水泥加固淤泥土力学与抗海水腐蚀性能研究*

2024-03-21阴琪翔侯明姣程强强张梦钵

化学工程师 2024年2期

阴琪翔，侯明姣，程强强，张梦钵

（江苏建筑职业技术学院建筑建造学院，江苏徐州 221116）

江浙地区存在大量的湖泊和海洋环境，软土分布广泛，其内部结构复杂多样、含水率高、孔隙比大、力学强度小，难以满足地基承载要求，易引发建筑结构的地基失稳、破坏开裂、工程造价高等问题[1-3]。水泥加固淤泥土可以有效改善软土地层的力学性能，提升地基的承载能力，并且施工工艺简单、成本可控，是目前解决软土地层施工的重要方法之一[4-6]。

众多学者在水泥加固淤泥土方面开展了大量的研究工作。吴燕开等[7]针对海相淤泥土开展了不同氯盐浓度的侵蚀实验，分析了氯盐浓度对水泥加固淤泥土力学特性的影响规律；周本涛等[8]研究了水泥掺量以及冻融循环对水泥加固淤泥土力学特性的影响规律；刘宜昭等[9]分析了水泥加固土的Pb2+、Zn2+等重金属的隔离能力，给出了有效隔离的水泥加固土厚度；陈庚等[10]针对水泥加固淤泥土的拌合均匀度展开研究，给出了有效的量化方法和测试手段；陈刚等[11]开展了水泥加固淤泥土的力学特性测试和Cl-运移规律研究，探讨了Cl-侵蚀时间对力学性能的影响规律。然而，目前在水泥加固淤泥土的抗海水腐蚀方面的研究较少，江浙地区的临海软土工程施工缺乏理论支撑。因此，本文制备了不同水泥掺量的水泥加固淤泥土试件，开展了不同海水试剂干湿循环后的力学性能测试，分析了单轴抗压强度、内聚力和内摩擦角随水泥掺量和干湿循环次数的变化规律。本文的研究成果可为水泥加固淤泥土的工程使用提供理论支撑。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

实验材料有淤泥土、水泥、搅拌水和人工海水试剂。

（1）淤泥土淤泥土取自徐州铜山区某基坑3～5m 处，XRD 测试结果显示，其主要矿物成分由长石、石英、伊利石和蒙脱石组成，淤泥土的基本物理力学性质见表1。

表1 淤泥土的基本物理力学性质Tab.1 Basic physical and mechanical properties of silty soils

（2）水泥水泥选用徐州润发水泥制品有限公司的P.O42.5 普通硅酸盐水泥，其主要化学成分见表2。

表2 水泥的主要化学成分（%）Tab.2 The main chemical composition of cement

（3）搅拌水搅拌水选用普通自来水。

（4）人工海水试剂人工海水试剂选取上海光语生物科技有限公司的海水试剂，其主要物质含量见表3。

表3 人工海水试剂的主要物质含量Tab.3 The main substance content of artificial seawater reagent

（5）仪器 DHG-3000AE 型立式鼓风干燥箱（苏州峻航电器设备有限公司）；门式三轴试验系统（长春朝阳仪器厂）。

1.2 实验方法

1.2.1 试件的制备首先，将原状淤泥土放入烘干箱（立式鼓风干燥箱DHG-3000AE）烘干；然后，将干淤泥土和水泥按照一定质量比（水泥掺量分别为4%、8%、12%、16%和20%）放入搅拌机充分搅拌均匀后，将淤泥土含水率为51.4%的搅拌水分多次加入搅拌机搅拌均匀；最后，将水泥加固淤泥土分3 次倒入模具中，每次振捣2～3min，恒温恒湿养护3～5d后脱模，继续恒温恒湿养护28d。

1.2.2 干湿循环实验将养护28d 的水泥加固淤泥土在人工海水溶剂中浸泡8h 后，自然干燥40h，即2d 为一个干湿周期。分别开展各类配比加固土0、2、5、8、12、18 次的干湿循环实验。

1.2.3 力学特性测试将经过不同干湿循环次数后的不同水泥掺量的水泥加固淤泥土分别进行单轴抗压强度、内聚力和内摩擦角测试（门式三轴试验系统），分析水泥掺量以及海水侵蚀对水泥加固淤泥土力学性能的影响规律。

2 结果与讨论

2.1 水泥掺量对淤泥土力学性能的影响

2.1.1 抗压强度向淤泥土中掺加不同质量的水泥并养护28d 后，其抗压强度分布曲线见图1。

图1 水泥掺量对淤泥土抗压强度的影响Fig.1 Effect of the cement content on the compressive strength of silty soils

由图1 可见，水泥掺量分别为4%、8%、12%、16%和20%时，水泥加固淤泥土的无侧限单轴抗压强度分别为0.31、1.09、1.62、2.59 和3.48MPa。由这种变化趋势上看，随着水泥掺量（w）的增大，水泥加固淤泥土的无侧限单轴抗压强度Rc呈现线性增长特征：Rc=-0.534+0.196w，即水泥掺量每增加1%，其值增长约为0.196MPa。出现这种变化现象的原因在于，水泥水化反应不仅可以消耗掉淤泥土中大量的孔隙自由水，而且水化反应产生的高硬性物质可以填充在淤泥土孔隙中，增强土颗粒间的相互作用，进而增加淤泥土的密实性和骨架体系强度；水泥掺量越大，这种提升作用就越明显，相应的加固淤泥土抗压性能就越好。

2.1.2 内聚力不同水泥掺量下淤泥加固土养护28d 后的内聚力变化曲线见图2。

图2 水泥掺量对淤泥土内聚力的影响Fig.2 Effect of the cement content on the cohesion of silty soils

由图2 可见，未掺加水泥时，淤泥土的内聚力很小，仅为0.006MPa。而掺加4%、8%、12%、16%和20%的水泥后，淤泥土的内聚力则分别增加至0.102、0.354、0.515、0.722 和0.921MPa。由此可知，随着水泥掺量w 的增大，淤泥加固土的内聚力c 也呈近线性增大：c=-0.034+0.047w，即水泥掺量每增加1%，其值增长约0.047MPa。出现这种变化现象的原因在于，水泥掺量越大，水泥水化反应产物就越多，淤泥加固土的孔隙率就越小，其密实性和颗粒黏结性也越高，相应的内聚力也越大。

2.1.3 内摩擦角不同水泥掺量下淤泥加固土养护28d 后的内摩擦角变化曲线见图3。

图3 水泥掺量对淤泥土内摩擦角的影响Fig.3 Effect of the cement content on the internal friction angle of silty soils

由图3 可见，未掺加水泥时，淤泥土的内摩擦角很小，仅为4.9°。而掺加4%、8%、12%、16%和20%的水泥后，淤泥土的内摩擦角就分别增加至12.1°、18.3°、24.0°、27.9°和30.8°。由此可见，随着水泥掺量w 的增大，淤泥加固土的内摩擦角φ 呈指数衰减式增大：φ=-40.94e-w/19.44+45.68，即水泥掺量达到一定值后，淤泥加固土的内摩擦角就基本保持不变。出现这种变化的原因在于，水泥水化产物填充在淤泥土孔隙中能够增强土体颗粒相互间的摩擦系数，提高淤泥加固土的内摩擦角，但当水泥掺量达到一定值后，淤泥土孔隙中将完全被水泥水化产物所填充，土体颗粒间摩擦系数就基本保持稳定，此时再增加水泥掺量对淤泥加固土内摩擦角影响不大。

2.2 水泥加固淤泥土抗海水腐蚀性能分析

2.2.1 抗压强度变化规律随着海水干湿循环次数的增加，不同水泥掺量下加固淤泥土的抗压强度变化情况见图4、5。

图4 海水干湿循环次数对淤泥土抗压强度的影响Fig.4 Effect of different dry-wet cycles of seawater on the compressive strength of silty soils

由图4 可见，随着海水干湿循环次数的增加，不同水泥掺量下加固淤泥土的抗压强度均呈现不断变小的变化规律，但其减小的幅度却越来越小，以水泥掺量为12%为例，其抗压强度在前2 次海水干湿循环后减小了0.29MPa（相当于每次干湿循环后减小0.145MPa），在第5 次至第8 次海水干湿循环后减小了0.16MPa（相当于每次干湿循环后减小0.053MPa），在第12 次至第18 次海水干湿循环后减小了0.20MPa（相当于每次干湿循环后减小0.033MPa）。出现这种变化的原因在于，海水中的Cl-、S以及Mg2+等侵蚀性离子会在干湿循环过程中通过加固淤泥中的导水孔隙通道与水泥水化产物反应生成膨胀性物质CaCl2·6H2O，破坏加固土颗粒间的粘结作用，导致加固土抗压强度逐渐下降，初期水泥水化产物越多，加固土抗压强度在干湿循环过程中下降就越明显。

由图5 可见，水泥掺量越大，加固淤泥土在整个干湿循环过程中抗压强度损失值就越小，以海水干湿循环次数为18 次为例，4%、8%、12%、16%和20%水泥掺量的加固土抗压强度损失率分别为67.7%、64.2%、61.1%、57.9%以及54.5%。原因在于，水泥掺量越大，加固淤泥土的孔隙率就越小，海水中的侵蚀性离子就越难通过加固土中的导水孔隙通道进入加固淤泥土内部与水泥水化产物发生反应。可见，水泥掺量的增大能够提高加固淤泥土的抗海水腐蚀能力。

图5 海水干湿循环次数对淤泥土抗压强度损失率的影响Fig.5 Effect of different dry-wet cycles of seawater on the loss rate of compressive strength of silty soils

2.2.2 内聚力变化规律随着海水干湿循环次数的增加，不同水泥掺量下加固淤泥土的内聚力变化情况见图6。

图6 海水干湿循环次数对淤泥土内聚力的影响Fig.6 Effect of different times of wet and dry sea water cycles on the cohesion of silty soils

由于海水干湿循环过程中，海水中的侵蚀性离子会进入加固淤泥土中与水泥水化产物生成膨胀性腐蚀产物，破坏加固淤泥土中由水泥水化产物与土组成的承载体系结构，导致加固淤泥土内聚力随海水干湿循环次数的增加而不断减小。当干湿循环次数为8 次时，4%、8%、12%、16%和20%水泥掺量下加固土内聚力分别为0.069、0.227、0.351、0.521 和0.685MPa，比未受海水腐蚀前减小了32.3%、35.9%、31.8%、27.9%以及25.6%。当干湿循环次数为18 次时，4%、8%、12%、16%和20%水泥掺量下加固土内聚力分别为0.040、0.124、0.245、0.388 和0.505MPa，比未受海水腐蚀前减小了60.8%、65.0%、52.4%、46.3%以及45.2%。这说明，水泥掺量的增大可以增强加固淤泥土的耐久性，提高它的抗Cl-腐蚀性能。

2.2.3 内摩擦角变化规律随着海水干湿循环次数的增加，不同水泥掺量下加固淤泥土的内摩擦角变化情况见图7。

图7 海水干湿循环次数对淤泥土内摩擦角的影响Fig.7 Effect of different times of wet and dry sea water cycles on the internal friction angle of silty soil

由图7 可见，随着海水干湿循环次数的增大，加固淤泥土中的腐蚀性物质会不断增多，其孔隙率也将不断增大，导致不同水泥掺量下加固淤泥土内摩擦角呈现逐渐减小的变化趋势。当干湿循环次数为8 次时，4%、8%、12%、16%和20%水泥掺量下加固土内摩擦角分别为10.0°、15.1°、17.7°、20.1°和24.0°，比未受海水腐蚀前减小了17.4%、17.5%、26.3%、28.0%以及22.1%。当干湿循环次数为18 次时，4%、8%、12%、16%和20%水泥掺量下加固土内摩擦角分别为7.8°、11.8°、15.5°、18.4°和19.2°，比未受海水腐蚀前减小了35.5%、35.5%、35.4%、34.1%以及37.7%。这说明海水腐蚀作用对加固淤泥土内摩擦角的影响相比内聚力要弱，水泥掺量的增大对海水干湿循环作用下加固土内摩擦角的损失比率影响不大。