水泥固化多离子污染红黏土强度特性试验研究

秦修云

摘要：水泥固化土作为一种常见加固地基的方法，广泛用于地基工程和道路工程，但水泥固化红黏土受到多种离子污染后，会导致土的强度特性发生改变。针对这一问题，文章通过无侧限强度试验测试了多离子耦合作用下水泥固化红黏土强度的变化规律。试验结果表明：养护初期Cl-和Mg2+會降低水泥固化红黏土的强度，而SO2-4离子可以提升水泥固化红黏土的无侧限强度;水泥固化土的强度随着污染性离子含量的升高而下降。

关键词：水泥固化;红黏土;污染离子;强度特性

中国分类号：U416.03文章标识码：A090344

0 引言

水泥固化作为一种常见加固软弱地基和路基的施工方法，具有施工简便、性能好、造价低廉等优点，已广泛应用于国内外许多工程[1]。关于水泥固化地基和路基的承载性能，很多学者已进行了大量研究，黄伟等[2-4]通过室内试验测试了水泥固化土的力学强度，刘之葵等[5-6]研究了添加矿物成分对水泥固化土强度的影响。

但是随着近年来部分地区土地污染情况频发，许多施工场地的土体中包含许多污染性离子，如镁、锌、硫、氯等。污染性离子的存在不仅改变了土壤本身的力学性质，同时也会对改善水泥固化土强度的效果产生一定影响[7]。就广西而言，刘新等[8]研究了不同离子水泥固化土的力学性能，发现含污染性离子的土与普通土的力学性能差别很大;Liang等[9]通过微观的角度解释了水泥固化普通土和水泥固化含盐土的结构存在不同;韩鹏举等[10]研究了水泥固化土过程中，镁离子对水泥胶凝速度的影响，并指出镁离子会改变水泥固化土的孔隙率;Saeed等[11-12]从化学组成角度分析了污染性离子对水泥水化过程产生的影响，并指出污染性离子的存在会抑制水泥水化物的形成速度。这些研究虽然对含离子的水泥固化土进行了研究，但多数是针对粉土、高岭土和膨润土，而以红黏土为研究对象的文献并不多见，或仅对单一离子进行研究[13]。因此，有必要开展多种污染离子耦合作用下水泥固化红黏土的力学特性的相关研究。本研究自制包含不同浓度Mg2+、SO2-4和Cl-水泥红黏土试样进行无侧限强度试验，并进行X射线衍射测试获取污染性离子作用下水泥加固红黏土的化学组成，从而解释污染性离子对水泥土强度作用的机理，为相关工程提供参考。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验选用南宁某工地施工现场的红黏土，采样深度约为3 m，土样黏性较高，因含水率较高整体呈红褐色。测得其天然含水率为32.3%，最大干密度为1.53 g/cm3，塑性指数为43.5。固化红黏土的水泥选用P·O42.5普通硅酸盐水泥，试验用水采用蒸馏水。

为了模拟不同污染性离子对水泥固化红黏土的影响程度，选用Mg（HCO3）2、NaCl和Na2SO4三种试剂按预先设定好的比例掺入土中分别用于模拟Mg2+、SO2-4和Cl-三种污染性离子，试剂纯度为化学纯。

1.2 试验设计

取回的土样先经过天然晾晒后再通过重碾进行碾压，随后去除土体中的大颗粒和石子后，放入烘箱中烘至干燥，取出后冷却至室温备用。参考前人试验中对水泥固化红黏土的制作方法[5，14]，本次试验中掺入土样质量为20%的水泥制作水泥固化红黏土。

为了全面测试出单种离子以及多种离子耦合作用下水泥固化红黏土强度特性的变化规律，试样分为两组，一组为试样中只包含单一污染离子，另一组试样包含多种污染性离子，试样中具体污染性离子掺量如表1所示，其中W0组为不添加任何污染性离子的水泥土对照组试样。试样为直径39.1 mm、高80 mm的圆柱体，制样时首先称重适量的水泥和红黏土并充分拌和，随后分三次加入到制样器中，每次加入土体后进行击实，在加入下一层土体前对上表面的土样刮毛处理以保证加载时试样不会从连接处断开。制样完毕后放入水中真空饱和24 h，为研究不同养护时间对水泥固化土强度特性的影响，养护时间设置为3 d、7 d、14 d，每种配比和养护龄期的试样制作3个，加载后取其平均值作为最终试验结果，加载速率为1 mm/min。

2 试验结果与分析

2.1 单种离子对强度的影响

为对比不同污染性离子对水泥固化土无侧限强度的影响，选用离子含量为0.1 mol/kg的A1、B1、C1三组试样和对照组W0的试验结果绘制如图1所示。从图中可以看出在加载初期，应力随着应变的增加而增加，呈线性上升趋势，当试样的应变发展到1%～1.2%时，试样出现应力峰值点并发生破坏。当养护时间为3 d时，含SO2-4试样的峰值无侧限强度高于其他三组试样。可见，在养护初期，SO2-4对于水泥固化红黏土的强度有一定增强作用。而A1、B1两组含污染性离子的试样其抗压强度弱于不含任何污染离子的试样W0，可见Cl-和Mg2+对红黏土水泥固化的过程存在一定的抑制作用。

虽然4组试样在3 d时的峰值无侧限强度有所差别，但是差距并不是很大，这是因为养护3 d时，土体中的水泥并没有完全完成水化反应，此时的试样强度大部分体现的是污染性离子对土体本身强度的影响，而对于水泥固化反应的影响并没有完全体现出来，所以各试样之间的差别相对较小。

随着养护时间的增长，污染性离子对水泥固化土的强度影响也不断发生变化，下页图2为不同养护时长下污染性离子对水泥固化土无侧限强度的影响程度曲线。从图中可以看出随着养护时间的增加，三组试样的无侧限强度都出现了不同程度的增长，但变化规律并不完全一致。对于含Mg2+的试样，当污染性离子含量从0.1 mol/kg增加到0.2 mol/kg时，试样的14 d无侧限强度下降了约0.28 MPa;而当试样中的污染性离子含量从0.2 mol/kg增加到0.3 mol/kg后，试样的14 d无侧限强度降低了1.15 MPa。可见Mg2+对于水泥土的固化过程有很大的抑制作用。分析其原因主要是因为Mg2+会与水泥灰在遇水混合后发生化学反应，降低水泥的胶凝作用，随着Mg（HCO3）2掺量的增加，部分Mg（HCO3）2并没有与水泥材料发生反应，而是残留在土壤中，当土壤的含水量降低后，由于Mg（HCO3）2的溶解率较低，会析出并以晶体颗粒的形式夹杂在土壤中，这样一来水泥土原有的胶凝结构被破坏，在加载过程中会更容易产生裂隙，导致水泥固化红黏土的强度出现明显降低。另外这也反映出污染性离子的含量对水泥固化土无侧限强度影响很大，水泥固化土的无侧限强度随着离子含量的升高呈现出不同程度的降低，其中Mg2+的影响程度最为明显，Cl-影响的程度最小。

从图2（b）中可以看出随着养护时间的增加，含Cl-水泥固化土的无侧限强度一直小于不含任何离子试样的，当养护龄期为14 d时，试样B1与W0的无侧限强度相差0.22 MPa，试样B2与W0相差0.67 MPa，可见相差幅度并不是很大，说明Cl-对水泥固化过程并没有明显影响，即Cl-与水泥中的成分表现出惰性性质。

从图2（c）中可以看出，含SO2-4污染离子的水泥固化土的强度变化规律与其他两种离子并不相同，SO2-4离子在早期体现出了对水泥固化土无侧限强度加强的趋势，但是在3 d之后，含SO2-4试样的强度开始低于W0组。这主要是由于SO2-4会与水泥中的Ca2+发生反应生成石膏（CaSO4·H2O），而石膏是一种速凝材料，在几小时内就能完全达到终凝。在养护3 d时，水泥的水化反应还没有发挥完全，但是石膏的强度已经达到最终强度。所以含有SO2-4离子的水泥固化红黏土前期强度增长更为快速。

此外，养护时间的不同对水泥固化红黏土的加载破坏方式也有所差别，养护时间为3 d的试样其加载破坏方式一般为斜向剪切破坏，破坏角度与土体的内摩擦角接近，这表明养护3 d时水泥的水化反应并没有发挥完全，土体的无侧限强度更多是通过土体本身的抗剪强度去分担。而养护7 d的试样其破坏形式主要为沿上部或下部圆顶面的劈裂破坏，破坏形态与混凝土材料相似，说明在养护7 d时水泥灰大部分已经发生水化反应，形成了足够多的胶凝物质，改变了试样的破坏方式。

2.2 多离子耦合对强度的影响

实際环境中，一般是多种离子共同存在，所以有必要研究多离子耦合作用对水泥固化土强度的影响。图3为MIX1、MIX2、MIX3三组试样的强度随时间变化的规律。从图中可以看出当养护时间较短时（3 d内），MIX3组的无侧限强度高于W0组，而其余两组的强度小于W0组。这可能是由于MIX3组中的SO2-4离子的浓度较高，在养护过程中与C1、C2组一样发生早强作用，而且在初期其余污染性离子的负面作用还没有全面体现，所以这类多离子耦合作用的水泥固化土强度变化规律在养护早期与含SO2-4的试样更为接近。

图4为不同污染性离子含量试验组14 d无侧限强度对比，W0组的14 d平均无侧限强度为4.50 MPa，而无论是含有单种污染性离子还是含有多种污染性离子的水泥固化红黏土的14 d强度均无法达到4.50 MPa，所以污染性离子的存在对红黏土的水泥固化效果都表现出一定的抑制作用。需要注意的是，MIX1组其14 d强度较W0组低了1.12 MPa，而M2组中虽然包含了三种离子，但是由于各类离子的浓度不同，其无侧限强度只比W0组低0.32 MPa。可见，多种离子共存时并不会叠加性地降低水泥的固化强度，反而有些离子共存时还会适当降低污染性离子对水泥固化效果的负面影响。

探究其机理，是因为污染性离子中的SO2-4也会与水泥灰发生反应，形成新的水化物。这些反应会消耗水化过程产生的部分Ca（OH）2，减少了胶凝材料C-S-H和C-A-H的生成量，从而降低了水泥固化土的强度。而对于SO2-4与Ca（OH）2生成的石膏，虽然在养护初期可以起到胶结作用，但是长期养护后石膏材料的无侧限强度不如水泥，所以同样会导致水泥固化红黏土无侧限强度的下降。

3 结语

（1）当养护时间<3 d时，SO2-4可以提升水泥固化红黏土的无侧限强度，而Cl-和Mg2+会降低水泥红黏土的强度，当养护时间>3 d时，3种离子都会对水泥红黏土的无侧限强度产生负面作用。

（2）土壤中污染性离子的含量对水泥红黏土无侧限强度有一定影响，其强度随着离子浓度的升高呈现下降趋势，其中Mg2+的影响幅度最大，SO2-4次之，Cl-的影响幅度最小。

（3）水泥中的Ca（OH）2与污染性离子中的镁离子反应生成了M-S-H和M-A-H等物质，从而减少了C-S-H和C-A-H的形成，降低了土颗粒之间的胶凝作用。Ca（OH）2与SO2-4生成CaSO4，可以增加水泥固化红黏土的初期强度，但CaSO4的终凝强度低于水泥，导致了其后期强度不如普通水泥土。

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