水泥固化多離子污染紅黏土強度特性試驗研究

秦修云

摘要：水泥固化土作為一種常見加固地基的方法，廣泛用于地基工程和道路工程，但水泥固化紅黏土受到多種離子污染后，會導(dǎo)致土的強度特性發(fā)生改變。針對這一問題，文章通過無側(cè)限強度試驗測試了多離子耦合作用下水泥固化紅黏土強度的變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明：養(yǎng)護初期Cl-和Mg2+會降低水泥固化紅黏土的強度，而SO2-4離子可以提升水泥固化紅黏土的無側(cè)限強度;水泥固化土的強度隨著污染性離子含量的升高而下降。

關(guān)鍵詞：水泥固化;紅黏土;污染離子;強度特性

中國分類號：U416.03文章標識碼：A090344

0 引言

水泥固化作為一種常見加固軟弱地基和路基的施工方法，具有施工簡便、性能好、造價低廉等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外許多工程[1]。關(guān)于水泥固化地基和路基的承載性能，很多學(xué)者已進行了大量研究，黃偉等[2-4]通過室內(nèi)試驗測試了水泥固化土的力學(xué)強度，劉之葵等[5-6]研究了添加礦物成分對水泥固化土強度的影響。

但是隨著近年來部分地區(qū)土地污染情況頻發(fā)，許多施工場地的土體中包含許多污染性離子，如鎂、鋅、硫、氯等。污染性離子的存在不僅改變了土壤本身的力學(xué)性質(zhì)，同時也會對改善水泥固化土強度的效果產(chǎn)生一定影響[7]。就廣西而言，劉新等[8]研究了不同離子水泥固化土的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)含污染性離子的土與普通土的力學(xué)性能差別很大;Liang等[9]通過微觀的角度解釋了水泥固化普通土和水泥固化含鹽土的結(jié)構(gòu)存在不同;韓鵬舉等[10]研究了水泥固化土過程中，鎂離子對水泥膠凝速度的影響，并指出鎂離子會改變水泥固化土的孔隙率;Saeed等[11-12]從化學(xué)組成角度分析了污染性離子對水泥水化過程產(chǎn)生的影響，并指出污染性離子的存在會抑制水泥水化物的形成速度。這些研究雖然對含離子的水泥固化土進行了研究，但多數(shù)是針對粉土、高嶺土和膨潤土，而以紅黏土為研究對象的文獻并不多見，或僅對單一離子進行研究[13]。因此，有必要開展多種污染離子耦合作用下水泥固化紅黏土的力學(xué)特性的相關(guān)研究。本研究自制包含不同濃度Mg2+、SO2-4和Cl-水泥紅黏土試樣進行無側(cè)限強度試驗，并進行X射線衍射測試獲取污染性離子作用下水泥加固紅黏土的化學(xué)組成，從而解釋污染性離子對水泥土強度作用的機理，為相關(guān)工程提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗選用南寧某工地施工現(xiàn)場的紅黏土，采樣深度約為3 m，土樣黏性較高，因含水率較高整體呈紅褐色。測得其天然含水率為32.3%，最大干密度為1.53 g/cm3，塑性指數(shù)為43.5。固化紅黏土的水泥選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，試驗用水采用蒸餾水。

為了模擬不同污染性離子對水泥固化紅黏土的影響程度，選用Mg（HCO3）2、NaCl和Na2SO4三種試劑按預(yù)先設(shè)定好的比例摻入土中分別用于模擬Mg2+、SO2-4和Cl-三種污染性離子，試劑純度為化學(xué)純。

1.2 試驗設(shè)計

取回的土樣先經(jīng)過天然晾曬后再通過重碾進行碾壓，隨后去除土體中的大顆粒和石子后，放入烘箱中烘至干燥，取出后冷卻至室溫備用。參考前人試驗中對水泥固化紅黏土的制作方法[5，14]，本次試驗中摻入土樣質(zhì)量為20%的水泥制作水泥固化紅黏土。

為了全面測試出單種離子以及多種離子耦合作用下水泥固化紅黏土強度特性的變化規(guī)律，試樣分為兩組，一組為試樣中只包含單一污染離子，另一組試樣包含多種污染性離子，試樣中具體污染性離子摻量如表1所示，其中W0組為不添加任何污染性離子的水泥土對照組試樣。試樣為直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱體，制樣時首先稱重適量的水泥和紅黏土并充分拌和，隨后分三次加入到制樣器中，每次加入土體后進行擊實，在加入下一層土體前對上表面的土樣刮毛處理以保證加載時試樣不會從連接處斷開。制樣完畢后放入水中真空飽和24 h，為研究不同養(yǎng)護時間對水泥固化土強度特性的影響，養(yǎng)護時間設(shè)置為3 d、7 d、14 d，每種配比和養(yǎng)護齡期的試樣制作3個，加載后取其平均值作為最終試驗結(jié)果，加載速率為1 mm/min。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 單種離子對強度的影響

為對比不同污染性離子對水泥固化土無側(cè)限強度的影響，選用離子含量為0.1 mol/kg的A1、B1、C1三組試樣和對照組W0的試驗結(jié)果繪制如圖1所示。從圖中可以看出在加載初期，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增加，呈線性上升趨勢，當試樣的應(yīng)變發(fā)展到1%～1.2%時，試樣出現(xiàn)應(yīng)力峰值點并發(fā)生破壞。當養(yǎng)護時間為3 d時，含SO2-4試樣的峰值無側(cè)限強度高于其他三組試樣。可見，在養(yǎng)護初期，SO2-4對于水泥固化紅黏土的強度有一定增強作用。而A1、B1兩組含污染性離子的試樣其抗壓強度弱于不含任何污染離子的試樣W0，可見Cl-和Mg2+對紅黏土水泥固化的過程存在一定的抑制作用。

雖然4組試樣在3 d時的峰值無側(cè)限強度有所差別，但是差距并不是很大，這是因為養(yǎng)護3 d時，土體中的水泥并沒有完全完成水化反應(yīng)，此時的試樣強度大部分體現(xiàn)的是污染性離子對土體本身強度的影響，而對于水泥固化反應(yīng)的影響并沒有完全體現(xiàn)出來，所以各試樣之間的差別相對較小。

隨著養(yǎng)護時間的增長，污染性離子對水泥固化土的強度影響也不斷發(fā)生變化，下頁圖2為不同養(yǎng)護時長下污染性離子對水泥固化土無側(cè)限強度的影響程度曲線。從圖中可以看出隨著養(yǎng)護時間的增加，三組試樣的無側(cè)限強度都出現(xiàn)了不同程度的增長，但變化規(guī)律并不完全一致。對于含Mg2+的試樣，當污染性離子含量從0.1 mol/kg增加到0.2 mol/kg時，試樣的14 d無側(cè)限強度下降了約0.28 MPa;而當試樣中的污染性離子含量從0.2 mol/kg增加到0.3 mol/kg后，試樣的14 d無側(cè)限強度降低了1.15 MPa。可見Mg2+對于水泥土的固化過程有很大的抑制作用。分析其原因主要是因為Mg2+會與水泥灰在遇水混合后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低水泥的膠凝作用，隨著Mg（HCO3）2摻量的增加，部分Mg（HCO3）2并沒有與水泥材料發(fā)生反應(yīng)，而是殘留在土壤中，當土壤的含水量降低后，由于Mg（HCO3）2的溶解率較低，會析出并以晶體顆粒的形式夾雜在土壤中，這樣一來水泥土原有的膠凝結(jié)構(gòu)被破壞，在加載過程中會更容易產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致水泥固化紅黏土的強度出現(xiàn)明顯降低。另外這也反映出污染性離子的含量對水泥固化土無側(cè)限強度影響很大，水泥固化土的無側(cè)限強度隨著離子含量的升高呈現(xiàn)出不同程度的降低，其中Mg2+的影響程度最為明顯，Cl-影響的程度最小。

從圖2（b）中可以看出隨著養(yǎng)護時間的增加，含Cl-水泥固化土的無側(cè)限強度一直小于不含任何離子試樣的，當養(yǎng)護齡期為14 d時，試樣B1與W0的無側(cè)限強度相差0.22 MPa，試樣B2與W0相差0.67 MPa，可見相差幅度并不是很大，說明Cl-對水泥固化過程并沒有明顯影響，即Cl-與水泥中的成分表現(xiàn)出惰性性質(zhì)。

從圖2（c）中可以看出，含SO2-4污染離子的水泥固化土的強度變化規(guī)律與其他兩種離子并不相同，SO2-4離子在早期體現(xiàn)出了對水泥固化土無側(cè)限強度加強的趨勢，但是在3 d之后，含SO2-4試樣的強度開始低于W0組。這主要是由于SO2-4會與水泥中的Ca2+發(fā)生反應(yīng)生成石膏（CaSO4·H2O），而石膏是一種速凝材料，在幾小時內(nèi)就能完全達到終凝。在養(yǎng)護3 d時，水泥的水化反應(yīng)還沒有發(fā)揮完全，但是石膏的強度已經(jīng)達到最終強度。所以含有SO2-4離子的水泥固化紅黏土前期強度增長更為快速。

此外，養(yǎng)護時間的不同對水泥固化紅黏土的加載破壞方式也有所差別，養(yǎng)護時間為3 d的試樣其加載破壞方式一般為斜向剪切破壞，破壞角度與土體的內(nèi)摩擦角接近，這表明養(yǎng)護3 d時水泥的水化反應(yīng)并沒有發(fā)揮完全，土體的無側(cè)限強度更多是通過土體本身的抗剪強度去分擔(dān)。而養(yǎng)護7 d的試樣其破壞形式主要為沿上部或下部圓頂面的劈裂破壞，破壞形態(tài)與混凝土材料相似，說明在養(yǎng)護7 d時水泥灰大部分已經(jīng)發(fā)生水化反應(yīng)，形成了足夠多的膠凝物質(zhì)，改變了試樣的破壞方式。

2.2 多離子耦合對強度的影響

實際環(huán)境中，一般是多種離子共同存在，所以有必要研究多離子耦合作用對水泥固化土強度的影響。圖3為MIX1、MIX2、MIX3三組試樣的強度隨時間變化的規(guī)律。從圖中可以看出當養(yǎng)護時間較短時（3 d內(nèi)），MIX3組的無側(cè)限強度高于W0組，而其余兩組的強度小于W0組。這可能是由于MIX3組中的SO2-4離子的濃度較高，在養(yǎng)護過程中與C1、C2組一樣發(fā)生早強作用，而且在初期其余污染性離子的負面作用還沒有全面體現(xiàn)，所以這類多離子耦合作用的水泥固化土強度變化規(guī)律在養(yǎng)護早期與含SO2-4的試樣更為接近。

圖4為不同污染性離子含量試驗組14 d無側(cè)限強度對比，W0組的14 d平均無側(cè)限強度為4.50 MPa，而無論是含有單種污染性離子還是含有多種污染性離子的水泥固化紅黏土的14 d強度均無法達到4.50 MPa，所以污染性離子的存在對紅黏土的水泥固化效果都表現(xiàn)出一定的抑制作用。需要注意的是，MIX1組其14 d強度較W0組低了1.12 MPa，而M2組中雖然包含了三種離子，但是由于各類離子的濃度不同，其無側(cè)限強度只比W0組低0.32 MPa。可見，多種離子共存時并不會疊加性地降低水泥的固化強度，反而有些離子共存時還會適當降低污染性離子對水泥固化效果的負面影響。

探究其機理，是因為污染性離子中的SO2-4也會與水泥灰發(fā)生反應(yīng)，形成新的水化物。這些反應(yīng)會消耗水化過程產(chǎn)生的部分Ca（OH）2，減少了膠凝材料C-S-H和C-A-H的生成量，從而降低了水泥固化土的強度。而對于SO2-4與Ca（OH）2生成的石膏，雖然在養(yǎng)護初期可以起到膠結(jié)作用，但是長期養(yǎng)護后石膏材料的無側(cè)限強度不如水泥，所以同樣會導(dǎo)致水泥固化紅黏土無側(cè)限強度的下降。

3 結(jié)語

（1）當養(yǎng)護時間<3 d時，SO2-4可以提升水泥固化紅黏土的無側(cè)限強度，而Cl-和Mg2+會降低水泥紅黏土的強度，當養(yǎng)護時間>3 d時，3種離子都會對水泥紅黏土的無側(cè)限強度產(chǎn)生負面作用。

（2）土壤中污染性離子的含量對水泥紅黏土無側(cè)限強度有一定影響，其強度隨著離子濃度的升高呈現(xiàn)下降趨勢，其中Mg2+的影響幅度最大，SO2-4次之，Cl-的影響幅度最小。

（3）水泥中的Ca（OH）2與污染性離子中的鎂離子反應(yīng)生成了M-S-H和M-A-H等物質(zhì)，從而減少了C-S-H和C-A-H的形成，降低了土顆粒之間的膠凝作用。Ca（OH）2與SO2-4生成CaSO4，可以增加水泥固化紅黏土的初期強度，但CaSO4的終凝強度低于水泥，導(dǎo)致了其后期強度不如普通水泥土。

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