场地环境变化引起的水泥土劣化深度及预测*

2019-10-12王晓倩杨俊杰苏晓腾焦德才董猛荣

中国海洋大学学报（自然科学版） 2019年11期

王晓倩，杨俊杰**，王曼，苏晓腾，焦德才，董猛荣

(1.海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛 266100；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛 266100)

1 研究背景

水泥是常用的固化材料，水泥加固土体形成的加固体应用广泛，可作为竖向承载的复合地基、基坑工程中的挡墙或防渗止水帷幕、路基或堤基工程中的大体积稳定土等，而且水泥加固体工程量巨大[1-4]。然而，长期处于海水[5-6]、盐渍土[7-9]和污染环境[10]等腐蚀场地中的水泥土等加固体，与混凝土、钢材等建筑材料一样不可避免地受到腐蚀作用，发生强度降低、渗透性增大的劣化现象。劣化的发生严重影响加固体的使用寿命[11-15]。

加固体的劣化由表及里逐渐发生。对于承受竖向荷载的水泥土桩，当其表层劣化后，即使桩身强度具有足够的安全储备，如图1所示，由于侧阻力和端阻力降低，将导致桩的承载力降低，直接影响桩的服役性能。因此，研究水泥土劣化随时间的演化规律及对劣化深度的预测，对于腐蚀地基中水泥土桩的长期承载力预测，具有一定的理论和实际工程应用价值。

杨俊杰等[16]根据工程背景，将加固体的劣化问题分成两类并提出了相应的室内试验模拟方法(见图2)。

图1 腐蚀地基中的水泥土桩Fig.1 The cement soil piles in the corrosive foundation

在非腐蚀场地形成一段时间的加固体，因场地受到污染或海水入侵、盐渍化而发生的劣化问题属于第一类，如图2左侧所示。对于这类劣化问题，可采用先将加固体标准养护一定时间再与腐蚀环境相接触的方式进行浸泡模拟。目前的劣化研究基本上属于第一类，而且主要研究集中在原土性质、固化剂种类与添加量、养护时间、腐蚀性环境及加固体在其中的时间等各种因素对加固体强度的影响与影响机理方面[17-28]。Hara等[15]提出了指数函数形式的预测式，并与养护28 d后开始浸泡的水泥土劣化深度进行了对比；MIAO[29]提出了对数函数形式的预测式，预测结果与养护1 d后开始浸泡的水泥土劣化深度进行了对比。

图2 劣化问题的分类及其研究思路Fig.2 Classification of deterioration problems and research design

另一方面，在污染场地、滨海及盐渍化场地等腐蚀场地形成的加固体，其形成强度的同时即受到腐蚀介质的侵蚀，这类劣化问题属于第二类，如图2右侧所示。为了与实际情况相符，采用在加固体形成后不经标准养护立即使其与腐蚀环境接触的方式进行浸泡模拟。闫楠[30]分别提出了原土养护条件下和海水养护条件下的劣化深度预测式；杨俊杰等[31]研究了现场场地养护的滨海相软土水泥土的劣化深度随时间的演化规律并提出了水泥土劣化深度预测方法。

本文针对场地环境变化引起已有加固体的劣化问题，即第一类劣化问题，利用室内模拟试验，讨论水泥土劣化深度与浸泡时间的关系，显然这类劣化与水泥土初始强度(不同标准养护时间)有关，因此，本文同时讨论不同标准养护时间对劣化深度的影响，基于试验结果提出水泥土劣化深度预测方法。

2 试验概况

试验研究场地环境变化引起已有加固体的劣化问题，即水泥土形成时不含腐蚀介质，且经过一段时间后，腐蚀介质开始侵入。故原土采用高岭土并利用清水搅拌形成水泥土，标准养护一段时间后，使用人工海水进行浸泡。

2.1 试验材料

试验用土为高岭土，生产厂家是上海市奉贤奉城试剂厂，为商品用土，状态呈白色细粉末，部分有易碎的块，且有特殊的黏土味，加水湿润后即产生类似粘土的臭气，并变成深色。参照《土工试验方法标准》，测定高岭土基本物理性质，测试结果如表1所示。

试验用水泥为潍坊鲁元建材有限公司生产的42.5号普通硅酸盐水泥。

试验用海水由海水素人工调制而成。海水素由广州经济技术开发区益尔生物工程有限公司生产。人工海水的调制方法：按照每公斤海盐溶解于30 kg水的比例(海水素∶水为1∶30)充分搅拌溶解，待水清澈稳定后使用。所配置的海水无色无泡沫无沉淀，离子强度渗透压和缓冲容量与天然海水大致相同。

表1试验用土基本物理性质
Table 1 The basic physical properties of the soil

试验用土Soilinthetest塑限/%Plasticlimit17mm液限/%17mmliquidlimit塑性指数Plasticityindex初始含水量/%Initialmoisturecontent比重Specificgravity高岭土Kaolin33.272.138.90.22.70

2.2 试验技术路线和方案

试验技术路线如图3所示。制备水泥土试样，先在养护箱进行标准养护，达到设定养护时间后再进行海水浸泡养护，最后对达到设定浸泡时间后的试样实施微型贯入试验，确定劣化深度，讨论劣化深度的演化规律，最后提出劣化深度预测式。

图3 试验技术路线Fig.3 Technique route of test

微型贯入试验试样的制备方案如表2所示。

2.3 试验设备

图4为试验用设备，其中图4(a)为用于原土、水泥、水的混合搅拌机；图4(b)为制样搅拌机；图4(c)为微型贯入试验仪。

2.4 微型贯入试验试样的制备及养护

试样填筑在内径85 mm、内高为105 mm的500 mL塑料烧杯(见图5(a))内，烧杯平均内径是探头直径的25倍，故使用上述烧杯可以消除试样边界效应。整个试样制样时间控制在5 min之内。之后将试样放入养护箱进行标准养护(见图5(b))，养护温度为(20±2)℃,相对湿度为90%以上。标准养护至设定龄期后再放入到顶面直径180 mm，底面直径140 mm、高160 mm的塑料红桶内进行海水浸泡养护(见图5(c))。为防止水分蒸发，影响人工海水的浓度，在红桶顶部简单封一层塑料薄膜。海水浸泡初期，每隔7 d换一次海水，4次以后每隔1月换一次海水。最后海水浸泡养护至设定龄期进行微型贯入试验。

表2 试验方案一览表Table 2 List of testing program

图4 试验设备Fig.4 Test apparatus

3 微型贯入试验结果、劣化深度及其演化规律

3.1 微型贯入试验结果

图6为不同标准养护时间、不同海水浸泡时间的水泥土试样贯入阻力(N)与贯入深度(mm)的关系曲线。

图5 试验制备及养护Fig.5 Test preparation and maintenance

图6 微型贯入试验结果Fig.6 Micro penetration test results

由图6可知，与浸泡时间、标准养护时间无关，贯入阻力随贯入深度的变化趋势基本相同；标准养护时间越长，贯入阻力稳定时的值越大，说明标准养护时间与水泥土初始强度具有对应关系。

3.2 劣化深度

闫楠等根据劣化及未劣化试样贯入阻力曲线特征定义了劣化深度[32]如图7所示，劣化层包括贯入阻力为零的完全劣化层(深度为D1)和劣化过渡层(深度为D2)，劣化层的深度D即为劣化深度。

根据图3微型贯入试验曲线和劣化深度定义，可得本试验试样劣化深度，如表3所示。

图7 劣化深度定义Fig.7 Definition of deterioration depth

表3 试样劣化深度表Table 3 Sample deterioration depth table

Note:①Cement mixing content；②Curing period；③Deterioration depth；④Immersion

3.3 劣化深度演化规律

图8为同一浸泡时间、不同标准养护时间的水泥土劣化深度关系图。

图8 劣化深度与标准养护时间关系Fig.8 The relationship of depth and standard curing time

与浸泡时间无关，劣化深度随标准养护时间，即随水泥土初始强度的增大而减小；当水泥土初始强度较低时，劣化速度较快，但是，当标准养护时间超过28 d后，水泥土的劣化深度增加较慢，且趋于稳定，这是因为水泥土水化反应在28 d前较充分，之后强度增长较慢的缘故。

图9为同一标准养护时间，水泥土劣化深度随浸泡时间的变化情况。水泥土劣化深度随浸泡时间的增加而增大，浸泡前期劣化速度快，后期劣化速度降低。

4 场地环境变化引起的水泥土长期劣化深度预测

Hara等[15]提出了式(1)所示的指数函数预测式。

D=A×tB。

(1)

式中：D为劣化深度(mm)，t为劣化时间(年)，A、B为常数。Hara等取B为0.5，但给出A的物理意义较为复杂，缺乏实用性。MIAO[29]提出的对数函数如式(2)所示。

图9 劣化深度与浸泡时间关系Fig 9 The relationship between deterioration depth and immersion time

D=alnb-aln(t+b)。

(2)

式中：a，b为与水泥土掺入比相关的常数。

MIAO预测式中的参数确定方法针对性较强，使用时存在一定的不确定性。

综上所述，目前场地环境变化引起的水泥土长期劣化深度预测式，其中的待定参数或需通过试验数据拟合确定或难以确定，因此，预测式的预测功能较差。

本文提出与Hara等[15]形式相同，但可根据28 d劣化深度推测长期劣化深度的预测式，如式(3)所示。

(3)

式中：D为水泥土劣化深度(mm)，D28为28 d劣化深度(mm)，t为劣化时间(d)，A为待定常数。

图10为水泥土劣化深度预测结果与试验结果的对比情况。

图10中(a)、(b)、(c)、(d)分别为标准养护时间0、1、28、90 d，水泥土劣化深度预测结果与试验结果对比，对应的回归系数A分别为0.445 57、0.575 07、0.418 24、0.197 18，这一结果与腐蚀场地形成的水泥土劣化结果(A=0.5～0.7)[31]不同，表明水泥土的初始强度对劣化深度具有一定的影响，但是，影响规律有待进一步的数据积累。

图11为预测结果与Hara[15]试验结果对比。Hara采用Ariake 黏土，黏土含水量为237.2%，水泥掺量分别为每立方黏土50、70、100 kg，标准养护时间为28 d。得到的回归系数A为0.510 59。

图12为测结果与Miao[29]的试验结果的对比，Miao同样采用Ariake黏土，水泥掺入比为10%，试样标准养护1 d。得到的回归系数A为0.793 1。