硫酸钠-干湿-冻融共同作用对水泥土性能的影响

2022-11-16刘慕宸崔自治宋鑫

科学技术与工程 2022年29期

刘慕宸，崔自治，宋鑫

(宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021)

水泥土是在原来松散或者经过粉碎的土中，将适量水、水泥、其他组分(如粉煤灰、矿渣等)掺入，经拌和、压实和养护后形成的混合料[1-2]。因其具备节能环保、价格低廉、来源广泛等优点，目前在防渗护坡、地基基础等被大量使用。譬如在交通工程中作为基础稳定层材料在加固软土地基及路面垫层中应用，在水利工程中作为防渗护坡材料被应用于边坡支护及坝体防渗[3-4]。

宁夏回族自治区境内盐湖数目众多，知名的海原盐湖就坐落在宁夏海原县西北部[5-6]。同时硫酸盐也是一种工业生产中的常见物质，因而宁夏的土壤中硫酸盐含量偏高。在盐类腐蚀下，水泥土的理化特征、力学性能等均会发生一定改变[7-9]。宁夏位于黄土高原、蒙古高原、青藏高原的交汇地带，地处西北内陆干旱半干旱地区，年平均降水量仅166.9～647.3 mm，年平均蒸发量却达1 312.0～2 204.0 mm，区内气候干燥且蒸发强烈，在雨季时土体时常处于干湿交替状态[10-11]。同时宁夏属季节性冻土区，大部分地区昼夜温差可达12～15 ℃，夏季高温可达36 ℃左右，冬季极端低温在-22 ℃以下。因此该地区的水泥土桩基会受到盐类腐蚀、干湿循环和冻融循环的共同作用[12]。

徐丽娜等[13]研究发现冻融循环作用下土的性质对水泥土力学性质及破坏状态具有重要的影响。水泥土的无侧限抗压强度随着冻融循环次数的增加逐渐下降。牛雷等[14]试验结果表明:玉米秸秆纤维和玄武岩纤维均能增强水泥土延性，提高其强度，两种纤维水泥土强度均呈现先增大后减小的特点。王铁行等[15]认为动强度指标劣化度随干湿循环次数增加先增大再减小甚至出现负值，不同干湿循环幅度的临界干湿循环次数不同。严浩然等[16]发现在冻融环境下，纳米黏土在冻融循环初期对滨海水泥土微观结构的改性效果好，通过概率密度函数分布可知纳米黏土抑制了滨海水泥土超大孔隙发育。牛雷等[17]认为龄期和振捣时间的增加或者土的天然含水量的减少能够提高纤维水泥土抗压强度，掺入纤维的水泥土在低温水养条件下28 d无侧限抗压强度依旧会提高。周海龙等[18]认为破坏形态、破坏应变受高径比与水泥掺量的影响很大，变形模量与无侧抗压强度基本满足线性关系。宋鑫等[19]研究发现强度随干湿循环次数呈指数函数下降，硫酸盐的劣化作用较氯盐更为显著,且硫酸盐的劣化作用随其浓度的升高而增强。

压实度和水泥掺量是影响水泥土性能的重要参数，研究它们和水泥土耐久性、强度之间的关系，能够为工程现场施工提供经济方案思路。同时，以往研究多注重于改善水泥土桩基在盐类腐蚀、干湿循环、冻融循环单一条件下的性能并取得了一定的进展。但实际工程中的水泥土往往受到这3种因素共同作用。现以水泥土的形貌特征、质量、波速、峰值强度、残余强度、电阻率、含盐量等为研究对象，总结多重因素共同作用下水泥土劣化规律，并分析作用机理，以期为复杂环境下水泥土材料的应用提供理论支撑，对中国宁夏盐碱地区水泥黄土工程干湿-冻融循环损害评价及防治具有一定意义。

1 试验方案

1.1 试验材料

受取样、运输和保管条件限制，试验选用宁夏同心地区黄土，取样后进行含水率、击实、液塑限等试验，以测定其物理性质，结果如表1所示。对试验黄土进行颗粒筛分试验，黄土粒径分布表见表2。试验用水为蒸馏水，水泥选用宁夏赛马P·O42.5普通硅酸盐水泥，其主要成分如表3所示，其物理性能指标如表4所示，硫酸钠选取天津致远公司生产的分析纯级无水硫酸钠。

表1 宁夏同心黄土物理性质

表2 宁夏同心地区黄土粒径分布表

表3 水泥的主要成分

表4 水泥的物理性能指标

1.2 水泥土试样制作

首先，将原状黄土将经过烘干，置于橡胶垫上用木槌捣碎，然后过0.25 mm孔径的筛进行筛分，将水泥加入黄土进行干拌，直到颜色均匀一致，然后再加入水，使用砂浆搅拌机进行搅拌以保证能混合均匀，结合宁夏地区水泥土搅拌桩施工工程实例和《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233—2011)[20]设置对应压实度和水泥掺量如表5所示，各组硫酸钠溶液的浓度见表6。制样时选择最优含水率，选取相对应配合比的水泥和水，将黄土、水泥和水搅拌均匀后采用分层压样法分为5层压实成样，水泥土试样规格为直径39.1 mm、高80 mm的圆柱体。成样后先在橡胶模及保鲜膜中养护2 d，期满后将其移至20 ℃纯净水中养护至28 d，在养护时注意浸泡的高度要高于试样的高度。

表5 各组的压实度和水泥掺量

表6 各组硫酸钠溶液的浓度

1.3 试验方法

此试验参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[21]进行，参照中国西北地区自然环境，季节性气候和昼夜温差变化，结合实验具体要求，首先将养护龄期达28 d的水泥土试样参照宁夏地区夏季最高温在40 ℃烘箱中烘干，再进行真空饱和湿润后在清水和不同浓度溶液浸泡12 h，为一次干湿循环。紧接着参照冬季最低温在-20 ℃恒温冷冻箱中冻结12 h，最后置于20 ℃条件下融化12 h，为一次冻融循环。设置一次干湿-冻融大循环时间为48 h。在达到设定的干湿-冻融循环次数(0、4、8、12、16、20、24)后，将试样取出拍照、称重，DJUS-05非金属超声波仪测定波速，HPS2512直流低电阻测试仪测定电阻率，TSZ-2(1T)全自动三轴仪测定水泥土无侧限抗压强度，加载按位移控制，设定速率0.6 mm/min，在轴向应变达20%立即终止实验。在第24次循环结束时使用DDBJ-350电导率仪进行含盐量测定。

每个试样设3个平行样本，以3个试件测值算术平均值作为该试样的试验值。当3个测值的最大值或最小值有一个与中间值之差绝对值超过中间值的15%，取中间值作为该试件的试验值；若两个测值与中间值差值绝对值超过中间值的15%，则结果无效，重新试验。

2 试验结果与分析

2.1 压实度和水泥掺量对试样性质的影响

2.1.1 对质量的影响

压实度和水泥掺量对质量的影响见图1。因为压实度只有3个值，未做散点图拟合处理。可以得出，质量和压实度呈线性增长关系，根据压实度定义式，即

图1 质量与压实度、水泥掺量的关系

λ=ρ/ρd

(1)

式(1)中：λ为压实度；ρ为密度；ρd为最大干密度。

可以得

m=λρdV

(2)

式(2)中：m为质量；V为体积。即试样规格一致时，质量与压实度成正比。而水泥掺量越大，由于硅酸盐水泥密度大于黄土密度，同时水化反应生成了密实的水化产物和结合水，因而试样的初始质量越大，且近似和水泥掺量(12%～24%)成线性关系。

2.1.2 对波速的影响

图2所示为波速与压实度、水泥掺量的关系。

图2 波速与压实度、水泥掺量的关系

可以看出，随着压实度增大，水泥土波速也随之增大，因为声音在固体中传播速度远大于空气中传播速度。若水泥土试样的压实度大则其孔隙度小，结构中空气就越少，波速也就越大。但是随着压实度增大，对于波速增加不再那么明显。

随着水泥掺量的提升，波速也随之增大。一方面是水泥硬化浆体的波速要远大于在黄土中的波速，另一方面是随着水泥掺量的增大，生成了更多水化硅酸钙凝胶和结晶化合物，使土体颗粒结合更加紧密，振动传递时能量损耗降低。

2.1.3 对峰值强度和残余强度的影响

峰值强度是应力-应变关系曲线上最高点对应的应力值。达到该值时试样内部结构破坏，变形加剧，承载能力显著下降。峰值强度过后在曲线上大致稳定最终强度为残余强度，残余强度是发生宏观破坏后的最小抵抗应力。对试样采取无侧限抗压试验，测定峰值强度与残余强度后，将数据处理后得到图3。

图3 峰值强度、残余强度与压实度、水泥掺量的关系

压实度和水泥掺量对初始峰值强度和残余强度的影响如图3所示，水泥土试样的压实度和水泥掺量越大，其峰值强度和残余强度也会越大。因为压实度大则水泥土试样结构致密，土体颗粒之间黏聚力大。而水泥掺量越大，生成的水化硅酸钙凝胶等水化产物使得土团颗粒结合紧密并且填充了孔隙，试样承载外界荷载能力增强，且在12%～24%范围内，峰值强度与残余强度近似与水泥掺量之间呈现二次函数增长的关系，前期增长较快，后期增长放缓。

2.2 循环过程对耐久性影响分析

2.2.1 外貌特征变化

T2组在清水中和0.2 mol/L的硫酸钠溶液中外观变化情况如图4、图5所示。

图4 在清水中试样外观变化

在清水中，前12次循环试样都无明显变化，在12次循环后随着次数的增加，试样损毁开始变得严重，表面腐蚀剥落。盐溶液中的试样在初始4次循环中，试样基本未发生明显变化，只是在试样两端有少许颗粒脱落，在经历8次循环后，试样表面开始出现细微裂缝，但裂缝之间彼此独立并不连接，在盐溶液中的试样开始泛霜。在经历12次循环后，水泥土表面的裂纹不断扩大并且小部分裂缝开始贯通，试样变得较为粗糙，两端泛霜严重。在经历20次循环后，试样裂纹扩大并且大部分互相贯通，试样表面大部分疏松脱落，露出了内部结构。经历24次循环后，试样的表面基本完全被破坏，表现出一种凹凸不平的状态。随着盐溶液浓度的增加，这种劣化作用也表现得更为明显。同种溶液中水泥土表层破坏越早，则其劣化程度也愈加严重。

2.2.2 质量变化率

为直观地描述水泥土试样在硫酸盐和干湿-冻融共同作用下质量变化情况，引入质量变化率pm作为评价指标，表达式为

(3)

式(3)中：pm为水泥土质量变化率，%；mn为经过了n次干湿-冻融循环后的质量，g；m0为初始质量，g。按照式(3)计算可以得到T3组质量变化率与干湿-冻融循环次数的关系如图6所示。

质量变化率与干湿-冻融循环次数的关系如图6所示，水泥土经历干湿-冻融循环时的质量整体上呈先增后减的规律。

图6 质量变化率与循环次数的关系

水泥土试样前4次质量略微上升，在清水中干湿-冻融循环质量呈缓慢下降趋势，最终质量损失在1.15%左右。在Na2SO4溶液中的试样质量在前期时有所增加，考虑为盐分的迁移累积以及石膏、钙矾石和钙硅石结晶等产物的生成；随着干湿-冻融循环次数的增加，试样表面疏松脱落导致质量下降；质量是增加还是减少取决于这两种因素在不同时期哪个起到了主导作用。

随着硫酸盐浓度的增加，对试件腐蚀愈发严重，于是质量下降更快、更多。在经历了24次干湿-冻融循环后，试样S1、S2、S3质量变化率为0.12%、-0.42%、-2.47%。S1因整体腐蚀较S2、S3较轻，在循环中内部填充了盐分和结晶产物后，质量较初始还略有上升。

2.3 循环过程对力学性能影响分析

2.3.1 波速

为了直观反映水泥土试样内部孔隙结构变化的情况，引入相对波速vr作为评价指标，表达式为

(4)

式(4)中：vr为试样的相对波速；v0、vn分别为试样的初始波速以及第n次干湿-冻融循环后的波速，km/s。按照式(4)计算可得相对波速与干湿-冻融循环次数间的关系如图7所示。

图7 相对波速与循环次数的关系

由图7可知相对波速与循环次数的关系。水泥土试样在前8次干湿-冻融循环中相对波速减少的趋势较为明显，在后面的干湿-冻融循环中减少的趋势较为平缓，原因在于循环前期试样内部结构因劣化破坏产生孔隙和裂缝，循环后期破坏达到一定程度时，孔隙和裂缝的增加已经不再明显。同时在盐溶液中减小的幅度要大于在清水中，原因在于在盐溶液中，由于循环过程中硫酸钠结晶产生孔隙压力，同时硫酸钠与水泥土中物质发生反应腐蚀了水泥黄土骨架，试样内部破坏程度更加严重，产生了更多的裂缝和孔洞。

在硫酸盐溶液中进行干湿-冻融循环时，虽然试样整体波速下降，但随着盐溶液浓度的增大，试样的相对波速也随之增大。因为波速是在干燥状态下测得，综合考虑一方面为硫酸钠与氢氧化钙反应生成了石膏胶体和钙矾石等产物，填充了试样内部空隙，另一方面是盐溶液的浓度越大，迁移到水泥土试样内部的硫酸钠晶体也越多，从而导致波速上升。

2.3.2 峰值强度和残余强度

水泥土试样在0.2 mol/L硫酸钠溶液中的峰值强度和残余强度与循环次数的关系如图8所示。

由图8可知，随着干湿-冻融次数的增加峰值强度与残余强度不断减小，前4次循环下降速度快，后期下降的速度快，和循环次数近似呈现出指数函数下降的关系，峰值强度下降的速度比残余强度更快。

图8 峰值强度和残余强度与循环次数关系

2.4 盐分迁移规律

为准确描述水泥土试样中的盐分迁移的情况，先测量试验过程中水泥土试样在真空饱和湿润情况下电阻数值，和循环结束后将水泥土试样充分捣碎后与蒸馏水均匀搅拌后形成混合液的电导率，最后将其换算成电阻率ρ和含盐量ω作为评价指标，得到电阻率与干湿-冻融循环次数的关系如图9所示，含盐量与溶液浓度的关系如图10所示。

由图9可知，在清水中，试样电阻率下降相较盐溶液中极其缓慢，且近似和干湿-冻融循环次数成一种线性下降关系，在24次循环后只降低了7.29%，且其电阻率远大于在盐溶液中进行循环的试样。而硫酸钠溶液则极有利促进试样导电性能的增强，S1、S2、S3随着浸润盐溶液浓度越高，电阻率下降得越多。但是试样S2与S3相差无几，考虑原因为水泥土内部空隙是一定的，因而所能填充盐分也是一定的，当盐溶液浓度达到一个阈值时，水泥土试样内部也无法再进入更多盐分。

图9 电阻率和循环次数的关系

试样电阻率随着干湿-冻融循环次数的增加而降低，且前期下降较为明显，从第12次循环开始后下降较为平缓，干湿-冻融循环和硫酸盐膨胀结晶导致内部结构发生改变是电阻率减少主要因素。此外进行一定次数循环后，试样内部空隙绝大部分已经被盐分所占据，再进行循环对补充的盐分相较之前不是那么明显。

循环24次后试样的含盐率与硫酸钠溶液浓度关系如图10所示，如果硫酸钠溶液浓度越高，那么盐分迁移到试样的表面及内部则越多，则其含盐量也越大，外观特征表现为泛霜现象越严重。同时，在试样W中也检测出少许盐分，可以认为是原状黄土本身含有的盐分以及水泥水化反应后生成的盐，主要为水化硅酸钙、硅酸三钙以及氢氧化钙等。