冻融-硫酸盐腐蚀循环作用下水泥稳定土的损伤情况

张一奔

(河南经贸职业学院工程经济学院，郑州 450000)

盐渍土是一种物理化学性质特殊的土体，广泛分布在我国西北平原地区，是该地区常见的路基材料[1]。盐渍土的形成与土层孔隙溶液在渗流过程中积累的盐分有重要关联，在含盐孔隙液的影响下，土壤中的硫酸盐含量显著提高，形成了盐渍土这种特殊土体[2]。此外，受西北地区极端严寒气候的影响，冻融和盐卤的腐蚀作用会对盐渍土材料形成耦合效应，严重危害土壤的内部结构[3]。盐渍土是路基填料的安全隐患之一，腐蚀程度与其物理化学性质和赋存条件均有密切关系[4]。当前，国内外大量学者对盐-冻腐蚀条件下土壤的损伤特征开展了研究，发现土壤的腐蚀往往由表层向内部逐渐渗透和发展，最终使土壤内部的微观结构与矿物组成发生变异，大幅削弱土壤的工程性能[5-6]。

水泥搅拌固化法是对土壤填料进行加固的一种常见方法，利用水泥的水化反应，养护后在土料中生成大量水化硅酸钙，使固化后复合材料的性能满足工程要求[7]。然而作为一种多孔材料，长期潜伏于地下的水泥土容易受到硫酸盐腐蚀的影响[8]。冻融循环的作用又进一步加剧了材料的腐蚀，引发公路工程的翻浆、冒泥和过大沉降等病害，造成巨大的经济损失和安全隐患[9]。同时，在硫酸盐和冻融效应的作用下，水泥土的微观结构也会出现较大变异，进一步降低工程结构的稳定性和耐久性[10]。基于此，一些学者采用一系列试验分析研究了路基填料中盐渍土的物理特性与腐蚀效应的关系。杨保存等研究了冻胀与盐胀共同作用下，水泥土路基填料的变形和沉降特征，得出自由水冻结与硫酸盐化学腐蚀是水泥土发生体积变化和开裂的本质原因[11]。张灵通等[12]研究了路基填料(水泥土)，结果表明路基不均匀变形的主要诱因是盐-冻作用使填料出现疏松与破碎变形。贾景超等开展了不同硫酸盐浓度下水泥土试样的室内无侧限压缩测试，得到了水泥强度指标与硫酸盐浓度的定量关系[13]。现有的文献多只侧重于评价硫酸盐和冻融循环对水泥土强度与变形特征的影响，鲜见结合物化特征与强度指标的综合研究，且从细微观角度揭示硫酸盐与冻融耦合效应本质机理的分析还有待于深入[14]。

本工作以水泥掺量为5%(质量分数，下同)的改性盐渍土为对象，研究了硫酸盐与冻融循环共同作用下材料的质量损失和强度衰减程度，随后开展了矿物分析和压汞测试，以期得到硫酸盐与冻融循环耦合作用下，水泥改性盐渍土工程的性能变异规律，为西北地区盐渍土路基的设计和施工提供理论依据。

1 试验

1.1 试验原材料

盐渍土散土样取自甘肃省中部地区，为典型粉质黏土。散土样为褐色，含有大量黏粒与粉粒，通过X射线衍射分析，得到粉质黏土的主要矿物成分如表1所示，其中石英与高岭石含量最高，均超过了20%(质量分数)。现场测得土体含水率为17.22%，天然密度为2.09 g/cm3，渗透系数为1.208×10-6cm/s。对粉质黏土的颗粒尺寸进行分析，得到的级配曲线如图1所示。由图1可见：该土样中的颗粒级配较差，曲率系数为1.32，不均匀系数达到2.75。

表1 土样的主要矿物成分Tab. 1 Main mineral composition of the soil sample %

利用硅酸盐水泥熟料进行水泥土的拌和，水泥标号为P. O. 42.5级，水泥颗粒的比表面积为324.9 m2/kg，养护28 d的单轴抗压强度为43.19 MPa。

采用普通自来水搅拌水泥与散土，在试验过程中，向自来水中添加0.5%(质量分数)减水剂以降低浆料的需水量。

图1 粉质黏土的颗粒级配曲线Fig. 1 The grading curve of silty clay soil

1.2 试样

试验采用自制硅酸盐水泥掺量为5%(质量分数，下同)的改性盐渍土样。制备前先烘干散土，然后向散土中掺入5%水泥并人工干拌，在混合料中倒入自来水(水与固相颗粒的质量比为0.25)，用水泥浆料搅拌机充分拌和后，将浆料倒入模具中，并在标准养护环境中养护2 d，脱模后再进行28 d养护。本工作所用试样形状为圆柱体，表面腐蚀试验用试样直径61.8 mm，高20 mm；单轴压缩试验用试样直径39.1 mm，高80 mm。

采用3%(质量分数)Na2SO4溶液对试样进行冻融和腐蚀的循环处理，处理方法如下：室温条件下将水泥土试样置于Na2SO4溶液中浸泡2 h，随后置于低温箱(温度设为-20 ℃)中冻结12 h，之后再将水泥土试样置于Na2SO4溶液中解冻(温度为室温)，此为一次循环。本工作对试样进行0～60次循环处理，取经过0、2、4、8和12个循环周期后的试样进行性能表征。

1.3 试验方法

采用普通数码相机记录经过不同次数冻融-硫酸盐腐蚀循环后水泥土试样(下文简称试样)的表面形貌；采用X射线衍射分析试样的化学成分；采用液压控制式万能测试机进行单轴抗压强度测试(剪切速率为0.025 MPa/s)；采用压汞试验测定试样的孔径分布特点，每个循环周期下取三个平行试样，标记为1号，2号和三号；采用扫描电子显微镜观察试样的微观结构。

2 结果与讨论

2.1 宏观腐蚀形貌

由图2可见：冻融-腐蚀循环处理后，试样的表面形貌发生了显著变化。原始试样表面较平整和光滑，没有出现大的孔隙和裂隙；经过2次循环处理后，试样表面出现白色的斑点腐蚀物，矿物化学分析显示此为钙质硫酸盐化合物[15]；经过4次循环处理之后，试样表面的腐蚀斑点数量明显增多；经过8次循环处理后，试样表面覆盖的腐蚀物继续增多；经过12次循环处理后，腐蚀物几乎覆盖整个试样外表面，呈聚集状。宏观腐蚀形貌观察结果表明，在冻融和硫酸盐腐蚀的耦合作用下，随着循环次数的增加，试样表面腐蚀物增多，腐蚀加剧。

(a) N=0 (b) N=2 (c) N=4 (d) N=8 (e) N=12图2 经过不同次数冻融-腐蚀循环后，试样的表面宏观形貌Fig. 2 Surface macromorphology of samples after different freeze-thaw-corrosion cycles

2.2 化学成分

由图3可见：原始试样中含有大量Ca4Al2O7·19H2O和Ca(OH)2，即针状钙矾石等矿物的含量相对较高[16]，在冻融-硫酸盐腐蚀的循环作用下，钙矾石大量分解，Ca(OH)2含量减少。此外，随着冻融-硫酸盐腐蚀循环次数的增加，试样的Ca(OH)2衍射峰值逐渐降低，即Ca(OH)2含量随腐蚀程度增加而持续下降。推断Na2SO4溶液中的SO42-与水泥土中的Ca(OH)2发生了离子交换，见式(1)[17]。

2OH-

(1)

图3 经过不同次数冻融-腐蚀循环后，试样的矿物成分分析结果Fig. 3 Mineral composition analysis results of samples after different freeze-thaw-corrosion cycles

2.3 力学性能

由图4可见：随着循环次数的增加，试样的应力-应变曲线呈典型的应变软化特点，且破坏呈脆性特征。由图4还可见：试样的破坏经过了初始压密阶段、弹性变形阶段与脆性破坏阶段。初始压密时，轴向应力随着应变的增加而增大，弹性变形时，应力与应变呈直线上升；脆性破坏时，应力发生突变，且向下跌落。

图4 经过不同次数冻融-腐蚀循环后，试样的应力-应变曲线Fig .4 Stress-strain curves of the samples after different freeze-thaw-corrosion cycles

以试样的峰值应力作为水泥土的无侧限抗压强度(UCS)，应力-应变关系曲线直线段的斜率作为弹性模量E，二者是反映材料承载性能与弹性变形能力的强度指标。由图5可见：经过0～2次循环后，试样的强度指标大幅下降，而经过8次循环后，无侧限抗压强度与弹性模量几乎保持不变。

图5 经过不同次数冻融-腐蚀循环后，试样强度指标的变化情况Fig .5 Change of strength indexes of samples after different freeze-thaw-corrosion cycles

2.4 孔径分布

单位质量孔隙体积可以表征水泥土内微观结构的损伤程度， 故采用压汞测试计算经过不同次数循环后试样的单位质量孔隙体积Va。由图6可见：试样的孔径呈“单峰”分布，且曲线峰值随循环次数增加逐渐上升。这说明冻融-硫酸盐腐蚀对试样孔隙结构有显著影响，且影响了孔径分布特点。根据孔径分布曲线，以水泥土孔径d为指标，将孔隙划分为小孔隙(0～1 μm)、中孔隙(1～10 μm)与大孔隙(10～200 μm)。

由孔径分布特征获得的小孔隙、中孔隙和大孔隙的体积分布如图7所示。可以看出，受冻融与硫酸盐腐蚀的耦合作用，试样的损伤较为显著。小孔隙、中孔隙和大孔隙的累积体积均随循环次数增加呈升高的趋势，且大孔隙体积的上升幅度尤其明显。冻融和腐蚀作用扩大了试样内部的孔隙结构，且对大孔隙的影响最为明显。

(a) N=0 (b) N=2 (c) N=4

(d) N=8 (e) N=12图6 经过不同次数冻融-腐蚀循环后，试样的孔径分布曲线Fig .6 The pore size distribution curves of the samples after different freeze-thaw-corrosion cycles

图7 不同尺寸孔隙的分布直方图Fig. 7 Histogram of pore distribution with different sizes

2.5 讨论

2.5.1 力学性能与孔隙体积的关系

图8所示为试样微观结构(Va)与强度指标(UCS)的关系。可以看出，随着试样Va的增加，其强度呈典型的线性下降趋势，这表明微观结构的损伤程度对水泥土的强度有明显影响，且孔隙指标与强度指标的相关性较强。基于此，本工作可以根据孔隙的分布特征来近似预测强度在冻融-硫酸盐腐蚀循环效应下的变化特征和规律。

图8 试样强度与微观结构的关系Fig. 8 Relationship between strength and microstructure of the samples

2.5.2 水泥土的腐蚀损伤机理

由图9可见：原始试样内部较为密实，不存在裂隙；经过4次冻融和腐蚀循环后，试样内部开始出现微裂隙，且微裂隙的形状多为不规则多边形，说明硫酸盐溶液的渗入造成土体结构的劣化；经过12次循环后，试样内部的裂隙贯通和延伸，形成了连通性较好的长裂隙。SEM观察结果表明，硫酸盐和冻融的耦合作用引起了试样微观结构发生变异，裂隙分布改变。究其原因，主要是水泥土内部的水泥水化物受腐蚀作用后分解流失，同时由于冻融过程中产生的冻胀力扩张了裂隙，促进了裂隙的连通。硫酸盐腐蚀和冻融两种效应耦合作用在材料内部时，裂隙体积逐渐扩大，使得土颗粒之间的密实程度下降，导致强度性能随之衰减[16-18]。综上，在冻融与硫酸盐腐蚀循环的耦合效应下，试样宏观力学性能劣化的根本原因是其微结构发生腐蚀损伤。

(a) N=0 (b) N=4 (c) N=12图9 经过不同次数冻融-腐蚀循环后，试样的SEM形貌Fig. 9 SEM morphology of samples after different freeze-thaw-corrosion cycles

3 结论

(1) 随着冻融-腐蚀循环次数的增加，溶液与水泥土中的离子发生反应引起水泥水化物的溶解，导致水泥土表面覆盖的腐蚀物逐渐增加。

(2) 水泥土的弹性模量和无侧限抗压强度随循环次数增加而逐渐下降，且经过0～2次循环后的变化最为显著。另外，腐蚀和冻融的作用导致水泥土内部孔隙体积增加，水泥土的强度指标与单位孔隙体积存在良好的线性关系，即微观结构的变化会影响力学性能。水泥土在冻融与硫酸盐腐蚀循环耦合效应下表现出的力学性能劣化的根本原因是其微结构的腐蚀损伤。