盐侵蚀及干湿环境下偏高岭土改良水泥土抗压强度分析

■姚 涛

（湖南省芷铜高速公路建设开发有限公司，怀化 419100）

随我国铁路、公路、机场等基础工程建设力度加大，水泥稳定土材料（以下简称“水泥土”）得到广泛应用，而水泥材料的生产是一个复杂的过程。 目前，水泥是制造业主要的CO2排放源，约占我国碳排放总量的9%[1-2]。 对此， 为有效缓解大气污染问题，部分专家选用工业废渣等材料改善水泥土来减少水泥掺量，并取得了良好的工程实践效果。 李丰收[3]研究表明，工业废渣掺量10%的改良土抗压强度及耐久性优于水泥掺量6%的改良土。岳喜兵[4]研究表明，水泥土掺入废弃硅粉后，其无侧限抗压强度和抗侵蚀性提高显著。 童生豪[5]研究表明，水泥土掺入镍铁渣粉后具有良好的抗海洋环境侵蚀作用。因此，选用合适的外掺剂替换水泥，且保证水泥土材料具有良好的工程性能，对减少碳污染具有重要的意义。 偏高岭土是在600～900℃环境下煅烧高岭土制得，含有SiO2、Al2O3等活性物质，可参与水泥的二次水化反应，生成硅酸钙、硅酸铝等胶凝产物，工程应用中常用作混凝土材料外掺剂[6-7]。 偏高岭土在水泥土材料应用中，刘剑平等[8]、王林浩[9]、孙海军等[10]研究了偏高岭土掺量对水泥土力学特性影响规律，发现水泥土掺入适量的偏高岭土后，其力学强度得到提高。 而水泥土在盐溶液、干湿循环等复杂环境中，其土体结构及力学性能发生劣化，致使其工程适用性降低。 鉴于此，本文选用偏高岭土等质量替换水泥，制备偏高岭土水泥土材料，通过室内盐溶液侵蚀试验和干湿循环试验，研究盐侵蚀和干湿循环作用下偏高岭土无侧限抗压强度变化规律，为实体工程提供数据支撑。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

1.1.1 土样

土样取自某高等级道路路堑挖方， 为粉质黏土，取土深度2.5～4.5 m，其物理力学性质如下：土粒比重2.72、液限29.2%、塑限17.1%、塑性指数12.1、最佳含水率16.3%、最大干密度1.739 g·cm-3；粒径为5、2、0.5、0.25、0.075、0.05 mm 颗粒的通过质量百分率分别为：100%、94.2%、83.5%、58.6%、38.3%、11.4%。

1.1.2 外掺剂

外掺剂采用P·O 42.5 普通硅酸盐水泥和HP-90B 型偏高岭土，物理化学性质见表1～2。水泥烧失量为1.2%，安定性合格；偏高岭土呈白色粉末状，粒径小于2 μm 的颗粒占总质量不低于90%。

表1 水泥物理性质

表2 外掺剂化学成分

1.1.3 水

水采用普通自来水。

1.1.4 氯化钠

氯化钠采用某化学试剂公司生产的氯化钠颗粒，化学分子式为NaCl，NaCl 含量≥99.5%。

1.2 试验方案

1.2.1 方案设计

风干土样过5 mm 圆孔筛，均匀拌和偏高岭土水泥土及水泥土混合料，按室内重型击实试验确定的最佳含水率制备压实度96%的试件，尺寸为Φ50×100 mm。 试件制备完成后， 采用塑料薄膜包裹，放入温度（20±2）℃、相对湿度95%以上的标准养护室，养护至规定龄期，龄期最后1 d 采用浸泡清水后，开展NaCl 溶液侵蚀试验和干湿循环试验。试验中，外掺剂（水泥和偏高岭土）掺量为10%，偏高岭土掺量拟采用1%、3%、5%。外掺剂掺量为外掺剂质量与土样干质量的比值。 每组试验采用6 个平行试件。

具体试验方案如下：（1）结合现场水文地质资料，对照NaCl 溶液环境下水泥土无侧限抗压强度，研究偏高岭土掺量、溶液浓度及浸泡时间对偏高岭土水泥土无侧限抗压强度影响规律，分析偏高岭土水泥土抗盐侵蚀性。 拟采用清水（0 g/L）、NaCl 溶液浓度1.5、3.0、4.5、6.0、9.0 g/L；浸泡时间拟采用7、14、28、60、90 d。 （2）结合现场不利水文气象环境，采用室内干湿循环试验模拟路基含水率变化，研究干湿循环作用下水泥土和偏高岭土水泥土抗压强度变化规律，分析偏高岭土掺量、干湿次数对水泥土和偏高岭土水泥土干湿稳定性影响。 拟采用清水（0 g/L）、NaCl溶液浓度4.5 g/L，干湿次数拟采用0、1、3、5、7、9、12、15 次。

1.2.2 性能测试方法

（1）无侧限抗压强度试验。 参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中无侧限抗压强度试验方法，选用微机控制电子万能试验机WDW-100 测定偏高岭土水泥土及水泥土试件无侧限抗压强度，采用应变控制加载速率，加载速率为1 mm/min。 （2）盐溶液侵蚀试验。 试件养生完毕后，置于不同浓度的NaCl 溶液中，保持试件顶面低于液面3～4 cm，浸泡至规定时间后，软布擦拭试件表面，测定其无侧限抗压强度。 为保证溶液溶度，每14 d替换一次同浓度的NaCl 溶液。 （3）干湿循环试验。试件养生完毕后，置于恒温烘箱中脱湿，温度设置为40℃，直至质量达到最佳含水率的试件质量，取出试件风干0.5 h；再将试件置于NaCl 溶液中，进行增湿，直至质量不增长后1 h，为1 次干湿循环。 当试件达到规定干湿次数后，测定其无侧限抗压强度。

2 试验结果及分析

2.1 盐溶液侵蚀试验

2.1.1 偏高岭土掺量影响

在不同NaCl 溶液浓度环境下， 偏高岭土掺量对水泥土28 d、90 d 无侧限抗压强度的变化规律如图1 所示。 由图1 可知，随偏高岭土掺量增加，不同改良水泥土的无侧限抗压强度均呈现先提高后降低，当偏高岭土掺量≤3%时，通过增大偏高岭土的掺量能够提高水泥土的抗盐侵蚀性能，与相同条件下的改良水泥土相比，偏高岭土掺量每增加1%，其抗压强度可提高约12.5%，偏高岭土掺量为3%时，改良水泥土的抗压强度达到最大，即抗盐溶液侵蚀能力最佳；当偏高岭掺量超过3%后，偏高岭土改良水泥土的抗盐侵蚀性逐渐降低，其中5%偏高岭土改良水泥土的抗压强度相较普通水泥土至少降低了5.1%。 分析其原因是在未掺偏高岭土前，水泥水化产生的硅酸钙、 铝酸钙等胶凝物质能够胶结土粒，填充孔隙，提高水泥土结构的密实性，因此其抗压强度随时间增加而逐渐提高；在掺入一定偏高岭土后， 偏高岭土中SiO2、Al2O3等活性物质能够与水泥水化产物Ca（OH）2发生火山灰反应，生成更多的硅酸钙等胶凝物质， 促使水泥土结构更加密实，从而有利于水泥土抗压强度提高，但随偏高岭土继续增加，水泥掺量及其生成的Ca（OH）2含量也随之减少，致使部分偏高岭土未发生反应，硅酸钙等胶凝产物减少，故偏高岭土掺量超过一定量后，水泥土的抗压强度呈降低趋势。

图1 不同偏高岭土掺量下水泥土无侧限抗压强度变化规律

2.1.2 浸泡时间影响

在不同NaCl 溶液浓度环境下，浸泡时间对3%掺量偏高岭土水泥土无侧限抗压强度变化规律如图2 所示。 由图2 可知，不同偏高岭土掺量的水泥土无侧限抗压强度与浸泡时间的变化趋势较为接近，随浸泡时间增加，普通水泥土和偏高岭土改良水泥土前28 d 的抗压强度增长速率均快于后期。究其原因，是由于随着浸泡时间增加，水泥熟料逐渐被消耗， 水泥水化反应速率及水化产物逐渐减少，在浸泡前期水泥与偏高岭土反应生成较多的硅酸钙等胶凝产物填充孔隙，提高土体密实性和黏聚力，故水泥土和偏高岭土水泥土抗压强度增长较迅速；而在浸泡后期，水泥土结构趋于稳定，水化反应生成的胶凝产物减少，从而使其抗压强度增长速率降低，逐渐趋于稳定。

图2 不同浸泡时间下偏高岭土水泥土无侧限抗压强度变化规律

2.1.3 NaCl 溶液浓度影响

NaCl 溶液浓度对3%偏高岭土改良水泥土无侧限抗压强度的变化规律如图3 所示。 由图3 可知，随NaCl 溶液浓度增加，不同浸泡时间下偏高岭土改良水泥土的无侧限抗压强度变化规律相近，其抗压强度均随NaCl 溶液浓度增大逐渐提高，当浸泡时间＜28 d 时，9.0 g/L 浓度NaCl 溶液环境下的偏高岭土改良水泥土抗压强度较清水平均提高了8.0%；而当浸泡时间≥28 d 时，改良水泥土的抗压强度与NaCl 溶液浓度呈线性关系，相关系数达93.5%以上，NaCl 溶液浓度每增加1 g/L，其抗压强度约提高1.3%。由于3%偏高岭土改良水泥土的结构密实性及抗盐侵蚀性好，因此在侵蚀过程中，水泥与偏高岭土水化反应产生的胶凝产物能够提高其抗渗性，阻碍了Cl 的渗入，且生成的Ca（OH）2和水化铝酸钙也能与游离的Cl 生成盐晶体，当盐晶体体积小于土体内部孔隙体积时，有利于土体抗压强度提高，但过量的盐晶体则会对孔壁产生膨胀裂缝，破坏土体结构整体性，从而引起抗压强度降低。

图3 不同NaCl 溶液浓度下偏高岭土水泥土无侧限抗压强度变化规律

2.2 干湿循环试验

2.2.1 偏高岭土掺量影响

干湿循环环境下，偏高岭土掺量对偏高岭土水泥土无侧限抗压强度影响如图4 所示。 由图4 可知，在干湿循环环境下，随着偏高岭土掺量的增加，水泥土的无侧限抗压强度均呈先增大后减小变化趋势，其中偏高岭土掺量≤3%时，偏高岭土掺量每增加1%，其抗压强度提高约14.3%，说明水泥土掺入偏高岭土后抗干湿性能提高；当偏高岭土掺量超过3%后， 改良水泥土的抗压强度出现降低，5%偏高岭土改良水泥土的抗压强度较普通水泥土降低了约5.6%，这是因为水泥掺量较少，水化反应生成的Ca（OH）2、硅酸钙等产物减少，导致土体结构密实性也随之降低。

图4 不同偏高岭土掺量下偏高岭土水泥土无侧限抗压强度变化规律

2.2.2 干湿次数影响

干湿次数对偏高岭土水泥土无侧限抗压强度影响如图5 所示。 由图5 可知，干湿循环环境下，不同偏高岭土水泥土无侧限抗压强度变化规律基本一致，当干湿次数＜3 次时，水泥土的抗压强度均有所提高，而干湿次数超过3 次后，抗压强度则逐渐降低。在清水和NaCl 溶液浓度为4.5 g/L，干湿循环3 次的水泥土抗压强度较干湿1 次分别提高了约6.8%、9.1%， 说明水泥水化产物硅酸钙等胶凝材料对土体的强度提高作用大于干湿循环对土体强度劣化作用；干湿循环超过3 次后，偏高岭土水泥土抗压强度随干湿次数增加呈线性趋势降低， 其相关系数达0.98 以上，干湿次数每增加1 次，清水和NaCl 溶液浓度为4.5 g/L 下的改良土抗压强度降速相当，约分别为2.3%、2.0%。

图5 不同干湿次数下偏高岭土水泥土无侧限抗压强度变化规律

3 结论

本文采用偏高岭土等质量替换水泥，通过室内盐溶液侵蚀试验和干湿循环试验，研究了偏高岭土改良水泥土抗压强度的变化规律。 得到了以下结论：（1）同一NaCl 溶液浓度及浸泡时间下，3%偏高岭土改良水泥土的抗盐溶液侵蚀作用最强，偏高岭土掺量≤3%时，增加偏高岭土掺量能够有效提高水泥土的抗盐侵蚀性，5%偏高岭土改良水泥土抗压强度较普通水泥土抗压强度降低约5.1%；（2）随浸泡时间增加，偏高岭土改良水泥土无侧限抗压强度前28 d 的抗压强度增长速率快于后期；随NaCl 溶液浓度增加，偏高岭土改良水泥土抗压强度逐渐增大；（3）干湿循环环境下，3%偏高岭土改良水泥土的抗压强度最大，偏高岭土掺量≤3%，偏高岭土掺量每增加1%，抗压强度提高约14.3%，5%偏高岭土改良水泥土的抗压强度较于普通水泥土降低了约5.6%；（4）随干湿次数增加，偏高岭土水泥土抗压强度前3 次逐渐提高，干湿次数超过3 次后，抗压强度随干湿次数增加呈线性趋势降低，干湿次数每增加1 次，清水和NaCl 溶液浓度为4.5 g/L 环境下的抗压强度约分别降低2.3%、2.0%。