閆 楠， 楊俊杰， 劉 強(qiáng)， 董猛榮

(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 3.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

長期服役于腐蝕場地的水泥土將發(fā)生劣化[1-6]，從而對其使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

針對水泥土等加固體的劣化問題，楊俊杰等[7-10]根據(jù)不同的工程背景將其分為場地環(huán)境變化引起已有加固體的劣化問題(第一類劣化問題)和腐蝕場地形成的加固體的劣化問題(第二類劣化問題)。針對第一類劣化問題，Han和Bai[4]通過采用硫酸、硫酸鈉、氯化鎂等不同溶液對成型的水泥土實(shí)施浸泡，并對達(dá)到浸泡時(shí)間的試樣實(shí)施無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。劉泉聲等[11]利用不同濃度的氯化鈉溶液、氯化鎂和氯化鈉混合溶液、硫酸鎂和氯化鈉混合溶液模擬侵蝕環(huán)境，對浸泡90、180和270 d的水泥土試塊實(shí)施無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。Kitazume等[12]將試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)14 d后，放入黏土中，并對其實(shí)施力學(xué)測試。結(jié)果表明，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長，處在黏土環(huán)境中的水泥土未明顯劣化，但沒有明確給出黏土的性質(zhì)。Terashi等[13]首先將試樣在試樣筒內(nèi)分別養(yǎng)護(hù)(室內(nèi)溫度25 ℃，濕度85%)2 h(無側(cè)限抗壓強(qiáng)度60 kPa)和24 h(同640 kPa)后脫模，脫模后分別在三種環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，即標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(用塑料袋密封試樣放入溫度20 ℃、濕度95%的恒溫恒濕箱內(nèi))、黏土養(yǎng)護(hù)(含水量是120%的川崎黏土)和海水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間最長均為730 d。對達(dá)到齡期的試樣實(shí)施無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果顯示，養(yǎng)護(hù)24 h脫模后放入三種環(huán)境下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)的試樣，在同一齡期時(shí)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別大于養(yǎng)護(hù)2 h的相應(yīng)的試樣；養(yǎng)護(hù)2和24 h脫模放入三種環(huán)境后，試樣的強(qiáng)度均呈隨齡期先增加后降低的趨勢，海水環(huán)境下強(qiáng)度在28 d左右，黏土環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度在180 d左右達(dá)到最大，海水環(huán)境下強(qiáng)度增加幅度最小，降低幅度最大，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度增加幅度最大、降低幅度最小，黏土環(huán)境居中。針對第二類劣化問題，Miao Jiali[14]、楊俊杰等[7-10]采用海水養(yǎng)護(hù)的方法，實(shí)施了室內(nèi)模擬試驗(yàn)。研究表明，養(yǎng)護(hù)(浸泡)時(shí)間越長、水泥摻入比越小，水泥土的劣化深度越大。目前，水泥土劣化問題的室內(nèi)試驗(yàn)研究多采用海水或化學(xué)溶液為腐蝕介質(zhì)對水泥土等加固體進(jìn)行浸泡，模擬不同類型的腐蝕環(huán)境。而在原土中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)的相關(guān)試驗(yàn)研究也針對的是第一類劣化問題。

原土環(huán)境作為水土耦合的較復(fù)雜系統(tǒng)，能夠更好地模擬現(xiàn)場場地環(huán)境，對水泥土劣化的室內(nèi)研究很有意義。針對第二類劣化問題，本文在海水環(huán)境中水泥土劣化研究[10]的基礎(chǔ)上，利用形成水泥土的原土對水泥土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，實(shí)施微型貫入試驗(yàn)(MCPT)、掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)、能譜(EDS)試驗(yàn)、X射線衍射(XRD)試驗(yàn)、化學(xué)測試及酸堿度測試等一系列力學(xué)、物理和化學(xué)試驗(yàn)，并通過對比海水環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果，研究濱海相場地形成的水泥土的強(qiáng)度衰減過程。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)材料詳見文獻(xiàn)[10]。

1.2 試驗(yàn)方案及方法

如圖1所示，首先制備水泥土試樣，然后進(jìn)行原土養(yǎng)護(hù)。水泥土試樣的制備方法選用的試樣筒(內(nèi)徑85 mm、高105 mm的塑料燒杯)和養(yǎng)護(hù)筒(頂面直徑180 mm、底面直徑140 mm、高160 mm的塑料桶)詳見文獻(xiàn)[10]。水泥土養(yǎng)護(hù)期間，室溫保持在(21±3)℃，每隔30 d換土一次。實(shí)驗(yàn)室條件控制與海水養(yǎng)護(hù)相同。

圖1 試樣養(yǎng)護(hù)Fig.1 Sample maintenance

對達(dá)到齡期的水泥土試樣實(shí)施相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表1所示。各種試驗(yàn)的方法詳見文獻(xiàn)[10]。

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Testing program

注：*水泥摻入比為水泥與濕土的質(zhì)量之比。

Note：*Cement factoris defined as radio of the dry weight of the coment introduced to the wet weight of the soil.

①Curing environment；②Cement mixing content；③Curing time；④Test project；⑤Exposed to insitucday

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 貫入試驗(yàn)結(jié)果及劣化的時(shí)空分布規(guī)律

2.1.1 貫入試驗(yàn)結(jié)果與分析 圖2為貫入試驗(yàn)得到的貫入阻力隨貫入深度的變化曲線。圖中曲線由貫入阻力結(jié)果的算數(shù)平均值繪成，誤差棒為數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，表示同一深度貫入阻力數(shù)值的離散程度，由圖可知，貫入阻力數(shù)據(jù)離散程度較低，試樣均勻性較好。

圖2 水泥土的貫入阻力-深度曲線(原土環(huán)境)Fig.2 Penetration resistance-penetration depth curves of cement soil (cured in marine soil)

由圖2可知，同一摻入比條件下，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長，水泥土表層貫入阻力降低越明顯，表明與海水環(huán)境一樣，原土環(huán)境中的水泥土同樣發(fā)生了由表及里的劣化現(xiàn)象[8]。

2.1.2 劣化深度─時(shí)間變化曲線 根據(jù)文獻(xiàn)[10]中水泥土劣化深度定義可得到水泥土劣化深度，圖3為劣化深度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖3 原土環(huán)境與海水環(huán)境中水泥土劣化深度-時(shí)間變化曲線Fig.3 The deterioration depth-time curves of the cement soil in marine soil and sea water

原土環(huán)境和海水環(huán)境中的水泥土呈現(xiàn)相同的劣化規(guī)律，即，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長，劣化深度不斷增大；水泥摻入比越大，試樣的劣化深度越小。在本試驗(yàn)條件下，在養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短時(shí)，海水養(yǎng)護(hù)水泥土試樣的劣化深度較大，相反隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，原土中養(yǎng)護(hù)水泥土試樣的劣化深度超過海水養(yǎng)護(hù)試樣的劣化深度。

2.2 SEM試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)使用Hitachi S-3500型掃描電子顯微鏡。為了確定試驗(yàn)的主要元素，選取600倍數(shù)區(qū)輔以能譜分析。圖4為水泥摻入比為15%的水泥土養(yǎng)護(hù)360 d后的微觀結(jié)構(gòu)圖像。

從圖4可以看出，經(jīng)海水和原土分別養(yǎng)護(hù)360 d后，水泥土未劣化層的微觀結(jié)構(gòu)相對致密，整體性較好，有明顯的晶體纖維形成。劣化層中已存在較大體積的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，但團(tuán)粒間孔隙明顯，結(jié)構(gòu)密實(shí)程度較低，劣化影響了水泥土的固化過程，劣化后的水泥土具有非均質(zhì)特征。在8 000倍放大倍數(shù)下，原土和海水環(huán)境中同樣深度試樣的劣化層和未劣化層的微觀結(jié)構(gòu)無顯著差異。

圖4 摻入比為15%，海水與原土養(yǎng)護(hù)360 d未劣化及劣化水泥土的微觀結(jié)構(gòu)(×8 000)Fig.4 Microstructures of non-deteriorated and deteriorated cement soil samples cured under water and soil after 360 days with the cement ratio of 15% (×8 000)

能譜分析如圖5所示，原土環(huán)境中與海水環(huán)境中水泥土試樣所含有的主要元素相同，主要含有硅、鈣、鋁、鎂、鐵、鉀、鈉、氧、氯、碳、硫等元素。經(jīng)兩種環(huán)境養(yǎng)護(hù)后，水泥土劣化層中的Ca含量均有所降低。

圖5 海水與原土養(yǎng)護(hù)360 d、水泥摻入比為15%的水泥土能譜圖(×600)Fig.5 Energy spectrum diagrams of non-deteriorated and deteriorated cement soil samples cured 360 days with the cement ratio of 15% (×600)

2.3 XRD物相分析

試驗(yàn)使用Bruker公司的D8 ADVANCE X射線衍射分析儀對水泥摻入比為15%，養(yǎng)護(hù)360 d試樣進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。與海水環(huán)境中的試樣相似，水泥土試樣中存在碳酸鈣(CaCO3)、氫氧化鈣(Ca(OH)2)、氫氧化鎂(Mg(OH)2)、石膏(CaSO4·2H2O)、硅酸鎂水化物(M-S-H)、鋁酸鎂水化物(M-A-H)、C-S-H和鈣礬石(C-A-S-H)等化合物。劣化層中硅酸鈣水化物、鋁酸鈣水化物、碳酸鈣及氫氧化鈣等物質(zhì)的含量較未劣化層少，石膏、鋁酸鎂水化物、硅酸鎂水化物等物質(zhì)的含量較大。然而，硅酸鈣水化物、鋁酸鈣水化物、碳酸鈣等物質(zhì)是水泥土強(qiáng)度的主要來源，氫氧化鈣是促進(jìn)水泥土固化的重要成分；石膏、氫氧化鎂等反應(yīng)產(chǎn)物的膠結(jié)強(qiáng)度較低，可能導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度降低。由此可見，由于環(huán)境中的鎂離子、氯離子、硫酸根離子等侵蝕性離子的滲入，干擾了其正常的固化反應(yīng)，致使與養(yǎng)護(hù)環(huán)境接觸的一定深度內(nèi)的水泥土發(fā)生了明顯的鈣損失，在宏觀上表現(xiàn)為水泥土強(qiáng)度的衰減和劣化深度的增大。

圖6 海水與原土養(yǎng)護(hù)水泥土試樣的X射線衍射圖Fig.6 X-ray diffractions of cement soil samples

2.4 離子含量分析

圖7為水泥摻入比為15%，養(yǎng)護(hù)360 d的水泥土中鈣離子、鎂離子、硫酸根離子、氯離子等主要離子的含量和pH值分布情況。

圖7 原土環(huán)境中水泥土的離子含量測試Fig.7 Chemical tests of cement soil in marine soil

由圖7可以看出，原土環(huán)境中的水泥土中各離子含量隨深度變化規(guī)律與同期海水環(huán)境中水泥土中相同離子含量的變化規(guī)律相似。其中，鈣離子含量隨深度的增大而增大，鎂離子含量、硫酸根離子含量、氯離子的含量隨著深度的增大呈現(xiàn)減小趨勢，pH值隨深度增加而增大。由結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原土環(huán)境和海水環(huán)境中的主要離子種類相同，分別經(jīng)兩種環(huán)境養(yǎng)護(hù)試樣中主要離子含量的變化規(guī)律相似，因此在兩種環(huán)境中水泥土強(qiáng)度的衰減過程是相似的。此外，由圖7(e)發(fā)現(xiàn)，原土環(huán)境中試樣劣化層的pH值整體上較同期海水環(huán)境中試樣劣化層的pH值小。相關(guān)研究表明，pH值的降低會(huì)直接影響水泥土的凝硬反應(yīng)，并促使水化產(chǎn)物分解，對水泥土強(qiáng)度的形成不利[10,15-16]。因此，在該試驗(yàn)中，pH值與水泥土的劣化具有顯著相關(guān)性。此外，有機(jī)質(zhì)的存在可使土體酸性增強(qiáng)，導(dǎo)致pH值降低[17]。由此可見，在原土環(huán)境無機(jī)鹽成分類型與海水環(huán)境相似的條件下，有機(jī)質(zhì)很大程度上影響了水泥土的劣化進(jìn)程。但是，與海水中水泥土強(qiáng)度衰減過程相同，依次為腐蝕介質(zhì)抑制水泥土表面強(qiáng)度增長的過程和促使水泥土強(qiáng)度由表及里不斷降低的過程[10]。

3 結(jié)論

本文通過室內(nèi)原土環(huán)境模擬現(xiàn)場場地環(huán)境，進(jìn)一步研究了濱海相軟土場地形成的水泥土的強(qiáng)度衰減問題，得到如下結(jié)論：

(1)原土環(huán)境和海水環(huán)境中的水泥土呈現(xiàn)相同的劣化規(guī)律，即，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長，劣化深度不斷增大；水泥摻入比越大，試樣的劣化深度越小。在本試驗(yàn)條件下，在養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短時(shí)，海水養(yǎng)護(hù)水泥土試樣的劣化深度較大，相反隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，原土中養(yǎng)護(hù)水泥土試樣的劣化深度超過海水養(yǎng)護(hù)試樣的劣化深度。

(2)水泥土劣化層結(jié)構(gòu)較松散，孔隙多而大，水泥土的劣化可導(dǎo)致水泥土孔隙比增大，滲透性增大。與此對應(yīng)，環(huán)境中侵蝕性離子的滲入干擾了水泥土的固化反應(yīng)，致使其發(fā)生了鈣溶出，在宏觀上表現(xiàn)為水泥土強(qiáng)度的衰減和劣化深度的增大。

(3)經(jīng)原土養(yǎng)護(hù)的水泥土中各離子含量的變化規(guī)律與同期海水環(huán)境中水泥土中對應(yīng)離子的含量變化規(guī)律相似。其中，鈣離子含量、碳酸根離子含量隨深度的增大而增大，鎂離子含量、硫酸根離子含量、氯離子含量和碳酸氫根離子的含量隨著深度的增大呈現(xiàn)減小趨勢。pH值隨深度增加而增大，但原土環(huán)境中試樣劣化層的pH值較同期海水環(huán)境中試樣劣化層的pH值小。而原土中的有機(jī)質(zhì)成分是pH值降低的主要原因。由此，濱海相場地中，有機(jī)質(zhì)對水泥土劣化過程的影響不可忽略。

(4)原土中水泥土強(qiáng)度衰減過程與海水中相同，即依次為腐蝕介質(zhì)抑制水泥土表面強(qiáng)度增長的過程和促使水泥土強(qiáng)度由表及里不斷降低的過程。