硫酸镁和氯化钠混合溶液模拟侵蚀环境，对浸泡90、180和270 d的水泥土试块实施无侧限抗压强度试验。Kitazume等[12]将试样标准养护14 d后，放入黏土中，并对其实施力学测试。结果表明，随着养护时间的增长，处在黏土环境中的水泥土未明显劣化，但没有明确给出黏土的性质。Terashi等[13]首先将试样在试样筒内分别养护(室内温度25 ℃，湿度85%)2 h(无侧限抗压强度60 kPa)和24 h(同640 kPa)后脱模，脱模后分别在三种环境下养护，即标准养护(用塑料袋密封试样放入温度20 ℃、湿度95%的恒温恒湿箱内)、黏土养护(含水量是120%的川崎黏土)和海水养护，养护时间最长均为730 d。对达到龄期的试样实施无侧限抗压强度试验。结果显示，养护24 h脱模后放入三种环境下继续养护的试样，在同一龄期时，其无侧限抗压强度分别大于养护2 h的相应的试样；养护2和24 h脱模放入三种环境后，试样的强度均呈随龄期先增加后降低的趋势，海水环境下强度在28 d左右，黏土环境和标准养护强度在180 d左右达到最大，海水环境下强度增加幅度最小，降低幅度最大，标准养护强度增加幅度最大、降低幅度最小，黏土环境居中。针对第二类劣化问题，Miao Jiali[14]、杨俊杰等[7-10]采用海水养护的方法，实施了室内模拟试验。研究表明，养护(浸泡)时间越长、水泥掺入比越小，水泥土的劣化深度越大。目前，水泥土劣化问题的室内试验研究多采用海水或化学溶液为腐蚀介质对水泥土等加固体进行浸泡，模拟不同类型的腐蚀环境。而在原土中进行养护的相关试验研究也针对的是第一类劣化问题。

原土环境作为水土耦合的较复杂系统，能够更好地模拟现场场地环境，对水泥土劣化的室内研究很有意义。针对第二类劣化问题，本文在海水环境中水泥土劣化研究[10]的基础上，利用形成水泥土的原土对水泥土进行养护，实施微型贯入试验(MCPT)、扫描电镜(SEM)试验、能谱(EDS)试验、X射线衍射(XRD)试验、化学测试及酸碱度测试等一系列力学、物理和化学试验，并通过对比海水环境下的试验结果，研究滨海相场地形成的水泥土的强度衰减过程。

1 试验概况

1.1 试验装置及试验材料

试验装置及试验材料详见文献[10]。

1.2 试验方案及方法

如图1所示，首先制备水泥土试样，然后进行原土养护。水泥土试样的制备方法选用的试样筒(内径85 mm、高105 mm的塑料烧杯)和养护筒(顶面直径180 mm、底面直径140 mm、高160 mm的塑料桶)详见文献[10]。水泥土养护期间，室温保持在(21±3)℃，每隔30 d换土一次。实验室条件控制与海水养护相同。

图1 试样养护Fig.1 Sample maintenance

对达到龄期的水泥土试样实施相关试验，试验方案如表1所示。各种试验的方法详见文献[10]。

表1 试验方案Table 1 Testing program

注：*水泥掺入比为水泥与湿土的质量之比。

Note：*Cement factoris defined as radio of the dry weight of the coment introduced to the wet weight of the soil.

①Curing environment；②Cement mixing content；③Curing time；④Test project；⑤Exposed to insitucday

2 试验结果及分析

2.1 贯入试验结果及劣化的时空分布规律

2.1.1 贯入试验结果与分析 图2为贯入试验得到的贯入阻力随贯入深度的变化曲线。图中曲线由贯入阻力结果的算数平均值绘成，误差棒为数据的标准差，表示同一深度贯入阻力数值的离散程度，由图可知，贯入阻力数据离散程度较低，试样均匀性较好。

图2 水泥土的贯入阻力-深度曲线(原土环境)Fig.2 Penetration resistance-penetration depth curves of cement soil (cured in marine soil)

由图2可知，同一掺入比条件下，养护时间越长，水泥土表层贯入阻力降低越明显，表明与海水环境一样，原土环境中的水泥土同样发生了由表及里的劣化现象[8]。

2.1.2 劣化深度─时间变化曲线 根据文献[10]中水泥土劣化深度定义可得到水泥土劣化深度，图3为劣化深度随时间的变化规律。

图3 原土环境与海水环境中水泥土劣化深度-时间变化曲线Fig.3 The deterioration depth-time curves of the cement soil in marine soil and sea water

原土环境和海水环境中的水泥土呈现相同的劣化规律，即，随着养护时间的增长，劣化深度不断增大；水泥掺入比越大，试样的劣化深度越小。在本试验条件下，在养护时间较短时，海水养护水泥土试样的劣化深度较大，相反随着养护时间的增加，原土中养护水泥土试样的劣化深度超过海水养护试样的劣化深度。

2.2 SEM试验结果及分析

本次试验使用Hitachi S-3500型扫描电子显微镜。为了确定试验的主要元素，选取600倍数区辅以能谱分析。图4为水泥掺入比为15%的水泥土养护360 d后的微观结构图像。

从图4可以看出，经海水和原土分别养护360 d后，水泥土未劣化层的微观结构相对致密，整体性较好，有明显的晶体纤维形成。劣化层中已存在较大体积的团粒结构，但团粒间孔隙明显，结构密实程度较低，劣化影响了水泥土的固化过程，劣化后的水泥土具有非均质特征。在8 000倍放大倍数下，原土和海水环境中同样深度试样的劣化层和未劣化层的微观结构无显著差异。

图4 掺入比为15%，海水与原土养护360 d未劣化及劣化水泥土的微观结构(×8 000)Fig.4 Microstructures of non-deteriorated and deteriorated cement soil samples cured under water and soil after 360 days with the cement ratio of 15% (×8 000)

能谱分析如图5所示，原土环境中与海水环境中水泥土试样所含有的主要元素相同，主要含有硅、钙、铝、镁、铁、钾、钠、氧、氯、碳、硫等元素。经两种环境养护后，水泥土劣化层中的Ca含量均有所降低。

图5 海水与原土养护360 d、水泥掺入比为15%的水泥土能谱图(×600)Fig.5 Energy spectrum diagrams of non-deteriorated and deteriorated cement soil samples cured 360 days with the cement ratio of 15% (×600)

2.3 XRD物相分析

试验使用Bruker公司的D8 ADVANCE X射线衍射分析仪对水泥掺入比为15%，养护360 d试样进行分析，结果如图6所示。与海水环境中的试样相似，水泥土试样中存在碳酸钙(CaCO3)、氢氧化钙(Ca(OH)2)、氢氧化镁(Mg(OH)2)、石膏(CaSO4·2H2O)、硅酸镁水化物(M-S-H)、铝酸镁水化物(M-A-H)、C-S-H和钙矾石(C-A-S-H)等化合物。劣化层中硅酸钙水化物、铝酸钙水化物、碳酸钙及氢氧化钙等物质的含量较未劣化层少，石膏、铝酸镁水化物、硅酸镁水化物等物质的含量较大。然而，硅酸钙水化物、铝酸钙水化物、碳酸钙等物质是水泥土强度的主要来源，氢氧化钙是促进水泥土固化的重要成分；石膏、氢氧化镁等反应产物的胶结强度较低，可能导致水泥土强度降低。由此可见，由于环境中的镁离子、氯离子、硫酸根离子等侵蚀性离子的渗入，干扰了其正常的固化反应，致使与养护环境接触的一定深度内的水泥土发生了明显的钙损失，在宏观上表现为水泥土强度的衰减和劣化深度的增大。

图6 海水与原土养护水泥土试样的X射线衍射图Fig.6 X-ray diffractions of cement soil samples

2.4 离子含量分析

图7为水泥掺入比为15%，养护360 d的水泥土中钙离子、镁离子、硫酸根离子、氯离子等主要离子的含量和pH值分布情况。

图7 原土环境中水泥土的离子含量测试Fig.7 Chemical tests of cement soil in marine soil

由图7可以看出，原土环境中的水泥土中各离子含量随深度变化规律与同期海水环境中水泥土中相同离子含量的变化规律相似。其中，钙离子含量随深度的增大而增大，镁离子含量、硫酸根离子含量、氯离子的含量随着深度的增大呈现减小趋势，pH值随深度增加而增大。由结果发现，原土环境和海水环境中的主要离子种类相同，分别经两种环境养护试样中主要离子含量的变化规律相似，因此在两种环境中水泥土强度的衰减过程是相似的。此外，由图7(e)发现，原土环境中试样劣化层的pH值整体上较同期海水环境中试样劣化层的pH值小。相关研究表明，pH值的降低会直接影响水泥土的凝硬反应，并促使水化产物分解，对水泥土强度的形成不利[10,15-16]。因此，在该试验中，pH值与水泥土的劣化具有显著相关性。此外，有机质的存在可使土体酸性增强，导致pH值降低[17]。由此可见，在原土环境无机盐成分类型与海水环境相似的条件下，有机质很大程度上影响了水泥土的劣化进程。但是，与海水中水泥土强度衰减过程相同，依次为腐蚀介质抑制水泥土表面强度增长的过程和促使水泥土强度由表及里不断降低的过程[10]。

3 结论

本文通过室内原土环境模拟现场场地环境，进一步研究了滨海相软土场地形成的水泥土的强度衰减问题，得到如下结论：

(1)原土环境和海水环境中的水泥土呈现相同的劣化规律，即，随着养护时间的增长，劣化深度不断增大；水泥掺入比越大，试样的劣化深度越小。在本试验条件下，在养护时间较短时，海水养护水泥土试样的劣化深度较大，相反随着养护时间的增加，原土中养护水泥土试样的劣化深度超过海水养护试样的劣化深度。

(2)水泥土劣化层结构较松散，孔隙多而大，水泥土的劣化可导致水泥土孔隙比增大，渗透性增大。与此对应，环境中侵蚀性离子的渗入干扰了水泥土的固化反应，致使其发生了钙溶出，在宏观上表现为水泥土强度的衰减和劣化深度的增大。

(3)经原土养护的水泥土中各离子含量的变化规律与同期海水环境中水泥土中对应离子的含量变化规律相似。其中，钙离子含量、碳酸根离子含量随深度的增大而增大，镁离子含量、硫酸根离子含量、氯离子含量和碳酸氢根离子的含量随着深度的增大呈现减小趋势。pH值随深度增加而增大，但原土环境中试样劣化层的pH值较同期海水环境中试样劣化层的pH值小。而原土中的有机质成分是pH值降低的主要原因。由此，滨海相场地中，有机质对水泥土劣化过程的影响不可忽略。

(4)原土中水泥土强度衰减过程与海水中相同，即依次为腐蚀介质抑制水泥土表面强度增长的过程和促使水泥土强度由表及里不断降低的过程。