不同環(huán)境下水泥土動彈性模量的試驗研究

陳四利， 張精禹， 魏　星

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽　110870)

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不同環(huán)境下水泥土動彈性模量的試驗研究

陳四利， 張精禹， 魏星

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽110870)

為了研究動力荷載以及地下腐蝕性介質(zhì)環(huán)境對水泥土力學(xué)特性的影響，通過水泥土的動三軸壓縮試驗，獲取了不同環(huán)境下水泥土的動彈性模量參數(shù)，分析了不同環(huán)境對水泥土動彈性模量影響的關(guān)系曲線。試驗結(jié)果表明，隨著硫酸鈉腐蝕溶液濃度的增大，水泥土的動彈性模量逐步增大，當(dāng)濃度≈0.03 mol/L時，水泥土的動彈性模量開始逐步降低；隨著腐蝕時間的增加，當(dāng)硫酸鈉溶液濃度較小(<0.03 mol/L)時，水泥土的動彈性模量逐步增大；當(dāng)硫酸鈉溶液濃度較大(>0.03 mol/L)時，水泥土的動彈性模量逐步降低；當(dāng)溶液濃度較小(<0.03 mol/L)時，硫酸鈉環(huán)境對水泥土的動彈性模量具有增強(qiáng)效應(yīng)。而濃度較大(>0.03 mol/L)時，硫酸鈉溶液和氯化鈉溶液對水泥土均產(chǎn)生腐蝕破壞效應(yīng)，且硫酸鈉溶液腐蝕效應(yīng)大于氯化鈉溶液腐蝕效應(yīng)；水泥摻入比越大，其動彈性模量越大；圍壓越大，水泥土的動彈性模量越大。

水泥土；動三軸壓縮試驗；動彈性模量；腐蝕環(huán)境；水泥摻入比；圍壓

水泥土由于其性能良好、便于制作、價格低廉,被廣泛應(yīng)用于地基處理、道路地基、礦山邊坡、水泥土攪拌樁、農(nóng)田水利、堤壩、防滲墻等工程[1]。由于水泥土的應(yīng)用特點，使其常處于腐蝕性環(huán)境之中，如酸雨腐蝕路基、地下水和生活污水侵蝕房屋地基、海水侵蝕堤壩等環(huán)境中，周圍環(huán)境中存在的侵蝕性離子會對水泥土產(chǎn)生腐蝕作用，必將導(dǎo)致水泥土的力學(xué)性能逐步劣化[2]。因此，國內(nèi)外學(xué)者對水泥土的力學(xué)特性進(jìn)行了較為深入的研究，進(jìn)行了單軸、三軸、滲透以及環(huán)境影響如溫度、腐蝕、凍融等試驗，分析了水泥種類、水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期等因素對水泥土力學(xué)特性的影響，如楊俊杰等[3]對腐蝕性場地形成的水泥土的劣化進(jìn)行了研究；周海龍等[4]對小齡期水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了試驗研究；寧寶寬等[5]對環(huán)境侵蝕下水泥土的力學(xué)效應(yīng)開展了深入的試驗研究；陳四利等[6]分析了凍融循環(huán)對水泥土力學(xué)特性的影響。同時，水泥土在工程中也常受到動荷載的沖擊，如地震、車輛碾壓以及海水、河水沖擊壩體等作用。王金濤[7]研究了循環(huán)荷載作用下水泥土樁復(fù)合地基的動力特性；張鵬等[8]探討了不同摻劑對水泥土動力特性的影響；李慶冰[9]開展了橡膠水泥土動力特性的試驗研究；蔡袁強(qiáng)等[10]分析了水泥土-土復(fù)合試樣的動力特性。然而，研究腐蝕環(huán)境中水泥土在動荷載作用下的動力特性還鮮有報道。因此，本文在前人的基礎(chǔ)上，開展了在腐蝕環(huán)境作用下水泥土的動三軸試驗研究，分析不同環(huán)境對水泥土動彈性模量影響的變化規(guī)律。其研究為處于復(fù)雜環(huán)境下水泥土工程的安全性和耐久性設(shè)計和應(yīng)用提供技術(shù)參數(shù)，具有重要的工程意義。

1　試件制備與試驗方案

1.1水泥土試件的制備

根據(jù)“水泥土配合比設(shè)計規(guī)程:JGJT 233—2011”的要求以及試驗設(shè)計的要求，試驗采用強(qiáng)度等級為42.5的礦渣硅酸鹽水泥，其質(zhì)量符合國家建材標(biāo)準(zhǔn)。試驗所用土為取沈陽市某地的粉黏土，經(jīng)過風(fēng)干，碾壓，過篩，其主要的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)含水量16.5%，天然重度21.4 kN/m3，液限20.0%，塑限16.3%，塑性指數(shù)3.75，液性指數(shù)0.07。

為了進(jìn)行對比分析，討論水泥摻量對水泥土動力特性的影響，取兩組水泥摻入比，分別為15%、18%、21%和3%、6%、9%，并裝入直徑為39.1 mm、高為80 mm的模具中，試件放于20±5 ℃的潮濕環(huán)境下靜置24 h后拆模。

1.2水泥土試件養(yǎng)護(hù)

將靜置24 h后的試件拆模，放入清水中養(yǎng)護(hù)90 d，室內(nèi)溫度約為22～28℃。為了分析腐蝕環(huán)境對水泥土的影響，分別配置了兩種化學(xué)溶液，即硫酸鈉和氯化鈉溶液，并根據(jù)試驗要求將試件分別放入0.03 mol/L、0.1 mol/L、0.3 mol/L硫酸鈉和氯化鈉溶液中進(jìn)行腐蝕。腐蝕時間分別為10 d、20 d、30 d。

1.3試驗方案

本試驗的儀器為SDT-20型微機(jī)控制電液伺服土動三軸試驗機(jī)(見圖1)。

圖1　動三軸試驗機(jī)Fig.1　Dynamic triaxial tests

將腐蝕時間分別為10 d、20 d、30 d的試件進(jìn)行動三軸試驗。試驗設(shè)置參數(shù)和方案如下：

本文選擇不固結(jié)試驗，圍壓分別采取100 kPa、200 kPa和300 kPa，其加載速率為100 kPa/min。選軸向負(fù)荷控制、靜態(tài)加載速率為200 N/min，軸向力控制頻率為1 Hz，波形為正弦波。對于水泥摻入比為15%、18%、21%以及不同腐蝕時間、腐蝕濃度、腐蝕溶液試驗中，其初始軸向力為3 000 N,振動采用分4級加載，振幅分別為500 N、1 000 N、1 500 N、2 000 N，振動次數(shù)均為50次。對于水泥摻入比為3%、6%、9%以及不同圍壓試驗中，初始軸向力為400 N，振動采用分4級加載，振幅分別為50 N、100 N、150 N、200 N，振動次數(shù)均為50次。

2　試驗結(jié)果及分析

2.1腐蝕溶液濃度對動彈性模量的影響

在動荷載作用下，水泥土的動彈性模量是指在彈性范圍內(nèi)動應(yīng)力與動應(yīng)變的比例關(guān)系。

由于篇幅有限，僅以圍壓為300 kPa、硫酸鈉溶液腐蝕20 d后的水泥土試件為例，見圖2，對于水泥摻入比15%、18%和21%的水泥土試件，隨著硫酸鈉溶液濃度的增加，其動彈性模量均逐步降低。

圖2　不同水泥摻入比、不同硫酸鈉溶液濃度條件下動彈性模量的變化曲線Fig.2　Curves of cement incorporation ratio and the concentration of sodium sulfate on dynamic elastic modulus

為了分析硫酸鈉溶液濃度對水泥土動彈性模量的影響，選取水泥摻入比為18%、動應(yīng)變?yōu)?.05%時，不同濃度條件下水泥土的動彈性模量變化曲線見圖3。當(dāng)濃度較小時，隨溶液濃度的增加，水泥土的動彈性模量先增大，當(dāng)濃度達(dá)到某一定值(≈0.03 mol/L)時，動彈性模量又逐步降低。對于0.03 mol/L硫酸鈉溶液的動彈性模量相對于清水提高了4.31%，而對于0.1 mol/L、0.3 mol/L分別降低了7.66%和35.36%。

圖3　溶液濃度對動彈性模量影響的曲線Fig.3　Curve of solution concentration on dynamic elastic modulus

2.2腐蝕時間對動彈性模量的影響

見圖4，不同腐蝕時間下，水泥摻入比為18%的水泥土試件，在圍壓300 kPa時動彈性模量隨動應(yīng)變的變化曲線。試驗結(jié)果表明，無論腐蝕時間長短，水泥土試件的動彈性模量都是隨動應(yīng)變的增大而減小。

為了分析腐蝕時間對水泥土動彈性模量的影響，選取動應(yīng)變?yōu)?.05%時水泥土的動彈性模量變化曲線(見圖5)。當(dāng)溶液濃度為0.03 mol/L時，腐蝕時間越長，其水泥土動彈性模量越大。對于腐蝕時間10 d，20 d和30 d時，其動彈性模量相對于未腐蝕試件分別提高了0.8%，4.55%和15.72%。當(dāng)溶液濃度為0.1 mol/L和0.3 mol/L時，即硫酸鈉溶液濃度越大，腐蝕時間越長水泥土腐蝕破壞越嚴(yán)重，導(dǎo)致水泥土動彈性模量降低。對于0.1 mol/L硫酸鈉溶液，腐蝕時間為10 d，20 d和30 d時，其動彈性模量相對于未腐蝕分別降低了了1.68%，7.66%和16.36%。對于0.3 mol/L硫酸鈉溶液，腐蝕時間為10 d，20 d和30 d時，其動彈性模量相對于未腐蝕分別降低了14.29%，35.36%和47.96%。

圖4　腐蝕時間對動彈性模量-動應(yīng)變影響的曲線Fig.4　Curves of corrosion time on dynamic elastic modulus-dynamic strain

圖5　腐蝕時間對動彈性模量影響的曲線Fig.5　Curves of corrosion time on dynamic elastic modulus

2.3不同腐蝕溶液對動彈性模量的影響

見圖6，不同腐蝕環(huán)境下，水泥摻入比為18%的水泥土試件，圍壓為300 kPa時動彈性模量隨動應(yīng)變的變化曲線。試驗結(jié)果表明，兩種腐蝕環(huán)境下，水泥土試件的動彈性模量都隨動應(yīng)變的增大而減小。溶液濃度同為0.03 mol/L時，在硫酸鈉腐蝕環(huán)境下水泥土動彈性模量大。當(dāng)溶液濃度大于0.1 mol/L時，在氯化鈉腐蝕環(huán)境下水泥土動彈性模量大。

圖6　腐蝕溶液對動彈性模量-動應(yīng)變影響的曲線Fig.6　Curves of corrosion solution on dynamic elastic modulus-dynamic strain

如圖7所示，為了分析腐蝕溶液對水泥土動彈性模量的影響，選取水泥摻入比為18%、圍壓為300 kPa、動應(yīng)變?yōu)?.05%時水泥土的動彈性模量變化曲線。圖中曲線表明，硫酸鈉環(huán)境中的水泥土動彈性模量先升高再降低，且降低幅度很大。氯化鈉溶液中的水泥土動彈性模量一直平穩(wěn)降低，對于0.03 mol/L、0.1 mol/L和0.3 mol/L氯化鈉溶液，其動彈性模量相對于未腐蝕試件分別降低了0.48%，5.67%和13.89%。

圖7　腐蝕溶液對動彈性模量影響的曲線Fig.7　Curves of corrosion solution on dynamic elastic modulus

2.4不同圍壓對動彈性模量的影響

由于篇幅有限，僅取硫酸鈉腐蝕溶液且腐蝕20 d、水泥摻入比為6%時，不同圍壓下水泥土動彈性模量隨應(yīng)變的變化曲線(見圖8)。試驗結(jié)果表明，水泥土的動彈性模量隨著動應(yīng)變的增大而減小。在圍壓比較大(如圍壓為300 kPa時)時，水泥土受到更大的擠壓，導(dǎo)致水泥土內(nèi)的顆粒更加緊密，水泥土的動彈性模量越大；圍壓越小，水泥土的動彈性模量越小。

2.5不同水泥摻入比對動彈性模量的影響

如圖9所示，不同水泥摻入比下，水泥土試件在0.3 mol/L的硫酸鈉溶液中腐蝕20 d，圍壓為300 MPa時動彈性模量隨應(yīng)變的變化曲線。試驗結(jié)果表明，水泥土試件的動彈性模量隨著動應(yīng)變的增大而減小。水泥摻入比越大，其動彈性模量越大；水泥摻入比越小，其動彈性模量越小。

圖8　不同圍壓對對動彈性模量-動應(yīng)變影響的曲線Fig.8　Curves of confining pressure on dynamic elastic modulus-dynamic strain

圖9　不同水泥摻入比對對動彈性模量-動應(yīng)變影響的曲線Fig.9　Curves of cemented content on dynamic elastic modulus-dynamic strain

2.6腐蝕影響機(jī)理的初步分析

眾所周知，在某些地下工程中，地下水中可能含有硫酸鈉、硫酸鎂等硫酸鹽類，對水泥土產(chǎn)生腐蝕效應(yīng)，影響水泥土的力學(xué)特性，上述的試驗數(shù)據(jù)分析中，試驗結(jié)果表明，硫酸鈉(Na2SO4)溶液對水泥土的動彈性模量產(chǎn)生不同效應(yīng)，其初步腐蝕效應(yīng)分析如下：

如果Na2SO4溶液濃度過大(本文試驗>0.03 mol/L)，過多的水化物會使水泥土內(nèi)部產(chǎn)生較大膨脹，所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力超過水泥土的抗拉強(qiáng)度，將導(dǎo)致水泥土破壞，隨著腐蝕時間的增加，水泥土破壞程度越來越嚴(yán)重，從而影響水泥土的動彈性模量。所以，當(dāng)腐蝕溶液濃度較大時，水泥土的動彈性模量隨著溶液濃度增高而逐步降低。同時，隨著腐蝕時間的增加，其動彈性模量逐步降低(見圖5)。

3　結(jié)　論

本文通過對腐蝕后水泥土的動三軸試驗，分析了腐蝕溶液濃度、腐蝕時間、不同腐蝕溶液以及水泥摻入比和圍壓對水泥土動彈性模量的影響，得出了如下的主要結(jié)論：

(1) 試驗數(shù)據(jù)表明，微量的硫酸鈉腐蝕溶液有利于水泥土的水化和密實程度，其動彈性模量略有增加。當(dāng)濃度達(dá)到>0.03 mol/L時，硫酸鈉腐蝕溶液對水泥土具有腐蝕破壞效應(yīng)，水泥土的動彈性模量開始逐步降低；

(2) 隨著腐蝕時間的增加，當(dāng)硫酸鈉溶液濃度較小(<于0.03 mol/L)時，水泥土的動彈性模量逐步增大；當(dāng)硫酸鈉溶液濃度較大(>0.03 mol/L)時，水泥土的動彈性模量逐步降低；

(3) 通過硫酸鈉溶液和氯化鈉溶液對比分析可知，當(dāng)溶液濃度較小(<0.03 mol/L)時，硫酸鈉環(huán)境對水泥土的動彈性模量有增強(qiáng)效應(yīng)。而濃度較大(>0.03 mol/L)時，硫酸鈉環(huán)境對水泥土有腐蝕效應(yīng)，而且硫酸鈉溶液腐蝕效應(yīng)大于氯化鈉溶液腐蝕效應(yīng)；

(4) 水泥摻入比越大，其動彈性模量越大；圍壓越大，水泥土的動彈性模量越大。

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Experimental study on dynamic elastic modulus of cemented soil in different environment

CHEN Sili ,ZHANG Jingyu, WEI Xing

(School of Architecture & Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to study the effect of dynamic load and underground corrosive medium environment on the mechanical properties of cemented soil, dynamic triaxial compression tests were carried out to obtain the dynamic elastic modulus of cemented soil in different environment. The influence of different environment on the dynamic elastic modulus of cemented soil was analyzed. The results show that the dynamic elastic modulus of cemented soil increases gradually with the increase of the concentration of sodium sulfate corrosion solution. When the concentration reaches about 0.03 mol/l, the dynamic elastic modulus of cemented soil begins to decrease gradually. When the concentration of sodium sulfate solution is small (less than 0.03 mol/l), the dynamic elastic modulus of cemented soil increases gradually. When the concentration of solution is large (more than 0.03 mol/l), the sodium sulfate solution and sodium chloride solution may bring about the corrosion and damage of cemented soil. And the corrosion effect of the sodium sulfate solution is more than the sodium chloride solution. The dynamic elastic modulus of cemented soil increases gradually with the increase of the cement content and the confining pressure.

cemented soil; dynamic triaxial compression test; dynamic elastic modulus; corrosive environment; cemented incorporation ratio; confining pressure

國家自然科學(xué)基金資助項目(51279109)

2015-08-24修改稿收到日期：2015-09-21

陳四利 男，博士，教授，1959年生

TU411

A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.14.029