配合比和龄期对塑性混凝土强度、pH值和电导率的影响

王升位，闻一江，洪项华，张笑彬

（1.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127；2.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127；3.扬州市公共交通集团有限责任公司，江苏 扬州 225100）

目前，简易填埋场渗沥液渗漏和污染场地污染物运移污染地下环境等工程问题凸显，垂直防污屏障具有很好的强度和防渗性，可以较好的控制污染物向周围运移，被广泛的应用于填埋场工程和污染场地管控工程［1-3］.垂直防污屏障类型有水泥-膨润土墙、土-膨润土墙、塑性混凝土墙和高密度聚乙烯（HDPE）土工膜-膨润土复合墙等［4］.其中，塑性混凝土墙是由骨料、水泥、水和膨润土组成，其具有弹性模量小、抗压强度高、防渗性好和工程造价低等特点被广泛应用于垂直防渗墙工程［5-6］.

塑性混凝土墙不仅要求具备较低的渗透性，而且要具有较高的强度，以保证其在外荷载作用下不破裂.目前，国内外学者对塑性混凝土强度开展了相关研究，发现其内部孔径结构与强度密切相关［7-9］.同时，有学者发现随着塑性混凝土孔径的变化，孔隙溶液的pH值和电导率均会随之改变［10-13］.考虑土体具有导电性，学者们常采用电导率表征土体基本性质参数.Princigallo等［14］开展了电导率对混凝土强度影响研究，发现不同水胶比下混凝土电导率的倒数与其强度呈对数函数关系.Liu等［15］发现水泥土后期强度与电导率之间存在一定的关系，并在一定养护龄期和水胶比下提出了水泥土电导率的简化公式.车东日等［16］开展了电导率和pH值对水泥混合上海黏土强度的影响研究，发现水泥土初期pH值在11.5左右，同时初期电导率在0.9 mS/cm左右时开始产生强度.当pH值大于11.8后强度开始迅速上升，上升幅度随着养护龄期的增加而增大.通过以上研究可以发现水泥土的强度不仅与电导率有关，而且与pH值存在一定关联，但目前缺乏对pH值、电导率与塑性混凝土强度之间关系的相关分析和定量研究.

为了解决以上问题，本文以水泥、膨润土、水和砂组成的塑性混凝土为研究对象，分别开展了不同水泥掺量和养护龄期条件下塑性混凝土无侧限抗压强度（以下简称强度）研究，进一步测定了相应水泥掺量和养护龄期下塑性混凝土的pH值和电导率，分析并建立了pH值和电导率与塑性混凝土强度的定量关系.

1 试验

1.1 原材料及配合比

试验材料选用42.5级普通硅酸盐水泥、河北膨润土（HB）、福建标准砂（FS）和水.其中，水中含铅离子浓度约为0.013 mol/L.为了模拟垂直防污屏障在现场常遇到的砂性土地层，选用了商用的级配不良中砂即福建标准砂.砂土粒径分布通过筛分法测得，膨润土粒径分布采用马尔文激光粒度仪测得，结果见图1.膨润土基本物理性质指标按照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》进行测定，其相对密度为2.75，液限1）文中涉及的液限、塑限和水胶比等除特别说明外均为质量分数或质量比.、塑限分别为181%、53%，膨胀指数（体积分数）为128%，Zeta电位为－34.1 mV.关于塑性混凝土配合比的选取，考虑到4种原材料（水泥、膨润土、水和砂）会导致配合比种类较多，因此采用对塑性混凝土强度影响最大的水泥掺量作为单一变量.因此，塑性混凝土配合比中水胶比mW/mB（凝胶材料为水泥和膨润土）控制在0.9，砂含量为1 600 kg/m3，水泥掺量分别为160、180、200、220、240 kg/m3，对应5种配合比的塑性混凝土编号分别为C160、C180、C200、C220和C240.

图1 砂和膨润土的粒径分布Fig.1 Particle size distributions of FS and HB

1.2 试验方法

采用PY-300应变控制式无侧限压缩仪测定塑性混凝土的强度（f），其加载速率为3 mm/min.无侧限压缩仪中试样模具为内径39.1 mm、高度80 mm的三瓣膜，将塑性混凝土混合均匀后放入三瓣膜中进行制样（每组配合比下制备5个试件）.为保证试件密实均匀，将塑性混凝土分3次装入，每次均进行充分振捣，制样1 d后拆模，将脱模后的样品放入恒温养护箱中进行养护，温度（20±2）℃，相对湿度不低于95%，养护龄期为3、7、14、28 d.

采用不锈钢药勺对刚制备的试件（龄期为0 d）和强度试验结束后的试件（龄期为3、7、14、28 d）分别取样15 g进行碾压，取样点为试件中心处，碾压后的15 g样品与75 g去离子水放入150 mL离心管中混合，震荡20 min使其混合均匀，静止后分别测定塑性混凝土的pH值和电导率（σ）.采用上海越平PHS-3CU型pH计测定pH值，采用雷磁DDS-307A电导率仪测定电导率.其中，pH值和电导率每隔5 min测量1次，直至测量数值稳定，测定时的温度均为室温（25℃）.

2 结果与分析

2.1 配合比和龄期对塑性混凝土强度的影响

塑性混凝土的强度见图2.由图2可见：随着养护龄期的延长，5种配合比下塑性混凝土强度均增大；在同一龄期下，随着水泥掺量的增加，塑性混凝土强度逐渐增大；所有试件强度范围在1～12 MPa，并且28 d强度均满足工程强度要求（2～4 MPa）.这主要是由于不同配合比和龄期下塑性混凝土的水化产物和水化程度不同，水化程度随龄期增加而增大，强度因此增大；同理，水泥掺量越大，相同龄期下水化产物越多，塑性混凝土强度越大.

图2 塑性混凝土的强度Fig.2 Strength of plastic concrete

2.2 配合比和龄期对塑性混凝土pH值及电导率的影响

2.2.1 配合比和龄期对塑性混凝土pH值的影响

塑性混凝土的pH值测定结果见图3.由图3可见：塑性混凝土初期pH值基本集中在12.20附近，3 d时pH值集中在12.70附近；不同配合比塑性混凝土0～3 d的pH值均逐渐增大，3～28 d的pH值逐渐减小；随着水泥掺量的增加，pH值逐渐增大；0～3 d时，随着水泥掺量的增加，pH值增幅较小；7～28 d时，随着水泥掺量的增加，pH值增幅较大.这主要是由于不同配合比和龄期下塑性混凝土的水化产物和水化程度不同，因此导致塑性混凝土pH值发生变化.

图3 塑性混凝土的pH值Fig.3 pH value of plastic concrete

2.2.2 配合比和龄期对塑性混凝土电导率的影响

塑性混凝土电导率测定结果见图4.由图4可见：随着水泥掺量的增加，塑性混凝土电导率逐渐增大，并且电导率增加速率逐渐减小；5种配合比下塑性混凝土的电导率均随龄期增加而先增大后减小，0～3 d时电导率增加，3～28 d时电导率下降.对比图3、4发现，pH值和电导率随配合比、龄期的变化规律基本一致.

图4 塑性混凝土的电导率Fig.4 EC of plastic concrete

2.2.3 影响机理分析

由图3、4发现，随着水泥掺量的增加，塑性混凝土pH值和电导率均增大.这一方面是由于水泥掺量的增加使得参加反应的硅酸钙含量增多；另一方面是由于所有试样水灰比相同，水泥掺量的增加也就意味着膨润土掺量减少，膨润土具有高度分散性，会在水泥颗粒周围形成一层膨润土薄膜，减缓水泥水化过程［17］.

水泥水化后的产物为氢氧化钙（Ca（OH）2）、水化硅酸钙（C-S-H凝胶）和水化铝酸钙（C-A-H）等，其稳定存在的pH值分别为12.23、10.40、11.43.混凝土的孔 隙 水 为Ca（OH）2饱 和 溶 液，其pH值 为12.00～13.00，呈强碱性［18］.Ca（OH）2在水泥与水接触时就会不断生成，然而Ca（OH）2是微溶物，饱和浓度很低，因此前期处于饱和状态，pH值在12.20左右.膨润土的掺入使得其中的阳离子与水泥水化过程释放的离子产生反应，生成NaOH（pH值为12.70）和Mg（OH）2（pH值为12.40，溶解度低）等物质.3 d时pH值可达12.70.随着龄期的增加，水化反应和碳化反应不断进行，造成塑性混凝土中Ca（OH）2以及其他离子不断减少，使得pH值不断降低，混凝土逐渐呈现中性.0～7 d在水化反应阶段大量的Fe3+、Ca2+和Al3+会从水泥中释放出来，电导率在此阶段不断上升.随着水化反应的不断进行，离子释放的速率变缓或停止，此时形成C-S-H凝胶、水化硅铝酸钙（C-A-S-H）凝胶和Mg（OH）2等稳定化合物的水化反应变成主导因素，导致电导率在7～28 d内逐渐下降.同时，考虑水溶液中含有Pb2+，Pb2+的存在会对塑性混凝土pH值和电导率产生影响.Pb2+在水泥水化过程中会生成Pb（OH）2，从而对水化产物Ca（OH）2和C-S-H凝胶的生成产生抑制作用［19］.同时Pb2+会和CO2－3发生反应，生成不易降解的PbCO3，进一步影响碳化产物CaCO3的含量.

由于碳化反应的速度在相同条件下保持不变，因此，可以结合图3、4以及水化反应速率将pH值和电导率分为4个阶段：第1阶段（0～3 d），水泥与水接触后，发生溶解，矿物中的Ca2+、OH－、SO2－4不断释放到水溶液中，离子浓度上升，pH值和电导率增加；第2阶段（3～7 d），这些离子被消耗形成钙矾石、C-S-H凝胶、Ca（OH）2和Pb（OH）2等稳定化合物，并且碳化反应不断进行，Ca（OH）2和Pb（OH）2不断被消耗，pH值和电导率不断减小；第3阶段（7～14 d）：随着离子浓度的升高，C-S-H凝胶在混凝土表面形成一层保护膜，导致水化速率降低，离子析出速率减缓，pH值和电导率继续减小；第4阶段（14～28 d）：随着水化反应的进一步进行，颗粒表面的保护膜破裂，水化速率加快，从而导致pH值和电导率进一步降低.

2.3 pH值、电导率与塑性混凝土强度的关系

2.3.1 pH值与强度的关系

图5给出了各配合比和龄期下塑性混凝土pH值与强度的关系.由图5可见，不同配合比的塑性混凝土，在相同龄期时，随着pH值的增加，其强度不断增加.各试件pH值与强度的关系，大致可以分为3段：（1）3、7 d对应pH值为12.35～12.80，该阶段强度随pH值 增 加 而 增 加；（2）14 d对 应pH值 为12.20～12.35，该阶段强度随pH值增加其增长速率逐渐减缓；（3）28 d对应pH值为11.60～12.20，该阶段强度随pH值增加而线性增加.考虑水泥掺量不同，会导致相同龄期下水化产物含量不同，因此pH值有所差异.整体表现为相同龄期下塑性混凝土pH值越大，该阶段水化产物含量越多，强度越大.另外，不同龄期下水化产物种类不同，导致其pH值有所差异.

图5 塑性混凝土pH值与强度的关系Fig.5 Relationship between pH value and strength of plastic concrete

2.3.2 电导率与强度的关系

图6给出了各配合比和养护龄期下塑性混凝土电导率与强度的关系.由图6可见：塑性混凝土电导率与强度之间的关系并不能用单一公式进行表达，在pH值的3个阶段，电导率与强度之间分别呈现不同的数学表达式，每个阶段塑性混凝土强度均随着电导率的增加而增大.由于塑性混凝土电导率主要来源是水化反应过程中离子的释放，对于不同配合比和龄期的试件，水化程度和水化产物均有差异，因此，在pH值的3个阶段下电导率与强度均呈现较好的幂函数关系.

图6 塑性混凝土电导率与强度的关系Fig.6 Relationship between electrical conductivity and strength of plastic concrete

在pH值为12.35～12.80时（3～7 d），塑性混凝土主要剩余水化产物为钙矾石、C-S-H凝胶、Pb（OH）2和Ca（OH）2，电导率σ与强度f的关系为：

在pH值为12.20～12.35时（7～14 d），塑性混凝土主要剩余水化产物为C-S-H凝胶、Pb（OH）2和Ca（OH）2，电导率与强度的关系为：

在pH值为11.6～12.2时（14～28 d），塑性混凝土主要剩余水化产物为C-S-H凝胶，电导率与强度的关系为：

综上可以发现，前人采用单一指标pH值或导电性来描述塑性混凝土强度会导致一定的误差，pH值和电导率可以综合反映塑性混凝土产物种类和水化反应程度，因此采用pH值和电导率来综合描述塑性混凝土强度是合理的，在不同pH值范围内，塑性混凝土强度和电导率之间存在很好的幂函数关系.

3 结论

（1）塑性混凝土强度随着水泥掺量和养护龄期的增加而增大；pH值和电导率随着水泥掺量的增加而增大，随着养护龄期的增加而先增大后减小.

（2）不同养护龄期和配合比下，塑性混凝土水化反应程度和水化产物不同，导致pH值和电导率不断变化，进而影响塑性混凝土强度.

（3）pH值和电导率可以综合反映塑性混凝土水化产物种类和水化反应程度，pH值呈现3个阶段：11.60～12.20、12.20～12.35、12.35～12.80，每个阶段下塑性混凝土电导率与强度均呈现很好的幂函数关系.