盐水与冻融耦合作用对玄武岩纤维水泥土性能影响研究

2021-12-16徐丽娜张润泽宋道涵金玉杰

硅酸盐通报 2021年11期

徐丽娜，张润泽，牛雷，宋道涵，金玉杰

(1.吉林建筑大学交通科学与工程学院，长春 130118；2.吉林建筑大学土木工程学院，长春 130118)

0 引言

水泥土因具有高强度、低渗透性等特点，在路基处理、边坡支护等工程中得到广泛应用，但水泥土所处的工程环境较为复杂，各类复杂环境对水泥土的力学性质有很大的影响[1-4]。因此，全面、深入地研究水泥土在复杂环境下的抗冻性和抗侵蚀能力具有重要的现实意义。

相关研究表明，在水泥土中添加各类纤维不仅可以改善水泥土的强度和韧性[5]，还可提高水泥土抵抗冻融破坏的能力[6-7]，改善冻融循环作用下水泥土的峰值应力和残余强度[8-9]。徐丽娜等[10]与马芹永等[11]发现，在水泥土中掺入1.0%～1.5%(质量分数)的玄武岩纤维可有效提高水泥土强度和抗冻性能。另外，许多学者对侵蚀环境下水泥土的力学性质进行了研究：傅小茜等[12]与刘鑫等[13]发现复杂环境对水泥土的侵蚀作用主要来自环境中的硫酸根与氯根；江国龙等[14]也发现不同钠盐对水泥土的腐蚀效果不同，其中硫酸钠对水泥土的腐蚀最为严重；张华杰等[15]认为水泥土的强度随所处环境中氯盐浓度的增加而减小；宁宝宽等[16-17]和闫楠等[18]通过试验得到了硫酸根与氯根对水泥土的侵蚀机理，并得出水泥土在侵蚀环境下受到物理与化学双重影响的结论；张经双等[19]通过水泥土氯盐与冻融循环耦合试验，提出了冻融腐蚀因子，并发现冻融腐蚀因子随着冻融循环次数和氯盐浓度的增加而逐渐减小；师莹琨等[20]通过试验发现，在水泥土中掺入适量的纤维，可增强其抵抗环境侵蚀的能力。由此可见，各种侵蚀环境对水泥土力学性能的影响不容小觑，而纤维的加入可有效提高水泥土的抗侵蚀能力。但目前对玄武岩纤维水泥土在盐水与冻融耦合作用下的力学性能研究还相对较少。因此，有必要开展相关试验，进而分析盐水与冻融耦合作用对玄武岩纤维水泥土的影响。

通过一系列的盐冻试验和无侧限抗压强度测试，分析养护温度、侵蚀环境、冻融循环作用下玄武岩纤维水泥土的力学特性和破坏机理，并采用Logistic生长模型，对不同环境下的水泥土试块的强度进行回归分析，为玄武岩纤维水泥土在季节性冻土区侵蚀环境下的应用提供一定的借鉴与参考。

1 实验

1.1 试验用土、水泥及纤维

土样取自吉林省长春市净月区某基坑，如图1所示，土样呈黄色，其液限为41.00%(质量分数)，塑限为25.00%(质量分数)，风干含水率为4.19%(质量分数)。采用PANalytical B.V.生产的X射线衍射仪(型号：Empyrean)对土样进行XRD分析，如图2所示，其主要矿物成分为石英、钠长石、钾长石。通过筛分法和比重计法测得土样粒径级配曲线(见图3)。

图1 试验用土照片Fig.1 Photo of test soil

图2 试验用土XRD谱Fig.2 XRD pattern of test soil

采用长春市亚泰集团生产的鼎鹿牌普通硅酸盐水泥，其基本性质如表1所示。采用海宁市安捷复合材料有限公司生产的玄武岩纤维(见图4)，其基本性质如表2所示，成分如表3所示。

图3 粒径分布曲线Fig.3 Grain size distribution curve

图4 玄武岩纤维表观照片Fig.4 Apparent photo of basalt fiber

表1 水泥基本性质Table 1 Basic properties of cement

表2 玄武岩纤维基本性质Table 2 Basic properties of basalt fiber

表3 玄武岩纤维成分Table 3 Composition of basalt fiber

1.2 溶液配置

采用天津市致远化学试剂有限公司生产的净含量为99%(质量分数)的无水硫酸钠(分析纯)粉末和天津市鼎盛化学试剂公司生产的净含量为95%(质量分数)的氯化钠(分析纯)粉末配置试验溶液，试验用水均为长春市政管网自来水，盐溶液的类型和浓度见表4。

表4 盐溶液的种类和浓度Table 4 Types and concentrations of salt solutions

1.3 试验方案

本试验共设计8组，其中添加了玄武岩纤维的水泥土试块组名后缀“(有)”，而未添加玄武岩纤维的水泥土试块组名后缀“(无)”，如“清水(有)”或“清水(无)”分别表示浸泡在清水环境中的玄武岩纤维水泥土和未添加纤维的水泥土。具体试验方案见表5。

表5 试验方案Table 5 Test program

1.4 试样制备

按照《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233—2011)中的要求制备试样，试样均为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试块。经过人工拌和—装模—振动后，在自然状态下养护1 d，然后洒水、覆盖塑料薄膜养护至3 d后拆模，随后将试块放入室温水中养护至28 d，具体制备过程如图5所示。

图5 试件制备流程图Fig.5 Flow chart of specimens preparation

1.5 试验方法

1.5.1 盐冻试验

将完成养护的试块分别放入清水、NaCl溶液、Na2SO4溶液、NaCl+Na2SO4混合溶液中浸泡4 d。然后将试块放入-18 ℃环境下冻结24 h，再放置于相应的溶液中解冻24 h，此过程为一次盐冻循环。每组设置6次冻融循环，并在0次、2次、3次、4次、5次、6次后进行表观观察、称重及无侧限抗压强度试验。

1.5.2 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度使用长春科新试验仪器有限公司生产的微电脑伺服万能试验机WAW-600(见图6)进行测试，采用位移匀速控制，加载速度为0.1 mm·s-1。无侧限抗压强度数据采集由与WAW-600型万能试验机匹配的自动采集系统完成，采集数据包括荷载和位移。

2 结果与讨论

2.1 质量损失率

盐冻循环后，水泥土的损伤情况可由水泥土质量损失率反映，每次盐冻循环后，各试块的质量损失率可按式(1)计算。

(1)

式中：ΔMn为n次盐冻循环后水泥土试块的质量损失率，%；Mn为n次盐冻循环后水泥土试块的质量，g；M0为未经盐冻循环的水泥土试块的初始质量，g。

图7为不同盐冻循环下水泥土的质量损失率。经过2次盐冻循环后，除清水(无)外，所有未添加纤维的水泥土试块均发生破坏，故没有对其质量损失率进行研究。由图7可知:随着冻融循环次数的增加，处于Na2SO4溶液(有)中的试块质量损失率快速增加；处于NaCl+Na2SO4混合溶液(有)中的试块的质量损失率总体呈现先减后增的现象；而NaCl溶液(有)中的试块质量损失率始终小于0%且呈线性降低，说明其质量在不断增加；清水中的试块，无论是否添加纤维，其质量损失率均无明显变化。

在盐冻过程中随着试块表面裂隙的增多和内部结构的破坏，溶液会逐渐进入到试块内部，导致试块质量增加，同时，试块裂隙不断发展，会出现掉块与表面脱落的现象，这会导致试块质量减少，两者共同决定了水泥土试块的质量损失率。当前者占主导地位时，试块质量损失率减小，当后者占主导地位时，试块的质量损失率增加。

NaCl溶液(有)中的试块没有明显的被腐蚀、掉块和表面脱落等现象，故随着盐冻循环次数的增加，试块的质量不断增加，质量损失率持续降低。而在NaCl+Na2SO4混合溶液(有)、Na2SO4溶液(有)中的试块由于受到了严重的腐蚀作用，表面脱落严重，质量不断降低，质量损失率也持续提高。在清水(有)中的试块外部均未产生明显裂纹，整体基本完好，故质量损失率无明显变化。

图6 微控电液伺服万能试验机Fig.6 Micro-control elector-hydraulic servo universal testing machine

图7 质量损失率与冻融次数之间关系Fig.7 Relationship between quality loss rate and number of freezing-thawing cycles

2.2 表观形态

图8为经过2次冻融循环后不同盐溶液中试块表观状态对比照片。由图8可见：对于未添加纤维的水泥土来说，处在所有盐溶液中的试块均发生不同程度的破坏，产生了贯通性的裂缝，出现脱落、掉块现象，几乎失去承载能力；清水环境中的水泥土表面只出现少量裂纹，裂纹尚未贯通；而对于添加玄武岩纤维的水泥土来说，整体较为完整，这说明加入玄武岩纤维能有效提高水泥土的抗盐冻性能。

2.3 机理分析

图9是经过2次冻融循环后，NaCl溶液(有)和Na2SO4溶液(有)中试块破坏形态照片。由图9可知，NaCl溶液(有)中的水泥土试块表面较为平整，但存在平直的贯穿性裂纹。这是由于NaCl溶液进入水泥土内部，在反复冻融循环作用下，内部孔隙逐渐扩大，逐渐形成贯通的裂缝。同时，NaCl溶液中存在大量氯离子和钠离子，氯离子与Ca(OH)2易于产生化学交换反应，生成易溶于水的CaCl2，这使得水泥土内部水化产物C-S-H减少，内部结构松散。同时钠离子在水泥土内部以游离态存在，水泥土颗粒表面带有负电荷，由于电荷作用钠离子吸附于水泥土颗粒表面，阻断了水泥土内部水化反应的继续进行[19]。

图8 试块在不同情况下的表观状态Fig.8 Apparent state of specimens under different conditions

图9 试块破坏形态与析出物质Fig.9 Specimens damage patterns and precipitated materials

3 参数分析

3.1 低温养护的影响

图10为长春地区九月份与十月份气温对比图。由图10可知，九月每日气温与十月每日气温相差4.5～13.5 ℃，平均温差为7.5 ℃。图11是九月份养护的试块(常温养护)和十月份养护的试块(低温养护)在冻融循环作用下的强度对比图。由图11可知，在冻融循环次数为0～5次时，二者的强度差值分别为0.33 MPa、0.84 MPa、0.87 MPa、0.85 MPa、0.63 MPa，这说明低温养护下的水泥土试块强度较低，在冻融循环作用下强度衰减较大。这主要是由于在相同的养护龄期下，低温环境使水泥的水化反应未充分完成，强度较低，在冻融作用下，加速了水泥土的破坏。

图10 长春市九月与十月气温对比图Fig.10 Comparison of temperature in September and October in Changchun

图11 冻融循环作用下低温与常温养护的水泥土试块强度对比图Fig.11 Strength comparison of specimens under freezing-thawing cycles cured in low temperature and normal temperature

3.2 纤维的影响

3.2.1 纤维影响下的强度比值

为研究玄武岩纤维对水泥土抗冻性的影响，在此引入纤维影响强度比值的概念，试块的强度比值按公式(2)计算。

(2)

式中：α为纤维影响强度比值；ih,n为清水环境下第n次盐冻循环后玄武岩纤维水泥土的无侧限抗压强度；iu,n为清水环境下第n次盐冻循环后未添加玄武岩纤维的水泥土的无侧限抗压强度。

图12为纤维影响强度比值随冻融循环次数的变化规律。由图12可知，所有强度比值始终大于1，说明在同一盐冻循环次数下，添加纤维的水泥土强度始终高于未添加纤维的水泥土强度。随着冻融次数的增加，强度比值呈现出先增后减的现象。在前5次冻融循环中，强度比值逐渐增加，这主要是水泥土中添加的纤维起到了加筋的作用，降低了裂纹的扩展速度；另一方面，纤维在一定程度上填充了试块的孔隙，使溶液无法快速进入试块内部孔隙，减弱了冻胀问题对试块造成的破坏。而未添加纤维的水泥土在冻融循环作用下强度下降较快，因此强度比值变大。但是这种强度比值不是无限增长的，随着冻融循环次数的增加，当纤维水泥土内部结构逐渐破坏，强度比值就会减小。

3.2.2 应力-应变曲线

图13为清水环境中玄武岩纤维水泥土试块和未添加纤维的水泥土试块经过6次冻融循环后的应力-应变关系图，由图13可知，相较于未添加玄武岩纤维的水泥土，玄武岩纤维水泥土的峰值强度有所提高，两者的峰值强度相差387.6 kPa，玄武岩纤维水泥土的峰值强度对应的应变为1.02%，未添加纤维的水泥土的峰值强度对应的应变为0.49%，这说明加入玄武岩纤维能够提高水泥土的韧性和峰值强度。

图12 纤维影响强度比值随冻融循环次数的变化规律Fig.12 Variation of strength ratio affected by fiber with number of freezing-thawing cycles

图13 应力-应变关系曲线(清水环境，6次循环)Fig.13 Relationship between stress and strain (6 cycles in water)

3.3 侵蚀环境的影响

3.3.1 环境影响下的强度比值

为探究侵蚀环境对玄武岩纤维水泥土的影响，引入环境影响强度比值ϑ，即在第n次冻融循环后，清水环境中的试件峰值强度与不同环境中试件峰值强度的比值，强度比值按式(3)计算。

(3)

式中：ϑ为第n次冻融循环后，清水环境中的试块无侧限抗压强度与不同环境中试块无侧限抗压强度的比值；iw,n为第n次冻融循环后清水环境中的试块无侧限抗压强度，ie,n为第n次冻融循环后不同盐水环境中的试块无侧限抗压强度。

图14为根据式(3)计算的不同盐冻循环下的环境影响强度比值。结果表明：环境影响下的强度比值均大于1，说明3种盐环境对试块的侵蚀作用均大于清水环境；在相同的冻融次数下，Na2SO4溶液(有)中的试块强度比值最大，说明试块的强度损失最大，其次为NaCl+Na2SO4混合溶液(有)中的试块，最后为NaCl溶液(有)中的试块，这也代表着3种盐水溶液与冻融耦合作用对纤维水泥土的侵蚀能力有很大差异。

图14 环境影响强度比值与冻融循环次数之间的关系Fig.14 Relationship between strength ratio affected by environment and number of freezing-thawing cycles

图15 玄武岩纤维水泥土应力-应变曲线(3次循环)Fig.15 Stress-strain curves of basalt fiber reinforced cemented soil (3 cycles)

3.3.2 应力-应变关系

图15是玄武岩纤维水泥土经过第3次盐冻后的应力-应变关系曲线。从图15可以看出，与清水环境相比，在NaCl(有)、Na2SO4(有)、NaCl+Na2SO4(有)混合溶液中的玄武岩纤维水泥土试块峰值强度分别下降了59.86%、70.63%和76.74%，同时，峰值应力所对应的应变也有不同程度的增加，达到峰值后应力缓慢下降，整体呈现延性破坏。

3.4 冻融循环次数的影响

不同盐冻循环次数下试块无侧限抗压强度与强度损失率如表6所示。

表6 不同盐冻循环次数和不同环境下水泥土无侧限抗压强度及强度损失率Table 6 Unconfined compressive strength and strength loss rate of cemented soil under different number of freezing-thawing cycles and environments

NaCl(无)、Na2SO4(无)、NaCl+Na2SO4混合溶液(无)3组试样均在第2次盐冻循环后全部被破坏，这说明未添加玄武岩纤维的水泥土抗盐冻能力较差。经过6次冻融循环后，清水(有)中的玄武岩纤维水泥土试块强度由2.27 MPa下降到0.88 MPa(降低61.2%)，而未添加纤维的试块强度由2.11 MPa下降到0.57 MPa(降低73.0%)，NaCl溶液(有)中玄武岩纤维水泥土试块强度由2.13 MPa下降到0.41 MPa(降低80.8%)。在第3次冻融循环后，Na2SO4溶液(有)中玄武岩纤维水泥土试块强度由1.92 MPa下降到0.26 MPa(降低86.5%)，而NaCl+Na2SO4混合溶液(有)中玄武岩纤维水泥土试块强度由2.17 MPa下降到0.37 MPa(下降82.9%)，且两者均在第4次冻融后被破坏失去承载力。

4 基于Logistic生长模型的水泥土强度衰减特性研究

在盐冻循环过程中，玄武岩纤维水泥土的强度均出现不同程度的下降。为了寻求一种回归分析模型对盐冻环境下玄武岩纤维水泥土的强度变化进行研究，通过量化玄武岩纤维水泥土的强度下降速率和程度，进而对不同环境下水泥土强度衰减特性进行深入探讨。

4.1 Logistic生长模型

本文选用Logistic阻滞增长模型对玄武岩纤维水泥土在盐冻循环作用下的强度做出预测，此模型在人口增长、材料性能衰减等方面得到了广泛的运用。Logistic阻滞增长模型的形式如公式(4)所示。

(4)

式中：y为随着冻融次数增加，试块的预测强度；A1为冻融循环为0次时的原始强度；A2为强度最终预期值；x0为数据拐点；n为冻融循环次数；p为模型参数，表示抵抗冻融循环的能力，文中用1/p表示强度的衰减速率。

4.2 基于Logistic生长模型的强度衰减模型的建立

由于Na2SO4溶液(有)与NaCl+Na2SO4混合溶液(有)中的玄武岩纤维试块在经过3次盐冻循环后就发生破坏，故本文仅对清水中的所有试块、NaCl溶液(有)中的玄武岩纤维水泥土试块进行趋势分析，分析结果如图16所示。

图16 不同环境下的Logistic强度衰减模型 (R2为决定系数)Fig.16 Logistic intensity decay model in different environments (R2 is cofficient of determination)

当A1>0，A1-A2>0，x0>0，p>0时，该模型呈现出的规律与基本的Logistic生长模型一致：y随着n的增大迅速减小，在到达拐点x0后，强度值缓慢减小为A2，之后不再减小。用于无侧限抗压强度的推演，在模型中的时间趋于无限大的时候，无侧限抗压强度y取最小值A2，即强度的最低值。

采用origin软件对3种不同环境下的纤维水泥土的试验数据进行处理，主要步骤包括：选择模型，定义模型，输入参数初始值，设置约束条件，迭代、输出数据，分析数据。

根据上述步骤可以得到3种情况的衰减模型，其计算数据、模型参数及显著性分别如表7、表8、表9所示。

根据origin软件分析，3种不同强度衰减模型的拟合参数及方法如表10所示。由表10可以看出，3种模型的决定系数R2分别为0.994、0.984、0.981，具有较高的预测精度，因此运用Logistic生长模型来预测不同环境下的水泥土强度衰减模型是合理的。

表7 氯盐环境下玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度回归模型参数和显著性分析结果Table 7 Regression model parameters and significance analysis results of unconfined compressive strength of basalt fiber reinforced cemented soil in chloride environment

表8 清水环境下玄武岩纤维水泥无侧限抗压强度回归模型参数和显著性分析结果Table 8 Regression model parameters and significance analysis results of unconfined compressive strength of basalt fiber reinforced cemented soil in clear water environment

表9 清水环境下未添加纤维水泥土无侧限抗压强度回归模型参数和显著性分析结果Table 9 Regression model parameters and significance analysis results of unconfined compressive strength of cemented soil without fiber in clear water environment

在模拟的模型中，A2为强度的最终预期值，x0为拐点所在位置，1/p为拐点之后的强度衰减速率。由表10可知，3种情况下的衰减模型的拐点均小于2，故可以认为在2次冻融循环之后，所有环境下的强度衰减速率均为1/p这一数值。即在2次冻融循环后，氯盐(有)、清水(无)、清水(有)三者的强度衰减速率分别为 0.541、0.369、0.333，这一数值越大，拐点值后的强度衰减也就越快。同时可以看到三者预期强度A2分别为0.33 MPa、0.48 MPa、1.00 MPa，以上的预测数据也证明了添加玄武岩纤维可以有效提高水泥土的抗冻性与抗腐蚀性。