碳化过程对水泥土力学特性影响的研究与评价

王伟，周航，李健，李娜

(绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000）

目前，我国长三角和珠三角等沿海地区分布着大面积的软土。软土具有孔隙率高，承载力和渗透能力较低[1]等诸多不良的工程特性，严重制约了铁路和公路等交通设施的发展。为了改善软土的承载力，常常使用水泥、石灰等胶凝材料对软土进行改良[2]。吕国仁等[3]采用水泥土对沿海地区软土进行加固，发现水泥掺量为16%时，水泥土搅拌桩的强度超过了设计要求1.3 MPa。秦世伟等[4]对水泥改性淤泥质软土进行了无侧限抗压强度试验，发现水泥掺量小于12%时，随着水泥掺量的增加，水养试样强度增长幅度大于土养试样。周丽萍等[5]通过无侧限抗压强度测试，发现水泥土强度随着水泥掺量的增加而增加，当掺量大于20%时，强度增长率明显减小，二者较好符合二次抛物线关系。而水泥在生产过程中，产生的CO2占人为产生CO2总量的5%～7%[6-7]。因此，为了减少CO2的排放，亟需寻找一种合适的方法在保证强度的同时，减少水泥的使用。碳化加固技术是在水泥基材料中通入一定量的CO2，既可以吸收大量的CO2，又可以通过碳化反应降低材料的孔隙率，提高其强度，减少水泥的使用。ZHAN等[8]对再生混凝土集料进行碳化处理，发现集料的表面生成大量CaCO3沉淀，导致再生混凝土的ITZ孔隙率减小，强度增加。李秋义等[9]对再生混凝土的ITZ进行研究，发现碳化28 d后，老骨料-新浆体和老骨料-老浆体的显微硬度增加、宽度减小；而老浆体-新浆体的显微硬度不变、宽度减小。综上所述，碳化加固的研究主要集中在混凝土方面，而在水泥土中的应用较少。因此，本文对碳化水泥土进行无侧限抗压强度试验。从水泥土的强度、延性和抵抗外部破坏等方面，探究在水泥掺量和碳化时间对水泥土的影响。

1 试验材料与准备

1.1 试验材料

试验所用的材料包括路基软土、水和水泥。路基软土取自浙江绍兴地区，主要物理指标如表1所示。水泥是绍兴柯桥第三水泥有限公司生产的古越牌P.C 42.5复合硅酸盐水泥，主要性能指标如表2所示。

表1 路基土基本物理指标Table 1 Basic physical indexes of subgrade soil

表2 水泥物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of cement

1.2 试验方案

依据水泥掺量和碳化时间不同将试样分为20组，每组试样的含水率为80%，养护龄期为7 d，材料的配合比和碳化时间如表3所示。为了减小随机误差和数据离散性，每组试样进行5次重复试验。

表3 CS配合比和碳化时间设计Table 3 CS mix proportion and carbonation time design

1.3 试样制作与养护

1)土样准备。将路基土在水中浸泡7 d，呈淤泥状后，通过直径为2 mm的筛，去除土中的大颗粒杂质。

2)含水率测定。将筛分后的路基土静置2～3周后，取出少量的土样测量含水率。

3)试样拌和。按试验方案中材料的配合比称取适量的湿土、水和水泥，然后将其放入搅拌器中搅拌5 min。

4)试样制作。将搅拌后的混合物分3次倒入直径为39.1 mm，高度为80 mm的圆柱形模具中，每次倒入后振动模具。制样完成后静置2 h，用刮土刀将表面刮平，然后用滤纸包裹后放入水中。

5)试样养护。试样的含水率较高，难以成型，因此需要浸水养护3 d后脱模。然后将其放入标准养护箱或碳化养护箱中继续养护。参考《JG/T 247—2009混凝土碳化试验箱》[10]，设置CO2浓度范围为20±3%。养护方式和条件如图1和表4所示，浸水养护如图2所示。

图1 养护方式Fig.1 Maintenance method

图2 浸水养护Fig.2 Immersion curing

表4 养护条件Table 4 Maintenance conditions

1.4 试验设备

无侧限试验所采用的仪器是由南京泰克奥科技有限公司生产的TKA-WXY-1F型全自动无侧限压力仪。试验时设置仪器的加载速率为1 mm/min。根据《GB/T 50123—2019土工试验标准》[11]，轴向应力出现峰值后，再进行3%～5%应变值即可停止试验。

2 无侧限数据分析

2.1 曲线归一化

在测试过程中，对表3中的每组试样进行5次重复试验以降低试验误差。如何从5组测试结果中选取1组值来代表该试样的试验结果就尤为关键。本文在龙宏波等[12]研究的基础上，提出一种改进后的归一化方法对应力应变曲线进行归一化处理[13]。方法如下所示。

1)确定每个峰值应力的偏差Δσi：

其中：σˉ为峰值应力平均值。

2)确定峰值应力的方差h：

3)确定每个峰值应力的初始权重pi。为了保证pi在[0,1]之间，引入峰值应力偏差最大值Δσimax计算每个峰值应力的初始权重：

4)确定权重映射函数f(x)。上式中峰值应力偏差越大，其权重也越大，因此需要通过映射函数对权重进行赋值。映射函数如式(5)所示。函数单调递减，可以满足Δσi越大，转换后的权重越小。

5)确定每个峰值应力的转换后的权重mi：

6)确定每个峰值应力的加权因子ni：

7)确定峰值应力的标准值σ：

以CS-10-1 d的5条曲线为例，通过以上方法对其进行加权。得到5条曲线和标准曲线如图3所示。从图中可以看出，标准曲线与原有的5条曲线吻合较好。

图3 CS-10-1 d标准曲线Fig.3 CS-10-1 d standard curves

2.2 标准应力应变曲线

CS标准应力应变曲线如图4所示。

图4 CS标准应力应变曲线Fig.4 Standard curves of CS

3 抗压强度分析

3.1 水泥掺量对抗压强度的影响

取标准曲线的峰值应力为试样的抗压强度，不同水泥掺量的CS抗压强度如图5所示。从图中可以看出，在相同的碳化时间下，CS的抗压强度随着水泥掺量的增加而增加。

图5 不同水泥掺量的CS抗压强度Fig.5 Strength of CS with different cement contents

掺入过量的水泥会造成成本增加和资源浪费。因此在保证CS具有较高的抗压强度的同时，尽量减少水泥的使用。其他水泥掺量的CS抗压强度与10%水泥掺量CS相比，增长率如图6所示。

由图6可知，当碳化时间分别为0，1和4 d，CS强度增长率曲线的斜率随着水泥掺量的增加而逐渐减小，即抗压强度增长率的提升幅度逐渐减小。当水泥掺量从20%增加到25%时，减小的趋势尤为明显。因此20%是水泥的最佳掺量。

图6 CS抗压强度增长率Fig.6 Compressive strength growth rate of CS

3.2 碳化时间对抗压强度的影响

不同碳化时间的CS抗压强度如图7所示。

由图7可知，在相同水泥掺量下，CS的抗压强度随着碳化时间的增加先增加后减小。水泥掺量为10%，15%，20%和25%时，CS-10-2 d，CS-15-2 d，CS-20-1 d和CS-25-6 h的抗压强度最大，分别为347.3，507.3，544.9和629.9 kPa，较CS-10-0，CS-15-0，CS-20-0和CS-25-0分 别 提 高 了171.2%，97.0%，52.5%和51.1%。以上数据表明，最佳碳化时间下，CS的抗压强度提高幅度随着水泥掺量的增加而减小。

图7 不同碳化时间的CS抗压强度Fig.7 Compressive strength of CS with different carbonization time

碳化时间对CS抗压强度作用机理是碳化时间小于2 d时，随着碳化时间的增加，碳化生成碳酸盐沉淀逐渐填充CS内部的孔隙，并连接土颗粒形成骨架结构，使得CS内部结构更加致密，抗压强度逐渐提高；碳化时间大于2 d时，随着碳化时间的增加，碳化作用生成的碳酸盐沉淀过多，体积逐渐超过CS孔隙的体积，并挤压周围土体，导致CS内部结构胶结被破坏，抗压强度减小[14-15]。

4 延性分析

取标准曲线的峰值应力对应的应变为试样峰值应变。峰值应变能够较好地反映试样的延性特征，试样的峰值应变越大，其延性也越大。不同碳化时间的CS峰值应变如图8所示。

由图8可知，当水泥掺量为10%和15%时，CS的峰值应变随着碳化时间的增加先增加后减小。CS-10-2 d和CS-15-2 d的峰值应变达到最大，分别为6.9%和5.6%。当水泥掺量为20%和25%时，CS的峰值应变随着碳化时间的增加而增加，但碳化时间从2 d增加到4 d时，CS峰值应变之间的差值分别只有0.1%和0.2%，可以忽略。因此CS-20-2 d和CS-25-2 d峰值应变提高最显著，分别为6.1%和6.0%。以上数据表明，在不同水泥掺量下，碳化2 d能够较好地提高CS的延性。

图8 不同碳化时间的CS峰值应变Fig.8 Peak strain of CS with different carbonization times

碳化时间对CS峰值应变的作用机理与对抗压强度的作用机理类似。当碳化时间较小时，碳化反应后的碳酸盐沉积在土体孔隙中，增加了与土体之间的胶结程度，与周围土颗粒形成骨架结构，使得峰值应变增加；碳化时间较大时，碳酸盐挤压土体形成裂缝，但碳酸盐仍具有一定的胶结能力，在两者的共同作用下，使得峰值应变逐渐趋于稳定[16-17]。

而碳化时间分别为0 h和6 h，1，2和4 d时，不同水泥掺量的CS峰值应变的最大值与最小值之差分别只有0.9%，0.5%，1.0%，1.3%和1.1%，远没有碳化时间对CS峰值应变的影响显著。

5 能量耗散分析

5.1 曲线简化

与其他水泥改性软土材料类似，其应力应变曲线的变化趋势如图9所示[13]。

由图9可知，CS的应力应变曲线可以分为4个阶段，弹性阶段(OA段)、强化阶段(AB段)、跌落阶段(BC段)和破坏阶段(CD段)。

图9 应力应变曲线变化趋势Fig.9 Variation trend of stress-strain curve

5.2 能量耗散分析

在加载过程中，能量耗散实际是内部裂纹形成的过程。CS在弹性阶段，内部几乎没有裂纹产生，所以能量的储存和释放是可逆。在强化阶段，CS内部出现损伤和破裂，导致能量出现耗散。

根据WANG等[13]的研究结果，图9中ABCFE围成的面积为试样总耗能密度S；ABC围成的面积为试样的强化耗能密度S1；ACFE围成的面积为试样基本耗能密度S2。如式(9)所示，单位：kJ/m3。

σ1为标准曲线g(ε)上A点的应力，ε1和ε2分别为g(ε)上A点和C点的应变。取S1与S的比值为能量耗散率K来衡量水泥土能量耗散的程度，公式如式(10)所示：

不同碳化时间CS的能量耗散率如图10所示。

图10 不同碳化时间的CS能量耗散率Fig.10 Energy dissipation rate of CS with different carbonization time

由图10可知，CS的能量耗散率随着碳化时间的增加先增加后减小。当水泥掺量分别为10%，15%，20%和25%时，CS-10-2 d，CS-15-1 d，CS-20-1 d和CS-25-1 d的能量耗散率达到最大，分别为0.23，0.18，0.17和0.17。与CS-10-0，CS-15-0，CS-20-0和CS-25-0之间的差值分别为0.13，0.08，0.12，0.14。

综上所述，当水泥掺量分别为10%，15%，20%和25%时，CS的最佳碳化时间为2，1，1和1 d，此时CS抵抗外部破坏的能力最强。在不同碳化时间下，CS的能量耗散率大致随着水泥掺量的增加而逐渐降低。

6 结论与讨论

6.1 结论

1)提出一种应力应变曲线归一化的方法，归一化后的曲线与通过试验所得到的5条应力应变曲线具有较好的相关性。

2)在不同碳化时间下，掺入20%水泥的CS抗压强度提高最明显；当水泥掺量相同时，随着碳化时间的增加，CS抗压强度先增大后减小，水泥掺量为10%，15%，20%和25%时，CS的最佳碳化时间分别为2，2，1 d和6 h，此时抗压强度达到最大。

3)当水泥掺量为10%和15%，CS的峰值应变随着碳化时间的增加先增加后减小，而掺入20%和25%水泥，峰值应变随着碳化时间的增加先增加后趋于不变。因此碳化2 d后，CS峰值应变增加最显著，能够较好地提高CS的延性；水泥掺量对CS峰值应变的影响远没有碳化时间对CS峰值应变的影响显著。

4)当水泥掺量为10%，15%，20%和25%时，CS的能量耗散率随着碳化时间的增加先增加后减小。碳化分别为2，1，1和1 d时，CS能量耗散率最大，抵抗外部破坏的能力最强。

6.2 讨论

1)本文在试验过程中参考了《JG/T 247—2009混凝土碳化试验箱》，仅探究了20%CO2浓度对CS的影响。不同CO2浓度对CS力学性能的影响有待进一步研究。

2)本文在养护过程中，CS都是在养护龄期的后期进行碳化。因此，养护龄期的前期和中期进行碳化对试验结果的影响需要进一步的试验探究。