温度变化对水泥土渗透特性影响试验*

2020-08-01陈四利倪春雷

沈阳工业大学学报 2020年4期

陈四利，李锋，侯芮，倪春雷

(1. 沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳 110870； 2. 青岛市建筑工务发展中心，山东青岛 266071)

近些年来，国内外学者对水泥土力学特性、渗透特性以及化学腐蚀等方面开展了相应的研究.如郝巨涛[3]、Consoli等[4]对水泥土的力学特性进行了试验研究；陈四利和宁宝宽等[5-9]研究了水泥土在冻融、污水以及化学腐蚀作用下水泥土的力学性能；在水泥土渗透特性方面，陈四利和杨雨林等[10-12]研究了污水环境对水泥土渗透性能的影响；庞文台等[13]研究了复合水泥土的抗渗性能；张雷等[14]研究了水泥掺量和龄期对水泥土渗透性的影响；袁伟[15]研究了海水环境对水泥土渗透性和强度的影响及机理.本文在此基础上，采用温度、渗流、应力及化学耦合三轴压缩试验系统(T-H-M-C)进行水泥土三轴压缩试验，分析在海水环境、清水环境、不同水泥掺量以及不同温度下水泥土渗透特性的变化规律，获得了有益的结果.

1 试验方案及试件制备

1.1 试验材料和试样制备

本文试验中水泥土所使用的土样性质指标如表1所示.水泥采用普通硅酸盐水泥(强度等级为42.5).

表1 土样的主要物理力学性质指标Tab.1 Main physical and mechanical performance indexes of soil

采用海水素与自来水1∶3.5的比例配制海水，用于模拟海水环境，经检测其配制的海水主要离子成分如表2所示，pH值为8.2～8.4.

表2 海水素的主要可溶盐离子Tab.2 Main soluble salt ions of manmade seawater (g·L-1)

水泥土试件中水泥掺量分别为12%、16%和20%，试验试件尺寸为φ37×72.5 mm，每组3个试件，共42组，制备126个试件.脱模后的试件分别放入海水和清水环境中养护90 d，试件及养护如图1所示.

图1 水泥土试件养护Fig.1 Curing of cemented soil specimens

1.2 试验方案

根据《水泥土配合比设计规程》(JGJT 233-2011)以及本试验的设想，进行水泥土试件三轴压缩渗透试验.本次试验采用温度、渗流、应力及化学耦合三轴压缩试验系统(T-H-M-C)，如图2所示.

图2 温度渗流应力化学耦合试验系统Fig.2 Temperature-transfusion-stress-chemistry coupling test system

在试验过程中，分别施加了0.4、0.6、0.8 MPa围压，对水泥掺量分别为12%、16%、20%的水泥土，将其温度分别设为5、10、15、20、25、30、35 ℃进行三轴压缩渗透试验，并分析温度、水泥掺量以及海水环境对水泥土渗透系数的影响.

1.3 渗透系数计算

本试验选用稳定渗流方法，具体步骤为：在试样渗透通道的上方向内部注水，下方与大气相通，并保持阀门处于开启状态，从而水泥土试件上下形成一个稳定的水头压力差.当试样内部的渗流趋于稳定且不随时间变化时，水泥土渗透系数计算公式为

(1)

式中：kT为水温T℃时的水泥土渗透系数；γw为水的重度；V为渗流过程中其时间间隔为t渗出的水量；h为水泥土试件高度；p为渗透压力；A为水泥土试件的横截面积；t为时间间隔.

根据《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233-2011)的要求，渗透试验时应以水温20 ℃为标准温度，其标准温度下的渗透系数为

(2)

式中：k20为试验时标准温度(水温为20 ℃)的渗透系数；η20为水温20 ℃时水的动力黏滞系数；ηT为水温T℃时水的动力黏滞系数.

2 试验结果及分析

2.1 常温下海水环境对渗透系数的影响

图3 不同水泥掺量下清水和海水环境对水泥土渗透系数的影响曲线Fig.3 Influence curves of clean water and seawater environments on permeability coefficient of cemented soil with different cement contents

2.2 清水环境下温度变化对渗透系数的影响

仅考虑围压为0.4 MPa的情况，在清水环境下，水泥土的渗透系数随温度的变化试验曲线如图4所示.试验结果表明，水泥土的渗透系数随温度的升高而逐步增大.对于5、10、15、20、25、30、35 ℃温度下，三种水泥掺量的水泥土渗透系数均呈线性增加，水泥掺量为12%、16%、20%所对应的水泥土渗透系数分别增加了2.35、1.93、1.71倍.渗透系数变化规律表明，同一温度下其水泥掺量越多，水泥土渗透系数越小；随着温度的增加，高水泥掺量的水泥土渗透系数的变化率明显低于低水泥掺量的水泥土渗透系数增加变化率.

图4 清水环境下水泥土渗透系数随温度变化曲线Fig.4 Variation of permeability coefficient of cemented soil with temperature in clean water environment

2.3 海水环境下温度变化对渗透系数的影响

对于围压为0.4 MPa的情况，在海水环境下水泥土渗透系数随温度变化规律如图5所示.试验结果表明，水泥土的渗透系数变化规律与清水环境下的水泥土渗透系数变化规律相似，水泥土的渗透系数随温度的增加而逐步增大.即随着温度从5 ℃升到35 ℃，水泥掺量为12%、16%、20%的水泥土渗透系数分别增加2.55、2.24、1.87倍，渗透系数变化规律表明，同一温度水泥掺量越高，其水泥土的渗透系数越小；在海水环境下，水泥土的渗透系数随温度增大的变化率大于清水环境下水泥土的渗透系数变化率.这主要是由于海水溶液中腐蚀性离子的作用，导致水泥土内部结构劣化，水泥土抗渗能力降低.

图5 海水环境下水泥土渗透系数随温度变化曲线Fig.5 Variation of permeability coefficient of cemented soil with temperature in seawater environment

2.4 不同环境下温度变化对渗透系数的影响

对于围压为0.4 MPa的情况，不同水泥掺量下的水泥土渗透系数随温度变化规律如图6所示.试验结果表明，在同一温度下，由于海水环境的侵蚀作用，水泥土在海水环境下的渗透系数大于清水环境下的渗透系数.对于5、10、15、20、25、30、35 ℃温度下，在海水环境下，水泥掺量分别为12%、16%、20%的水泥土渗透系数随温度增加分别增加了2.55、2.24、1.87倍，而清水环境下的水泥土渗透系数分别增加2.28、1.81、1.56倍.试验数据变化规律表明，无论是哪种水泥掺量，在海水环境或清水环境下，其水泥土的渗透系数随温度的增加而逐步增加，而且海水环境下水泥土的渗透系数均大于清水环境下的渗透系数.

图6 不同水泥掺量、不同环境下水泥土渗透系数随温度变化曲线Fig.6 Variation of permeability coefficient of cemented soil with temperature at different cement contents and in different environments