海水侵蚀诱发水泥固化土劣化机制与过程研究

罗汉玉

（中国铁建港航局集团有限公司总承包分公司，广东 珠海 519000）

0 引言

我国东南沿海等地区广泛分布着滨海相淤泥质软弱土，这些软土具有含水量高、压缩性高、承载力低、固结程度低、含有盐分及有机质等不良工程特性。随经济社会迅速发展和城市化进程加速扩张，港口、码头等临海建筑和新城围海造陆项目不断涌现，若在软土地区修建道路等基础设施，则易造成软土地基不均匀沉降甚至引发严重工程事故。因此，侵蚀环境下软土地基加固及长期性能评价，已成为滨海地区基础设施建设过程中亟待破解的关键难题。

滨海地区工程建设使用水泥搅拌桩进行地基处理，其矿物成分和微细观结构由于盐分等侵蚀效应发生改变，搅拌桩自身强度、稳定性和耐久性降低，甚至导致水泥搅拌桩复合地基承载性能发生衰变，造成地面发生过大沉降甚至失稳破坏。闫楠等[1]研究了海水侵蚀溶质、盐分浓度等对水泥固化土强度影响过程，建立了侵蚀浓度-侵蚀时间等效关系。吴燕开等[2]研究了不同离子浓度海水对钢渣粉-水泥固化土强度劣化过程，发现钢渣粉能有效降低侵蚀作用。宁宝宽等[3]研究了不同侵蚀环境下水泥固化土力学特性，探讨了该环境下固化土本构模型。韩鹏举等[4]提出了水泥固化土强度与Mg2+和SO42-浓度相关联模型，可为工程设计预测提供参考价值。邢皓枫等[5]明确了水泥固化土中Mg2+、Cl-和SO42-离子含量对抗压强度影响规律及内在作用机制。白晓红等[6]发现侵蚀环境中水泥固化土强度与侵蚀时间对应关系，固化土强度与侵蚀环境中成分和浓度紧密相关。黄新等[7]发现侵蚀过程中硫酸盐产生结晶体填充水泥土中孔隙，可提高水泥土抗压强度。杨晓松等[8]研究了人工改良氯盐渍土工程特性，探讨了氯盐侵蚀化学动力学原理。刘东锋[9]明确了侵蚀环境中NaCl 和MgCl2对水泥固化土的力学性质影响过程及作用机制。Kitazume 等[10]研究了不同养护环境下水泥土桩体抗压强度演变规律，发现水泥固化土强度衰减与Ca2+淋溶密切相关。Pham 等[11]研究了硫酸盐环境下水泥土桩劣化过程，基于所建立分析模型实现了水泥土桩体强度随时间变化规律预测。综上所述，当前成果大多侧重单盐分侵蚀作用下水泥固化土力学性能劣化过程，尚缺乏双盐分及三盐分协同作用对水泥固化土抵抗海水侵蚀性能及内在机制的研究，相关研究亟需深化。

本文选取海水环境中3 种主要盐分（NaCl、MgCl2和MgSO4），利用无侧限抗压强度、直接剪切、扫描电镜等试验，识别海水侵蚀环境下水泥固化土力学特性的演变过程与微观结构；通过Abaqus 有限元数值计算方法，明确海水侵蚀作用下水泥搅拌桩复合地基沉降与承载特性。研究成果可为我国滨海地区水泥搅拌桩加固地基及其长期服役性能评判提供参考。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验所用软土取自珠海洪湾港北片区填筑及市政基础设施工程施工现场，近期经人工吹填造地而成。其初始含水率、液限、塑限、最优含水率等基本物理特征指标值如表1 所示。深层搅拌所用水泥为42.5 级普通硅酸盐水泥，含CaO（64.1%）、SiO2（21.85%）、Al2O3（4.31%）、Fe2O3（2.69%）等多种组分。对施工现场海水中所含盐分类型和盐度进行测定，其所含NaCl、MgCl2、MgSO4基准浓度分别为5.50 g/kg、1.60 g/kg、0.16 g/kg。

表1 软土基本物理特征Table 1 Basic physical characteristics of soft soil

1.2 试验方案

针对海水中所含3 种主要盐分（NaCl、MgCl2、MgSO4）及其基准浓度，通过无侧限抗压强度、直接剪切等系列试验，研究盐分浓度和养护龄期影响下水泥固化淤泥力学特性演变过程及微观机制。配置单组分、双组分和三组分盐溶液，模拟海水侵蚀环境下不同盐分种类及盐分浓度的影响。双盐分：以NaCl 为基本溶质（恒定浓度22 g/kg），配置NaCl-MgCl2、NaCl-MgSO4两种情况，MgCl2和MgSO4浓度按梯度设置，即MgCl2浓度为3.2 g/kg、4.8 g/kg、6.4 g/kg 和8 g/kg，MgSO4浓度为0.32 g/kg、0.48 g/kg、0.64 g/kg、0.80 g/kg、1.6 g/kg和3.2 g/kg。三盐分：以海水中3 种盐分浓度为基准浓度，整体上浓度以倍数（1 倍、2 倍、3 倍、4倍、5 倍）同步变化。

为保证试样均匀性，将预先配置的盐溶液倒入淤泥后机械搅拌10 min，随后将水泥（掺量占淤泥干重15%）撒入淤泥再次搅拌10 min 直至均匀。将混合料分层填入模具并控制平行试样质量，保鲜膜密封并标准养护至设定龄期（7 d、14 d、28 d）后脱模，制备无侧限抗压强度试样（高度50 mm、直径50 mm）和直接剪切试样（高度20 mm、直径61.8 mm）。

无侧限抗压强度试验采用WDW-50kN 微机控制电子万能试验机，加载速率为1 mm/min。直剪试验采用应变控制式直剪仪，水平剪切速率为1.2 mm/min。扫描电镜试验采用Zeiss SIGMA 型场发射扫描电子显微镜（分辨率1.5 nm、可放大30 倍～300 000 倍）进行冻干试样检测，观察水泥固化土产物形貌及微观结构。

2 试验结果与讨论

2.1 无侧限抗压强度

NaCl-MgCl2、NaCl-MgSO4和NaCl-MgCl2-MgSO4侵蚀水泥固化土经养护7 d、14 d 和28 d后，其抗压强度对应随MgCl2、MgSO4浓度（NaCl浓度恒定）和整体倍数的变化过程见图1。分析可知，海水侵蚀水泥固化土抗压强度随养护龄期延长而显著增大，相同龄期时抗压强度随盐分浓度增加而明显降低。分析图1（a）可知，NaCl-MgCl2侵蚀水泥固化土7 d、14 d 和28 d 时抗压强度从0.70 MPa、0.95 MPa、1.17 MPa（MgCl2浓度0）持续降至0.46 MPa、0.59 MPa、0.78 MPa（MgCl2浓度8 g/kg），强度降幅达到34.3%、37.9%、33.3%。在22 g/kg NaCl 恒定浓度下，添加MgCl2进一步劣化水泥固化土抗压强度，且随MgCl2浓度增加抗压强度明显下降。即MgCl2对水泥固化土侵蚀效应大大增强，且NaCl-MgCl2双盐分对水泥固化土抗压强度的协同劣化效应超过水泥水化反应对固化土强度的提升程度。

图1 双组分和三组分侵蚀作用下水泥土抗压强度Fig.1 Compressive strength of cement-solidified soils subjected to erosion from two and three salts

分析图1（b）中NaCl-MgSO4双盐分影响下水泥固化土抗压强度随MgSO4浓度变化过程，发现抗压强度随MgSO4浓度增加整体呈下降趋势。当MgSO4浓度从0 升至3.2 g/kg 时，7 d、14 d 和28 d 时试样抗压强度从0.70 MPa、0.95 MPa、1.17 MPa（MgCl2浓度0）持续降至0.5 MPa、0.77 MPa、0.87 MPa。在22 g/kg NaCl 恒定浓度下，MgSO4明显劣化水泥固化土抗压强度，并且MgSO4浓度小于1.6 g/kg 时试样抗压强度迅速下降，MgSO4浓度升至1.8 g/kg 时抗压强度变化平缓。这说明MgSO4浓度存在阈值，当超过一定水平时，MgSO4浓度持续升高对水泥固化土抗压强度影响较为有限。NaCl 浓度恒定为22 g/kg 时，MgSO4浓度对水泥固化土侵蚀效应大大增强，MgSO4对水泥固化土强度劣化程度超过水泥水化反应诱发固化土强度提升幅度。

NaCl-MgCl2-MgSO4侵蚀水泥固化土抗压强度随盐分浓度整体倍数变化过程见图1（c）。7 d、14 d 和28 d 水泥固化土抗压强度随盐分浓度增加整体呈下降趋势，龄期越长，强度下降趋势越明显。当盐分浓度整体倍数从0 升至5 时，7 d、14 d 和28 d 水泥固化土抗压强度从0.66 MPa、0.95 MPa、1.25 MPa 降至0.47 MPa、0.58 MPa、0.77 MPa，降幅高达28.8%、38.9%、38.4%。NaCl-MgCl2-MgSO4侵蚀下水泥固化土抗压强度随盐分浓度变化与NaCl-MgCl2、NaCl-MgSO4双盐分时抗压强度变化过程类似。事实上，三盐分溶液更符合海水侵蚀水泥固化土赋存环境，三盐分协同侵蚀效应对水泥固化土抗压强度劣化程度比水泥水化反应对固化土抗压强度提升幅度更明显。

2.2 抗剪强度

以MgCl2和MgSO4单组分侵蚀影响为例，水泥固化土黏聚力和内摩擦角随盐分浓度的变化过程见图2 和图3。分析可知，随盐分浓度增加，水泥固化土内摩擦角和黏聚力整体呈快速下降趋势。若MgCl2浓度由0 增至6 g/kg，7 d 和28 d 固化土黏聚力从52.7 kPa、80.9 kPa 降至36.4 kPa、48.5 kPa（降幅分别为30.9%、40.1%），内摩擦角从42.6°、50.9°降至20.9°、34.4°（降幅分别为50.9%、32.4%）。若MgSO4浓度由0 增至1 g/kg，7 d 和28 d固化土内摩擦角从42.6°、50.9°降至22.6°、39.6°（降幅分别为50.9%、30.9%），28 d 时黏聚力从80.9 kPa 降至55.6 kPa（降幅为50.9%），但7 d黏聚力先从52.7 kPa 增至132.3 kPa，之后持续降至107.6 kPa（仍高于52.7 kPa）。值得注意的是，早期时MgSO4添加可促进水泥水化反应，导致土颗粒团聚引起内部黏聚力显著增加。由讨论可知，MgCl2和MgSO4单组分侵蚀效应对水泥固化土黏聚力影响明显比对内摩擦角影响程度更大。究其原因，盐分侵蚀更多表现为破坏水泥固化土内部颗粒间化学胶结作用，而对颗粒本身摩擦作用弱化程度偏小。

图2 MgCl2 作用下水泥土抗剪强度Fig.2 Shear strength of cement-solidified soil subjected to MgCl2 erosion

图3 MgSO4 作用下水泥土抗剪强度Fig.3 Shear strength of cement-solidified soil subjected to MgSO4 erosion

2.3 侵蚀效应下搅拌桩工作性能

前述研究明确了海水侵蚀效应对水泥固化土抗压强度和抗剪强度特性的影响，采用Abaqus 有限元数值模拟评价滨海侵蚀效应下水泥搅拌桩的工作性能。选取三盐分基准浓度（设置浓度整体倍数1），通过直接剪切和抗压强度试验获取三盐分侵蚀作用下28 d 水泥固化土强度指标与本构参数，评价在海水侵蚀效应下水泥搅拌桩复合地基承载特性、沉降规律和破坏形式。图4 展示了NaCl-MgCl2-MgSO4侵蚀前后水泥固化土抗压强度和抗剪强度。三盐分协同侵蚀作用促使试样抗压强度、黏聚力和内摩擦角明显降低，随水泥水化过程延续，强度指标值随养护龄期延长而显著增长。相比未侵蚀试样，三盐分侵蚀下水泥固化土抗压强度、黏聚力和内摩擦角对应降低10.3%～20.4%、8.8%～23.3%和7.3%～13.1%。

图4 NaCl-MgCl2-MgSO4 三盐分作用下水泥土抗压强度和抗剪强度Fig.4 Compressive and shear strength of cement-solidified soils subjected to NaCl-MgCl2-MgSO4 erosion

采用水泥土桩材料本构参数（黏聚力、内摩擦角）代入有限元模型进行计算，明确海水侵蚀环境对水泥土群桩复合地基工作特性的劣化效应，结果见图5—图7。

图5 侵蚀前后桩身应力和桩侧摩阻力变化过程Fig.5 Evolution of stress and side friction of mixing pile without and with erosion

分析图5（a）中海水侵蚀前后桩身应力随桩长变化曲线，自桩顶处开始桩身应力明显增加直至峰值，之后桩身应力发生快速衰减。盐分侵蚀效应使桩身应力峰值发生位置向下移动且峰值水平降低，侵蚀前后分别在1/3 和1/2 桩长深度达到应力峰值，且峰值由侵蚀前0.60 MPa 降至侵蚀后0.53 MPa（降幅11.7%）。分析图5（b），侵蚀效应对桩侧摩阻力影响主要体现在负摩阻力段，侵蚀前后桩侧摩阻力从桩顶位置快速向负值方向增加，但负摩阻力值整体较为有限。侵蚀前后桩侧摩阻力曲线走势在距桩顶2.5 m 位置出现区别，侵蚀前桩侧摩阻力曲线随桩长变化较平缓，而侵蚀后桩侧负摩阻力先快速增加后减小，直至与侵蚀前桩侧摩阻力曲线几乎重合。侵蚀前后桩侧负摩阻力峰值均出现在距桩顶约5 m 深度，负摩阻力峰值由侵蚀前4.7 kPa 增至侵蚀后8.3 kPa（增幅76.6%）。整体上，盐分侵蚀作用导致水泥搅拌桩桩体强度指标明显衰减，使群桩复合地基承载能力降低。

图6 展示了水泥搅拌桩复合地基群桩部分发生塑性变形区域。观察群桩塑性变形区域发现变形云图大致相似，即桩体塑性变形发展规律一致、潜在破坏形式一致（压屈鼓胀破坏）。对未经海水侵蚀桩群，桩体最大等效塑性应变2.44 cm；对存在海水侵蚀效应桩群，桩体最大等效塑性应变3.25 cm，即侵蚀效应使桩体塑性应变增大33.2%。这说明群桩桩体受海水侵蚀效应影响，桩体塑性变形大幅增加，明显增加桩体失效破坏风险。

图6 侵蚀前后群桩塑性变形Fig.6 Plastic deformation of mixing pile without and with erosion

图7 展示了海水侵蚀前后水泥搅拌桩复合地基沉降量云图。未经海水侵蚀复合地基最大沉降值24.8 cm，海水侵蚀复合地基最大沉降值29.7 cm，即海水侵蚀弱化效应诱使地基最大沉降量增加19.8%。海水侵蚀复合地基桩周土沉降量更大，随土层深度增加，桩体与桩周土间差异沉降逐渐减小。由此可见，海水侵蚀效应弱化水泥搅拌桩桩体及复合地基承载能力，桩体与桩周土的沉降量与未侵蚀复合地基相比均有增加，导致地表最大沉降量增加。

图7 侵蚀前后群桩沉降量Fig.7 Settlement amount of mixing pile without and with erosion

2.4 侵蚀微观机制

选取NaCl-MgCl2、NaCl-MgSO4、NaCl-MgCl2-MgSO4侵蚀水泥固化土试样经抗压强度破坏后代表性试块，开展扫描电镜试验识别侵蚀效应诱发试样内部微观结构与形貌演变。分析图8 中试样表观形貌，无论海水侵蚀前后，水泥土微观结构由水泥水化反应主导，即养护龄期增加生成更多纤维状和针状水化产物使固化体颗粒紧密排列，形成更致密结构导致其力学特性提升。对于滨海环境所含NaCl 对水泥土强度性能影响，主要取决于CaCl2·6H2O 结晶生成量。事实上，适量结晶生成会填充固化土内部孔隙，结晶引起填充和挤密效应增强；然而，过量结晶引起膨胀效应造成水泥固化土本身结构膨胀破坏，降低水泥固化土胶结强度。当NaCl 和MgCl2或MgSO4共同存在时，水泥固化土内部化学反应体系发生明显改变。

图8 海水侵蚀下水泥土微观形貌Fig.8 Micromorphology of cement-solidified soils subjected to seawater erosion

当水泥固化土中掺入MgCl2时（图8（a）），水泥水化产物Ca（OH）2与其发生反应生成CaCl2与Mg（OH）2，Mg（OH）2进一步与SiO2反应生成水化硅酸镁凝胶（MgO·SiO2·H2O，M-S-H）。然而，Mg2+替换水化硅酸钙凝胶（3CaO·2SiO2·3H2O，C-S-H）中Ca2+形成弱胶结能力M-S-H，导致土颗粒间联接与胶结作用减弱，宏观上表现为固化土试样力学特性减弱。当水泥固化土中掺入MgSO4时（图8（b）），Mg2+与水化产物Ca（OH）2反应生成结构松软、胶凝能力偏弱Mg（OH）2。同时，Mg2+与水泥土中SiO2反应生成M-S-H 并分散于C-S-H 凝胶中，使C-S-H 胶凝性能变差、水泥土强度降低。此外，SO42-与水泥土中Ca2+、C-A-H 等产物反应生成石膏（CaSO4·2H2O）、钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O），这些产物形成过程引起试样体积膨胀、土体内部应力增大，固化试样发生膨胀破坏而引起强度性能劣化。值得注意的是，NaCl-MgCl2-MgSO4三盐分侵蚀作用下水泥固化土（图8（c））内部化学反应过程与上述双盐分作用下反应机制类似，弱胶结产物生成和产物膨胀效应共同诱使水泥固化土颗粒间连接和胶结作用减弱，引起固化土内部结构发生膨胀破坏。

3 结语

1） 双盐分和三盐分侵蚀作用下水泥固化土抗压强度随养护龄期延长呈上升趋势，随盐分浓度增加呈明显下降趋势。与单掺NaCl 相比，MgCl2和MgSO4对水泥固化土侵蚀效应大大增强，NaCl、MgCl2、MgSO4盐分对水泥固化土抗压强度的协同劣化效应超过水泥水化反应对固化土强度的提升程度。

2） 随MgCl2和MgSO4盐分浓度的增加，水泥固化土内摩擦角和黏聚力整体上均快速下降，且MgCl2和MgSO4单组分侵蚀效应对水泥固化土黏聚力的影响程度明显比对内摩擦角的影响程度更大。

3） 盐分侵蚀效应使得桩身应力峰值发生位置下移且峰值水平降低，侵蚀前后分别在1/3 和1/2桩长达到峰值。侵蚀效应对桩侧摩阻力影响主要体现在负摩阻力段，桩侧摩阻力从桩顶位置快速向负值方向增加。盐分侵蚀作用导致水泥搅拌桩桩体强度指标明显衰减，桩体塑性变形大幅增加，使群桩复合地基承载能力降低，导致地表最大沉降量增加。

4） 水泥土微观结构由水泥水化反应主导，即养护龄期增加生成更多纤维状和针状水化产物使固化体颗粒紧密排列，形成更致密结构导致其力学特性提升。弱胶结产物生成和水化产物膨胀效应共同诱使水泥固化土颗粒间连接和胶结作用减弱，引起固化土内部结构发生膨胀破坏和力学性能劣化。