酸碱环境下硫酸钠侵蚀对水泥土的力学特性影响*

2019-07-24陈四利江国龙王军祥王宏俊

沈阳工业大学学报 2019年4期

陈四利，江国龙，王军祥，王宏俊

(沈阳工业大学 a. 建筑与土木工程学院， b. 体育部，沈阳 110870)

水泥土以其低廉的价格，稳定的性能，越来越受到工程实际的重视，广泛地被应用到路基加固，大坝抗渗，基坑加固等，且加固方面研究广泛[1-3].随着水泥土应用增多，其工作环境越来越多样化，经常受到不同酸碱条件，各种盐溶液的腐蚀，针对水泥土受到不同腐蚀条件下各项性能的变化已有部分研究，表明水泥土受到不同环境作用，各种离子对水泥土强度发展作用机理不同，强度亦有较大区别[4-8]，宁宝宽等[9-10]对水泥土被侵蚀以及破坏过程分别进行了宏观与微观的对照分析，陈四利等[11-12]通过试验研究了水泥土在不同盐溶液，不同酸碱条件下各项性能的改变.为了研究不同腐蚀条件下，水泥掺量、养护龄期以及溶液中钠盐含量对水泥土最终强度的影响情况，试验通过测试不同条件下水泥土强度，分析水泥土强度变化规律，总结各因素对水泥土强度影响显著程度，建立水泥土随各因素变化的回归方程.通过计算估测水泥土在硫酸钠腐蚀条件下强度变化值，为水泥土实际应用中耐久性提供预测依据.

1 试验方案与方法

1.1 材料选择及试件制作

试验选用PO42.5级普通硅酸盐水泥，土体选用沈阳地区某工地距地表约2 m土体，土体的各项性能指标如下：天然重度为18.03 kN/m3，天然含水率为9.1%，液限34.7%，塑限20.4%，液性指数为0.69，塑性指数为14.3.将试验用土铺开晒干后，过5 mm筛，去除土体中杂质，分别计算9%、12%、15%、18%水泥掺量，水灰比为2的水泥和水的用量，与土体均匀搅拌后放入模具，分三层击实，制成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm大小的试件.

1.2 溶液配制与养护

表1 试验设计及强度极差分析Tab.1 Design of experiments and range analysis of strength

1.3 试验方法

试验选用正交试验法，通过试验拟合水泥土在不同浓度硫酸钠和酸碱不同溶液作用下强度变化规律，拟合强度变化趋势曲线，并用最小二乘法原理和Matlab软件分别建立水泥土强度在酸碱不同情况下，强度与水泥掺量、龄期、硫酸钠浓度三个因素相关的三因素表达式.各因素水平如表2所示.

表2 影响因素及水平Tab.2 Influencing factors and levels

2 试验结果及分析

分别对试验结果进行极差分析和方差分析，总结水泥土强度随各因素变化趋势以及各因素的影响显著程度，建立回归曲线，计算三因素表达式.

2.1 极差分析

极差分析是通过计算各因素每一水平下水泥土强度的平均值，通过计算每一因素下极差值，得到各因素对水泥土强度的影响程度.根据表2比较酸碱不同条件下水泥土极差值可知，酸碱不同条件下，各因素对水泥土强度影响的程度均为：水泥掺量>龄期>硫酸钠浓度.

酸性条件本身对水泥土强度发展起到劣化作用，与硫酸钠共同作用后，效果更为明显，强度较碱性条件下大幅降低.在酸性条件下，水泥掺量增加(9%→12%→15%→18%)，水泥土强度强化明显，18%掺量条件下较9%掺量强度增加82.1%；同等条件下，当龄期增加(14 d→28 d→45 d→60 d)时，强度也表现为均匀增加，60 d时水泥土强度较14 d时增加了27.6%；溶液浓度增加(0%→1%→2%→3%)，强度变化并不明显，这是由于不同掺量、不同龄期对水泥土强度强化特点不同，而低浓度(≤3%)下，硫酸钠浓度增加对水泥土强度发展有一定的促进作用，浓度为3%时较无硫酸钠添加时强度增加了14.7%.

在碱性条件下，硫酸对水泥土强度的劣化起到有效的抑制作用，当水泥掺量增加时，强度强化，掺量18%较掺量9%强度增强了126.6%，龄期增加时，强度增加量也较酸性明显，60 d时较14 d增加了81.0%，硫酸钠浓度增加时，强度表现为增强，3%硫酸钠浓度较无硫酸钠添加时强度增加24.7%.效应曲线与回归曲线如图1～3所示.

图1 水泥掺量强度曲线Fig.1 Cement content-strength curves

图2 龄期强度曲线Fig.2 Curing time-strength curves

图3 硫酸钠浓度强度曲线Fig.3 Sodium sulfate concentration-strength curves

2.2 方差分析

对试验结果进行方差分析以消除试验误差的影响，进一步强化以上结论的准确性，方差分析如表3所示.由方差分析可知，在酸性条件下，掺量对水泥土强度影响为高度显著，龄期影响为显著，硫酸钠浓度影响为不显著；在碱性条件下，掺量与龄期的影响程度均为高度显著，浓度影响为不显著.方差分析显示，各因素对水泥土强度影响程度为：水泥掺量>龄期>硫酸钠浓度，与极差分析结果一致.

表3 抗压强度方差分析Tab.3 Variance analysis of compressive strength

注：Fj为本文试验数据方差计算结果；Fa为不同概率所对应的F值.

3 水泥土强度回归模型

3.1 抗压强度与水泥掺量的回归模型

由图1可知，在酸碱不同条件下，水泥土强度随水泥掺量的增加呈线性上升，利用Matlab进行回归分析，两种条件下，水泥土强度与水泥掺量之间可以用线性关系来表示，线性方程为

酸性条件下：

qu=0.331ac+0.541

(1)

碱性条件下：

qu=0.530ac-0.832

(2)

式中：qu为水泥土抗压强度；ac为水泥掺量.

3.2 抗压强度与龄期的回归模型

由图2可知，水泥土在酸碱不同条件下，强度随龄期呈线性增加，故建立水泥土随龄期变化的线性方程，即

酸性条件下：

qu=0.026t+4.05

(3)

碱性条件下：

qu=0.074t+3.58

(4)

式中，t为养护龄期.

3.3 抗压强度与硫酸钠浓度的回归模型

由图3可知，利用回归分析方法，水泥土在酸性条件下，强度随硫酸钠浓度变化规律可以用二次多项式的关系来表示，而在碱性条件下，强度随硫酸钠浓度变化可用线性方程来表示，表达式为

酸性条件下：

qu=0.124c2-0.165c+4.821

(5)

碱性条件下：

qu=0.412c+5.697

(6)

式中，c为硫酸钠溶液浓度.

3.4 抗压强度与三因素的回归模型

通过对酸碱不同条件下三因素与水泥土强度之间关系的分析，分别建立了水泥土强度与各因素之间的回归模型，总结了各因素对水泥土强度发展规律的影响，通过分析三因素的模型以及各因素对水泥土强度影响的规律，可以建立水泥掺量、龄期、硫酸钠浓度三者对水泥土强度共同影响的表达式，即

酸性条件下：

qu=k1actc2+k2actc+k3act+k4acc2+k5tc2+

k6acc+k7tc+k8ac+k9t+k10c2+k11c+k12

(7)

式中，ki为回归系数，i=1，2，…，12.

碱性条件下：

qu=l1actc+l2act+l3acc+

l4tc+l5ac+l6t+l7c+l8

(8)

式中，li为回归系数，i=1，2，…，8.

将试验中的掺量ac、龄期t、浓度c值分别代入式(7)、(8)中，其表达式为

Ak=b1

(9)

Bl=b2

(10)

式中，bi为正交试验结果，i=1，2.矩阵A|b1和B|b2分别为

利用最小二乘法，采用Matlab对矩阵A|b1和B|b2进行求解，可以解得ki(i=1，2，…，12)和li(i=1，2，…，8)，将求得的常数值代入到式(7)、(8)中，得到水泥土强度随掺量、龄期、硫酸钠浓度变化而变化的规律方程，由于式(9)、(10)中A、B两矩阵行数均大于列数，故两方程均为超静定方程.Matlab采用矩阵左除或矩阵右除从而使平均误差e=Ak-b最小，e成为最小二乘解，ki、li的值如表4、5所示.