鹽分侵蝕對水泥固化土力學特性的影響研究

張 丹， 吳振威， 宋苗苗， 徐桂中， 邱成春， 曹裕翔

(鹽城工學院 土木工程學院，江蘇 鹽城 224051)

水泥作為最常用的固化劑，自上世紀80年代引入我國后，在軟土地基處理、基坑圍護等工程中得到廣泛的應用。如連-鹽高速公路軟土地基處理[1]，港珠澳大橋連接線拱北隧道基底加固[2]。由于第四紀海侵、海水入侵等運動影響，沿海地區地下水鹽分濃度普遍較高[3]。故當工程結構位于沿海地區時，不可避免地將遭受鹽分侵蝕作用。因此，探究鹽分對水泥固化土力學特性的影響，具有十分重要的工程意義。

學者們通過研究發現，當水泥固化材料處于鹽分侵蝕環境時，容易出現強度衰減、壓縮-滲透性增大等劣化現象[4,5]。大量的工程實踐也表明，在地下水鹽分濃度較高的地區，水泥加固材料會很快被腐蝕，在外界荷載作用下容易產生過大不均勻沉降、長期穩定性降低等工程問題[6,7]。王忠嘯等[8]對我國黃河三角洲地區高速公路進行調查，指出海水侵蝕引起水泥土力學性狀劣化，是產生大量車轍、裂縫、沉陷等道路病害的主要原因。顯而易見，沿海地區鹽分侵蝕將引起水泥固化疏浚泥力學性狀劣化，容易導致各種工程災變的發生，影響實際工程的長期安全運營。李丹丹[9]對氯鹽侵蝕下固化土的工程特性做了研究，研究表明固化土強度隨著氯離子濃度的升高而降低；王子帥[10]、傅小茜[11]等研究了硫酸鹽侵蝕下水泥土的力學特性，并指出侵蝕作用與水泥的摻入比、侵蝕齡期等因素有關；史可健[12]通過對硫酸鹽和氯鹽共同侵蝕下固化土的力學特性研究，發現氯離子的存在不僅可以降低硫酸鹽的侵蝕速度，一定程度上還可以提高固化土的抗壓強度，減輕固化土的劣化程度；萬志輝等[13]等指出海水侵蝕下，水泥土強度同時存在增長和侵蝕破壞兩種作用；寧寶寬[14]對不同侵蝕條件下水泥土力學性能的演化進行了探討,并且分析、建立其相應損傷本構模型；然而，大部分學者的研究只是針對一種鹽分，少數學者做了兩種鹽分耦合的研究；對固化土在實際海水環境中劣化研究相對來說更少。

基于此，本文在試驗室內不僅模擬了單一鹽分侵蝕環境，還模擬了實際海水環境；通過無側限試驗研究了不同侵蝕環境下固化土的力學性能變化規律，以期為我國實際工程結構設計與施工提供技術支撐。

1 試驗簡介

1.1 試驗材料

試驗用土取自鹽城市阜寧縣，為了保證試驗土樣的均勻一致性，試驗開始前將現場取回的淤泥土樣進行晾干、粉碎、過篩，去除試驗淤泥土樣中如樹枝、枯葉、石子等雜質，處理過后加入純水在100 L密封桶內配置成一定含水率的淤泥泥漿，攪拌均勻備用。根據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》測定試驗用土液塑限、顆粒級配、比重等，結果如表1和圖1所示。試驗所用阜寧淤泥在塑性圖上的位置如圖2所示，根據規范GB/T 50145—2007《土的工程分類標準》可知，試驗所用土樣為高液限黏土。試驗用土的黏土礦物成分組成委托中國科學院南京土壤研究所進行測試，試驗結果如表2所示。

圖1 土樣級配曲線

圖2 土樣塑性圖

表1 土樣的基本物理性質

表2 土樣的礦物成分

試驗所用水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，出廠前由專門機構進行相關試驗檢測，28 d的抗折和抗壓強度分別為9.2，50.3 MPa，其他各項指標均符合國家標準規范GB 175—2020要求。

試驗中模擬侵蝕環境配制溶液所用的氯化鈉(NaCl)，由天津市北辰方正試劑廠生產，純度為分析純，其中氯化鈉(NaCl)含量大于99.5%；

試驗中模擬侵蝕環境配制溶液所用的硫酸鈉(Na2SO4)，由天津市登峰化學試劑廠生產，純度為分析純，其中氯化鈉(Na2SO4)含量大于99%；試驗中模擬侵蝕環境配制溶液所用的海鹽，來自山東青島東風鹽場，為天然海水曬制而成，主要成分為氯化鈉(NaCl)，還含有少量的氯化鎂、硫酸鈣等礦物成分，具體數值如表3所示。

表3 海鹽化學成分

1.2 試樣制備

為了避免原土樣中鹽分對試驗結果的影響，制備試樣前先對土樣進行洗鹽處理，然后統一配置成含水率為99%泥漿備用，固化土試樣的水泥的摻量為50 kg/m3。

無側限抗壓強度試驗的模具選用高度80 mm，直徑40 mm的亞克力圓筒。制樣前，先用凡士林均勻涂抹模具圓筒內壁及模具蓋子內邊緣，然后分三次填入攪拌均勻的固化土樣，每次填入土樣后，振動密實，最后將表面刮平。為了保證試驗的準確性，每組制作三個平行試樣。一批試樣制備完成后，立即放入標準養護室養護24小時，脫模后放入相應配制好的溶液中，繼續浸泡至相應齡期，取出做單軸無側限抗壓試驗。

1.3 試樣環境模擬

本次試驗采用4種溶液浸泡試樣：分別為清水浸泡、海鹽浸泡、氯化鈉浸泡、硫酸鈉浸泡，其中，海鹽、氯化鈉、硫酸鈉的濃度分別為30，50 g/L。清水采用蒸餾水，海鹽、氯化鈉、硫酸鈉溶液14 d內，每天更換一次；15～30 d，每7 d更換一次；30 d后，每1個月更換一次。

1.4 試驗方案

無側限試驗所用儀器為南京土壤儀器廠生產的YYW-2型應變控制式無側限壓力試驗儀，無側限強度值取三個平行樣的平均值；試驗方案如表4所示。

表4 無側限抗壓強度試驗方案

2 試驗結果

2.1 外觀變化

圖3所示為試樣表觀隨浸泡齡期變化圖，從圖中可以看出浸泡時間3 d時，在濃度為50 g/L硫酸鈉溶液中，試樣表面已經出現細微的裂縫，其他濃度溶液浸泡的試樣完整性較好。浸泡時間7 d時，30,50 g/L硫酸鈉溶液中，試樣表面均出現裂縫，而且50 g/L硫酸鈉溶液中，試樣表面已經出現貫穿整個試樣高度的細長裂縫；其他溶液浸泡的試樣表面無變化。浸泡時間28 d時，除了清水和30 g/L氯化鈉溶液中的試樣，其他溶液浸泡的試樣表面均能直觀看到不同程度的鹽分侵蝕現象；浸泡時間90 d時，除了清水中的試樣完整性較好，其他溶液浸泡的試樣表面均有明顯的鹽分侵蝕現象，而且硫酸鈉溶液浸泡的試樣鹽分侵蝕更嚴重。

圖3 試樣外觀隨浸泡時間變化

2.2 無側限抗壓強度

圖4a,4b,4c所示為試樣在同一種鹽分不同濃度下無側限抗壓強度隨浸泡齡期變化圖，從圖4a,4b,4c 3幅圖分析可知：(1)在浸泡溶液為清水的環境下試樣的強度隨著齡期的增加而增加，前期水泥水化反應迅速，生成的水化產物多，強度提升較快，中后期水泥水化反應趨于穩定，強度增長緩慢，具體表現在3 d強度只有69 kPa，28 d達到127.9 kPa，90 d略微升高達到129 kPa。

(2)在三種侵蝕環境下，試樣強度均隨著鹽分濃度的升高而降低。在30，50 g/L的氯化鈉溶液中，試樣浸泡28d的強度分別為65.81，50.98 kPa，相對于在清水中浸泡的試樣強度分別降低了48.5%，60.1%；在30，50 g/L的硫酸鈉溶液中，試樣浸泡28d的強度分別為38.56，28.31 kPa，相對于在清水中浸泡的試樣強度分別降低了69.8%，77.9%；在30，50 g/L的海鹽溶液中，試樣28 d的強度分別為49.73，31.45 kPa，相對于在清水中浸泡的試樣強度分別降低了61.1%，75.4%，其他浸泡齡期，相對于清水中浸泡的試樣強度，侵蝕環境中浸泡的試樣強度均有不同程度的降低。

(3)侵蝕環境中浸泡試樣強度先隨浸泡時間的增加而增加，再隨著浸泡時間的增加減小。需特別指出的是在50 g/L的硫酸鈉溶液和海鹽溶液中，浸泡試樣3 d強度分別為40.64，44.16 kPa，浸泡7 d后，試樣的強度分別為36.94，42.17 kPa，相對于其3 d的強度分別降低了9.1%和4.5%。

圖4d，4e所示為試樣在不同鹽分相同濃度下無側限抗壓強度隨浸泡齡期變化圖。從4d，4e兩幅圖分析可知：同一濃度、浸泡齡期下，硫酸鈉溶液浸泡下試樣強度值最低；氯化鈉溶液浸泡下試樣的強度值最高；海鹽溶液浸泡下試樣強度值居于前兩者之間；以28 d 浸泡齡期，30，50 g/L硫酸鈉溶液浸泡下試樣強度38.56，28.31 kPa為基準，30，50 g/L海鹽溶液浸泡下試樣強度分別提高了28.9%，11.1%，30，50 g/L氯化鈉溶液浸泡下試樣強度分別提高了70.6%，80.1%。表明硫酸鈉溶液浸泡對本文的固化土試樣侵蝕作用最強。

圖4 無側限抗壓強度隨浸泡齡期的變化

圖5所示為試樣浸泡28 d典型應力-應變曲線，圖6為試樣典型破壞模式。從圖5可以看出固化土典型的單軸應力-應變曲線基本呈現出應變軟化的特征，大致可以分為三個階段[15]：第一階段應力-應變曲線為直線段，顆粒未破損，變形在彈性范圍；第二階段，應力-應變曲線為非線性上升段，固化土逐漸損傷，曲線斜率開始減小，顆粒發生破損，顆粒變形不會恢復，表現為塑性變形，試樣表面出現微裂紋；第三階段階段，應力-應變曲線為非線性下降段，固化土試樣裂縫不斷延伸發展逐漸貫通(如圖6所示)。

圖5 試樣典型應力-應變曲線(28 d)

從圖6可以看出：浸泡時間28 d時，清水、氯化鈉和海鹽溶液中試樣破壞模式為剪切破壞，硫酸鈉溶液中的試樣為張裂破壞，原因是硫酸鈉溶液對固化土侵蝕最嚴重，浸泡3 d時，試樣表觀已經開始出現細長的裂縫，中期由于試樣表觀裂縫及內部缺陷存在，使得試樣在發生剪切破壞之前發生了張裂破壞[16]；浸泡時間90 d時，清水溶液中試樣破壞模式為剪切破壞，氯化鈉、硫酸鈉和海鹽溶液中的試樣為張裂破壞，原因是在鹽分長期的侵蝕下，固化土表觀和內部均產生了不同程度的破壞，導致了張裂破壞發生在剪切破壞之前，而清水溶液中試樣浸泡到90 d，試樣表觀也無明顯變化，無側限抗壓強度仍在緩慢增長。

圖6 試樣典型破壞模式

3 機理分析

(1)水泥土強度提升的主要原因是水泥熟料礦物水化反應產生的C-S-H和C-A-H等水化產物之間相互搭接形成骨架[17,18]，并且膠結土顆粒形成整體。28 d時，水泥水化反應在已經達到60%以上；90 d時，水泥水化反應已經完成90%以上[19]，因此在清水環境中浸泡試樣的強度在前期快速增長，28 d后強度增長速度變緩。

(2)在氯化鈉溶液中浸泡的試樣，在前期強度先隨浸泡齡期增長的原因是Cl-含量較低，對固化土的侵蝕速度要弱于水泥水化反應的速度；中、后期水浸泡齡期降低的主要原因：當溶液中的Cl-濃度較高時，CaO·Al2O3,CaCl2,C-A-H反應生成F′s鹽(反應式如式(1)所示)，F′s鹽膠結強度比水泥水化產物低，并且會阻止黏土礦物的水化，降低水化產物的產生[9]。因此，在氯化鈉溶液中浸泡的試樣強度會低于在清水中浸泡的試樣強度。

Ca(OH)2+2NaCl?CaCl2+2NaOH

3CaO·Al2O3·6H2O+CaCl2+25H2O→

3CaO·Al2O3·CaCl2·31H2O(F′s鹽)

(1)

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

(2)

(5)海鹽中最主要的成分是氯化鈉，還含有少量的硫酸鹽。海鹽溶液中浸泡的試樣，強度出現降低的主要原因是前兩者共同的作用的結果，在此不重復贅述。

4 結 論

(1)在清水和30 g/L氯化鈉、海鹽液中浸泡的試樣，90 d試樣表面基本無侵蝕現象；在50 g/L硫酸鈉溶液中，3 d時試樣表面已經出現裂縫；在30 g/L硫酸鈉溶液中，7 d試樣表面均出現裂縫；除了清水和30 g/L氯化鈉、海鹽液中浸泡的試樣，90 d其他試樣表面均有明顯侵蝕現象。

(2)浸泡時間28 d時，清水、氯化鈉和海鹽溶液中試樣破壞模式為剪切破壞，硫酸鈉溶液中的試樣為張裂破壞；浸泡時間90 d時，清水溶液中試樣破壞模式為剪切破壞，氯化鈉、硫酸鈉和海鹽溶液中的試樣為張裂破壞。

(3)同一濃度、浸泡齡期下，硫酸鈉溶液對固化土的侵蝕作用更強，海鹽溶液次之，氯化鈉溶液侵蝕作用最弱；但是，無論哪種溶液侵蝕，固化土的強度均出現大幅降低。

(4)固化土28 d典型的單軸應力-應變曲線基本呈現出應變軟化的特征，海鹽溶液中浸泡試樣的峰值強度對應的應變要小于硫酸鈉溶液中浸泡試樣峰值強度對應的應變。