高含鹽水泥土的力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)研究

邢皓楓，張 好，李浩銘

（同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092）

深層攪拌技術(shù)是一種將軟土與固化劑（包括水泥、粉煤灰、復(fù)合固化劑等）攪拌混合的地基加固技術(shù)[1-4]。鑒于深層攪拌技術(shù)具有提高地基承載力、減少地基沉降變形、施工簡(jiǎn)單以及工程造價(jià)低廉等優(yōu)勢(shì)，在道路、機(jī)場(chǎng)、港口等軟土地基處理中被廣泛使用[2-3]。然而，對(duì)于海相沉積的高含鹽軟土而言，因其可溶鹽含量較高，使得該類水泥土具有溶陷、鹽脹、腐蝕等不良工程特性[2-4]。在工程后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，極易發(fā)生路基沉降、路面翻漿等病害，嚴(yán)重影響道路壽命，增加維護(hù)成本。為減少此類病害的發(fā)生，降低后期的維護(hù)成本，對(duì)高含鹽水泥土的力學(xué)特性以及固化機(jī)理的研究十分必要，其可為后續(xù)沿海地區(qū)地基的設(shè)計(jì)施工提供理論依據(jù)。

水泥土作為水泥和原狀土的拌合物，其力學(xué)特性必然受到水泥、原狀土、水以及氣候等因素的影響[5]。目前，有關(guān)水泥土力學(xué)特性的研究已逐步展開(kāi)。一些學(xué)者[6-9]通過(guò)開(kāi)展宏觀層面的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究不同因素（諸如化學(xué)溶液的種類、濃度及pH值、偏高嶺土含量、水泥摻入量、水灰比和外加劑等）對(duì)水泥土力學(xué)特性影響。另有部分學(xué)者[10-12]通過(guò)掃描電鏡（SEM）以及X射線衍射（XRD）等微觀觀測(cè)技術(shù)，研究含鹽水泥土的劣化規(guī)律以及外加劑對(duì)水泥土劣化的抑制效應(yīng)?，F(xiàn)有研究雖對(duì)水泥土的力學(xué)特性及其影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，但是針對(duì)不同影響因素下高含鹽水泥土力學(xué)特性的微觀層面分析以及其固化機(jī)理的研究還較少[13]。為弄清海相沉積的軟土中高含量可溶鹽對(duì)水泥土力學(xué)特性的影響以及其固化機(jī)理，本文以連云港海相沉積高含鹽軟土為例，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，開(kāi)展高含鹽水泥土中Mg2+、Cl?和三種可溶鹽離子對(duì)水泥固化土宏觀力學(xué)特性影響及其變化規(guī)律的試驗(yàn)研究。同時(shí)，借助環(huán)境掃描電鏡（ESEM）和X射線衍射儀（XRD）等微觀測(cè)試技術(shù)及分析手段，研究可溶鹽離子變化對(duì)高含鹽水泥土的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分的影響，從宏微觀的角度分析高含鹽水泥土的固化機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料

1.1 高含鹽軟土

本次試驗(yàn)研究對(duì)象為江蘇臨海高速公路連云港灌云標(biāo)段（LHGYX-LQ1～2）的海相沉積軟土，取樣深度約為地下3 m處。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)，獲得了連云港高含鹽軟土的物理性質(zhì)和力學(xué)特性參數(shù)。連云港軟土試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2。

表1 連云港軟土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of the Lianyungang soft soil

表2 連云港軟土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 2 Mechanical properties of the Lianyungang soft soil

取連云港軟土進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果如表3所示，為便于對(duì)比研究，表3中同時(shí)給出了上海軟土的分析結(jié)果。依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）[14]規(guī)定，連云港海相沉積軟土屬于亞氯鹽漬土、強(qiáng)鹽漬土和有機(jī)質(zhì)土。與上海海相沉積軟土相比，連云港軟土的易溶鹽離子Mg2+、Cl?和含量明顯偏高，故研究重點(diǎn)為Mg2+、Cl?和含量對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響。

表3 連云港軟土和上海軟土化學(xué)分析結(jié)果[7]Table 3 Results of the chemical analysis of two different soft soils

1.2 硅酸鹽水泥

試驗(yàn)采用普通硅酸鹽水泥（P.O 32.5），基本特性如表4所示。

2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)27組試驗(yàn)配比方案，開(kāi)展不同離子類型和含量以及3種可溶鹽離子共存對(duì)高含鹽水泥土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案如表5所示。

依據(jù)水泥土作為高速公路路基填料、水泥土攪拌樁、高壓旋噴注漿等加固技術(shù)中的水泥摻入比和實(shí)際水灰比，同時(shí)考慮使水泥、軟土以及可溶鹽離子更加充分的反應(yīng)，借鑒相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果[7,10,16-17]，本次試驗(yàn)水泥摻入比為21%，水灰比為0.5。

表4 普通硅酸鹽水泥（P.O 32.5）的基本參數(shù)[15]Table 4 Basic properties of ordinary portl and cement（P.O 32.5）

表5 可溶性鹽離子含量配比方案Table 5 Experiment scheme of soluble salt ions

配比前，將現(xiàn)場(chǎng)取回軟土樣進(jìn)行處理。嚴(yán)格按照《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ/T 233—2011）的要求處理[18]。首先，將土樣風(fēng)干、碾碎，過(guò)2 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩；再將篩選后的土樣浸水?dāng)嚢璩赡酀{，靜置48 h使土顆粒沉淀，濾去清水，反復(fù)3次，洗去軟土樣自身可溶鹽離子，得到“洗凈土”。

按試驗(yàn)方案中試樣的配比，稱取一定量的“洗凈土”、水泥、可溶鹽以及蒸餾水。試驗(yàn)過(guò)程中，為避免可溶鹽以晶體形式存在而與水泥土反應(yīng)不充分，先將可溶鹽和蒸餾水混合、充分?jǐn)嚢枋怪蔀榭扇茺}溶液；再將稱好的“洗凈土”和水泥拌和均勻；最后，將拌合物與可溶鹽溶液加入微型攪拌機(jī)中拌和均勻，待制樣用。

采用無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)研究可溶鹽離子對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響。試塊采用手工壓注成型，將拌和均勻的水泥土用手工壓注法置于70.70 mm×70.70 mm×70.70 mm的試模內(nèi)，在振動(dòng)臺(tái)上充分振動(dòng)，排出試塊內(nèi)部空氣。待24 h后進(jìn)行脫模，保存于塑料袋中，送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（T=20±2℃，RH=95%）內(nèi)養(yǎng)護(hù)至指定時(shí)間。為探究可溶鹽離子在不同時(shí)間下對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，養(yǎng)護(hù)時(shí)間設(shè)置為7，14，28，60，90，180，270，360 d。

待試塊養(yǎng)護(hù)至指定時(shí)間，立即開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)。本次試驗(yàn)采用華龍WDW-600型（產(chǎn)品規(guī)格：600 kN；精度等級(jí)：0.50級(jí)；示值精度和變形測(cè)量精度：±0.50%）微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定水泥土試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)時(shí)將試塊置于承壓板的中部，加載速率控制在1 mm/min。

試驗(yàn)結(jié)果取3個(gè)試塊測(cè)試結(jié)果的平均值作為該組試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。如單個(gè)試塊測(cè)試值與平均值的差值超過(guò)平均值的±15%時(shí)，該試塊的測(cè)試值予以剔除，取余下2個(gè)試塊測(cè)試結(jié)果的平均值作為該組試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，如剔出后試塊的測(cè)試值不足2個(gè)，則該組試驗(yàn)結(jié)果視為無(wú)效，重做至滿足要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單一離子不同含量對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響

影響水泥土強(qiáng)度的可溶鹽離子主要為Mg2+、Cl?和，且各離子在水泥土固化過(guò)程中發(fā)揮不同作用，為研究可溶鹽離子對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響特性，本次配比方案1#～15#考慮單一離子含量的變化對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響。通過(guò)不同離子類型及含量的配比和無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，研究各齡期下，尤其長(zhǎng)期條件下的高含鹽水泥土強(qiáng)度特性及變化規(guī)律。圖1為不同齡期下單一離子含量對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 不同離子含量條件下對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度Fig.1 Influences of different ion contents on the cement-soil strength

從圖1中可以看出，單一Mg2+含量的增加導(dǎo)致水泥土的強(qiáng)度降低。隨著齡期的增加，不同Mg2+含量的試塊抗壓強(qiáng)度間的差異越明顯。另外，隨著齡期的增加，各組試塊抗壓強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)齡期在60 d之前時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度隨齡期增幅較大；當(dāng)齡期在60 d之后，試塊抗壓強(qiáng)度隨齡期增幅相對(duì)變緩。單一Cl?含量對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響與單一Mg2+的影響基本一致。同時(shí)，單一含量對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響與單一Mg2+和Cl?的影響有所不同。當(dāng)齡期在60 d之前時(shí)，試塊的抗壓強(qiáng)度隨含量的增加呈現(xiàn)出先減小而后逐漸增加的趨勢(shì)，這一趨勢(shì)與單一Mg2+和Cl?的影響顯著不同。而當(dāng)齡期在60 d之后時(shí)，試塊的抗壓強(qiáng)度隨含量的增加而減小，這一趨勢(shì)與單一Mg2+和Cl?的影響一致。

綜上所述，Mg2+和Cl?的含量對(duì)試塊的抗壓強(qiáng)度具有抑制作用，隨著Mg2+和Cl?的含量增加，水泥土試塊的抗壓強(qiáng)度明顯降低。對(duì)于單一而言，試塊的早期抗壓強(qiáng)度隨含量的增加呈現(xiàn)出先減小而后增加，試塊的中后期抗壓強(qiáng)度隨含量的增加而減小。

3.2 3種離子共存對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響

連云港軟土中Mg2+、Cl?和的含量均相對(duì)較高，研究3種可溶鹽離子共存條件下試塊的強(qiáng)度十分必要，故本次開(kāi)展3種離子共存條件下的試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。圖2為Mg2+、Cl?和共存條件下試塊的抗壓強(qiáng)度。從圖2中可以看出，當(dāng)水泥土中不摻入任何離子時(shí)（25#），其強(qiáng)度比同齡期下?lián)饺隡g2+、Cl?和試塊的強(qiáng)度要高；當(dāng)同時(shí)摻入低含量的Mg2+、Cl?和時(shí)（16#），試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相應(yīng)下降；隨著Mg2+、Cl?和含量同時(shí)增加（26#和27#），各齡期水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。Mg2+、Cl?和共存對(duì)水泥強(qiáng)度有較大的負(fù)作用，且隨著3種離子含量的增加，試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降顯著。

圖2 3種離子共存條件下試塊的抗壓強(qiáng)度Fig.2 Strength of the cement-soil samples under coexistence of three ions

Mg2+、Cl?和共存對(duì)水泥強(qiáng)度對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)有較強(qiáng)的抑制作用，但Mg2+、Cl?和含量同時(shí)變化所導(dǎo)致的水泥土強(qiáng)度降低并不是單一可溶性鹽離子作用的簡(jiǎn)單疊加，在這一復(fù)雜的多離子漿土體系中，各種離子之間存在一定交互作用。為研究Mg2+、Cl?和對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響程度，開(kāi)展了這3種離子的正交試驗(yàn)（16#～24#），分析各離子對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響程度。試塊抗壓強(qiáng)度如表6所示。為分析Mg2+、Cl?和對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響程度，本次采用極差分析法和方差分析法相結(jié)合。極差的大小反映了試驗(yàn)中各因素對(duì)結(jié)果影響程度的大小，極差越大表明該因素影響程度越大。方差分析的基礎(chǔ)是變差分解，即將總變差平方和分解為各因素效應(yīng)變差平方和與誤差效應(yīng)平方和。首先假設(shè)各因素對(duì)結(jié)果都有影響，且試驗(yàn)結(jié)果樣本服從正態(tài)，然后考察各因素的效應(yīng)平方和與誤差效應(yīng)平方和之比，比值服從F分布，比值越大對(duì)應(yīng)概率越小，即為誤差效應(yīng)的概率越小，說(shuō)明該因素對(duì)分析結(jié)果有影響假設(shè)成立的概率越大，即為該因素對(duì)分析結(jié)果影響大。

根據(jù)上述試驗(yàn)原理和試驗(yàn)方法，不同齡期條件下，Mg2+、Cl?和的極差和方差如表7所示。通過(guò)各離子的極差和方差的計(jì)算結(jié)果，分析其對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響程度。

表6 16#～24#試塊的抗壓強(qiáng)度Table 6 Strength of cement-soil samples 16# to 24# /MPa

表7 不同齡期條件下Mg2+、Cl?和的極差和方差計(jì)算結(jié)果Table 7 Calculation results of the range and variance

表7 不同齡期條件下Mg2+、Cl?和的極差和方差計(jì)算結(jié)果Table 7 Calculation results of the range and variance

齡期/d極差 方差影響程度Mg2+ Cl? SO2?4 Mg2+ Cl? SO2?4 7 4.12e-2 3.55e-2 1.65e-2 2.72e-3 1.94e-3 4.44e-4 SO2?4 Mg2+＞Cl?＞14 7.75e-2 1.21e-1 3.83e-2 1.01e-2 2.24e-2 2.82e-3 SO2?4 Cl?＞Mg2+＞28 8.73e-2 1.87e-1 2.38e-1 1.14e-2 6.35e-2 8.57e-2 SO2?4＞Cl?＞Mg2+60 5.55e-1 4.26e-1 2.94e-1 4.64e-1 2.77e-1 1.59e-1 SO2?4 Mg2+＞Cl?＞90 2.71e-1 3.63e-1 1.11e-1 1.10e-1 1.97e-1 2.15e-2 SO2?4 Cl?＞Mg2+＞180 1.79e-1 4.86e-1 3.70e-1 5.09e-2 4.10e-1 2.41e-1 SO2?4 Cl?＞＞Mg2+270 5.10e-1 2.94e-1 1.59e-1 3.96e-1 1.29e-1 3.85e-2 SO2?4 Mg2+＞Cl?＞360 2.28e-1 1.74e-1 1.44e-1 8.35e-2 5.66e-2 2.15e-2 SO2?4 Mg2+＞Cl?＞

從表7中可以看出，極差和方差分析結(jié)果有很好的相關(guān)性，能夠較好地評(píng)價(jià)Mg2+、Cl?和共存對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響程度。根據(jù)極差和方差結(jié)果可知，Mg2+、Cl?和不同程度地影響了試塊的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短時(shí)，Cl?對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響最大，Mg2+次之，最弱；而當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，Mg2+對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響最大，Cl?次之，最弱。

綜上所述，Mg2+、Cl?和共存對(duì)水泥強(qiáng)度有較大的抑制作用，隨著離子含量的增加，試塊的強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著下降的趨勢(shì)。此外，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，不同可溶性鹽離子對(duì)試塊強(qiáng)度的影響程度不同；對(duì)試塊早期強(qiáng)度影響最大的是Cl?，Mg2+次之，最弱；對(duì)試塊中后期強(qiáng)度影響最大的是Mg2+，Cl?次之，最弱。

4 高含鹽水泥土微觀分析

可溶鹽離子通過(guò)影響水泥土的水化和離子交換過(guò)程、改變水泥土空間結(jié)構(gòu)分布來(lái)影響水泥土的力學(xué)特性，為了解可溶鹽離子與水泥土的微觀作用機(jī)理，借助環(huán)境掃描電鏡（ESEM）的手段，分別研究單離子和多離子作用下水泥土的水化和離子交換過(guò)程中其微觀結(jié)構(gòu)空間分布特征。

本次共選取5#、10#、15#、25#和27#試塊開(kāi)展不同齡期（7，28，60，90，180，360 d）下的ESEM分析和X-射線衍射分析。由于文章篇幅限制，本次選取養(yǎng)護(hù)28 d試塊的ESEM（圖3）和XRD分析結(jié)果進(jìn)行分析（圖4）。

圖3 28 d試塊ESEM照片對(duì)比Fig.3 ESEM pictures of the cement-soils at 28 d curing ages

圖4 25#和27#試塊XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of cement-soil samples 25 and 27

從圖3中可以看出，原狀土是由大量的片層狀體排列成實(shí)體式基質(zhì)結(jié)構(gòu)，少量粒狀體分布在片層狀基質(zhì)中，多為“邊?面”和“邊?邊”的結(jié)合方式連結(jié)，構(gòu)成“黏土基質(zhì)結(jié)構(gòu)”。在不摻入任何可溶鹽的水泥土中（25#），片狀的黏土礦物被絮（網(wǎng)）狀和簇狀的物質(zhì)粘結(jié)起來(lái)，絮（網(wǎng)）狀和簇狀的物質(zhì)是水泥與軟土混合后發(fā)生水解和水化反應(yīng)生成的水化硅酸鈣（C-S-H）和水化鋁酸鈣（C-A-H）凝膠。此外，在28 d齡期時(shí)試塊表面有少量針棒狀的鈣礬石生成，零星地分布于顆粒表面和粒間孔隙中。這些微晶物質(zhì)含量的增多使土顆粒之間的聯(lián)結(jié)類型從接觸連結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z結(jié)連結(jié)，水泥土的孔隙變少，水泥土變密實(shí)，處理后的軟土強(qiáng)度會(huì)有較大的提高。

從僅摻入Mg2+的試塊（5#）的ESEM照片中可以看出，試塊表面分布有少量的絮（網(wǎng)）狀、簇狀的C-SH和C-A-H凝膠物，且有較明顯的孔隙和貫穿縫存在，縫隙間無(wú)纖維狀的水化產(chǎn)物或者針棒狀的鈣礬石生成。與25#試塊相比，Mg2+的摻入給水泥土的微觀結(jié)構(gòu)帶來(lái)了較大的影響。

從僅摻入Cl?的試塊（10#）的ESEM照片中可以看出，試塊表面同樣分布有微量的絮（網(wǎng)）狀、簇狀的CS-H和C-A-H凝膠物，左右兩側(cè)存在2條貫穿縫，試塊的骨架構(gòu)成疏松，水化產(chǎn)物數(shù)量較少，表面孔洞明顯。

當(dāng)同時(shí)摻入Mg2+、Cl?和時(shí)，在土-水-水泥-鹽離子體系中，黏土顆粒形態(tài)依然可見(jiàn)，幾乎無(wú)絮（網(wǎng)）狀、簇狀的C-S-H、C-A-H凝膠的生成，僅有極少量的針棒狀鈣礬石晶體的分布，顆粒之間的膠結(jié)不夠充分，試塊中存在較大孔隙。由此可見(jiàn)，Mg2+、Cl?和共存對(duì)水泥土的微觀組成特征有顯著的影響，使水泥土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能明顯降低。

從25#和27#試塊的XRD圖譜中也可以看出，27#試塊中C-S-H和C-A-H的峰值變?nèi)?，而M-S-H和M-A-H出現(xiàn)明顯的峰值，但M-S-H與M-A-H的生成量較C-S-H和C-A-H要少，其分散于C-S-H和C-AH凝膠之中，使得C-S-H和C-A-H的膠凝性變差，從而降低水泥土的強(qiáng)度。

5 結(jié)論

（1）Mg2+、Cl?和對(duì)試塊的強(qiáng)度有不同程度的負(fù)面影響。對(duì)于單一離子作用時(shí)，試塊的強(qiáng)度隨著Mg2+和Cl?含量的增加而降低，而試塊的早期強(qiáng)度隨含量的增加先降低后增加，中后期強(qiáng)度隨含量的增加而降低。對(duì)于多種離子共同作用時(shí)，隨著Mg2+、Cl?和含量的增加，試塊的強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著下降的趨勢(shì)。

（2）針對(duì)不同齡期的試塊，不同可溶性鹽離子對(duì)試塊強(qiáng)度的影響程度不同。對(duì)試塊早期強(qiáng)度影響最大的是Cl-，Mg2+次之，最弱；對(duì)試塊中后期強(qiáng)度影響最大的是Mg2+，Cl?次之，最弱。

（3）可溶性鹽離子導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度降低的原因在于，可溶鹽離子參與反應(yīng)，消耗水泥土中C-S-H和CA-H凝膠，并生成大量的M-S-H、M-A-H、氯化鈣結(jié)晶、輕質(zhì)氯化鎂結(jié)晶和水化氯鋁酸鈣結(jié)晶，M-S-H和M-A-H分散于C-S-H和C-A-H凝膠中，降低水泥土的膠結(jié)力，結(jié)晶物質(zhì)的生成一定程度上提高水泥土的強(qiáng)度，而隨著晶體膨脹到一定程度時(shí)，膨脹力高于試塊的膠結(jié)力，進(jìn)而導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生，水泥土的強(qiáng)度下降。