污水環(huán)境對(duì)水泥土力學(xué)性能的影響試驗(yàn)研究

陳四利，楊雨林，張精禹

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

污水環(huán)境對(duì)水泥土力學(xué)性能的影響試驗(yàn)研究

陳四利，楊雨林，張精禹

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

由于多數(shù)地下水泥土工程直接與地下腐蝕性介質(zhì)環(huán)境接觸，必將導(dǎo)致水泥土材料的逐步劣化甚至失效破壞。以某市區(qū)工地附近明渠排放的污水作為侵蝕性介質(zhì)，制作了不同水泥摻量的水泥土試件，通過對(duì)比試驗(yàn)，研究了污水環(huán)境和清水環(huán)境下不同水泥摻量、不同齡期的水泥土抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。結(jié)果表明，在污水或清水環(huán)境下，相同水泥摻量水泥土30 d齡期的抗壓強(qiáng)度幾乎相等，隨著齡期的增加其抗壓強(qiáng)度均逐步增大，但污水環(huán)境下其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)的幅度明顯小于清水環(huán)境，90 d后清水環(huán)境的水泥土抗壓強(qiáng)度不再增長(zhǎng)，而污水環(huán)境的抗壓強(qiáng)度開始降低；污水環(huán)境和清水環(huán)境下的水泥土內(nèi)摩擦角和黏聚力隨齡期、水泥摻量的增加均逐步增大，污水環(huán)境下齡期90 d后的內(nèi)摩擦角和黏聚力均開始降低。

水泥土；污水；水泥摻量；抗壓強(qiáng)度；抗剪強(qiáng)度

由于水泥土施工工藝簡(jiǎn)單、工期短、價(jià)格低廉、性能良好等特點(diǎn)，在建筑地基加固、基坑擋土墻及基坑止水帷幕等工程中得到廣泛應(yīng)用［1］。學(xué)者們對(duì)水泥土在自然環(huán)境的力學(xué)性質(zhì)研究較多，也取得了一定的研究結(jié)果［2－6］。眾所周知，地下結(jié)構(gòu)的損壞多數(shù)與地下水的侵蝕有關(guān)，生活污水、工業(yè)污水等侵蝕性介質(zhì)融入地下水中，地下水以及土質(zhì)屢遭不同程度的污染，必將導(dǎo)致與污染環(huán)境接觸的水泥土工程質(zhì)量逐步劣化甚至失效破壞。比如在侵蝕性地下水地層中進(jìn)行水泥土樁施工時(shí)，不僅要重視地下水對(duì)水泥土樁使用安全性的影響，而且在水泥土樁施工時(shí)地下水的侵入也要引起足夠的重視。由于不同腐蝕介質(zhì)的地下水對(duì)建筑材料有不同程度的影響，因此，有關(guān)這方面的課題越來越引起眾多學(xué)者的關(guān)注，如劉恩軍［7］介紹了侵蝕性地下水對(duì)地下結(jié)構(gòu)工程的影響、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及其防治措施。寧寶寬等［8－10］探討了環(huán)境侵蝕下水泥土的力學(xué)效應(yīng)、細(xì)觀破裂過程以及水泥土樁承載力的影響。陳四利等［11－13］進(jìn)行了化學(xué)侵蝕下水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、滲透時(shí)間以及凍融循環(huán)對(duì)水泥土影響的試驗(yàn)研究。然而，在實(shí)際工程中，地下侵蝕環(huán)境不是單一的化學(xué)成分，是多種腐蝕介質(zhì)的共同作用。為此，筆者根據(jù)工程實(shí)際情況，考慮多種腐蝕性介質(zhì)的影響，如污水環(huán)境下水泥土力學(xué)特性的腐蝕效應(yīng)，為水泥土工程的安全性和耐久性設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供技術(shù)參數(shù)。根據(jù)工程實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了污水環(huán)境下水泥土抗壓與抗剪試驗(yàn)，研究了污水對(duì)水泥土的抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和黏聚力的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案及試件制備

1.1 試驗(yàn)材料和試樣制備

試驗(yàn)采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的礦渣硅酸鹽水泥，其質(zhì)量符合國(guó)家建材標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)所用土為取自沈陽(yáng)市某地的粉質(zhì)黏土，經(jīng)過風(fēng)干、碾壓，并且通過5 mm篩，主要的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用土主要物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Main physical properties of test soil

清水為自來水，污水取自沈陽(yáng)某工程工地附近明渠排放的污水，檢測(cè)后，其主要化學(xué)成分如表2所示，其p H值為6.5。

表2 污水的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of polluted water（mg·L－1）

水泥土試件中的水泥摻量采取3種配制形式，即水泥摻量分別為9%、12%、15%；3種配合比試驗(yàn)，土、水泥、水（清水或污水）質(zhì)量比分別為1∶0.09∶0.18，1∶0.12∶0.24，1∶0.15∶0.3。3種配合比均分別用清水?dāng)嚢韬臀鬯當(dāng)嚢瑁瑢嚢韬笏嗤练謩e裝入70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm鋼模為抗壓試驗(yàn)試件和直徑60 mm、高20 mm的環(huán)刀中為抗剪試驗(yàn)試件，靜置24 h脫模，清水?dāng)嚢璧脑嚰糜谇逅叙B(yǎng)護(hù)（簡(jiǎn)稱清水環(huán)境），污水?dāng)嚢璧脑嚰糜谖鬯叙B(yǎng)護(hù)（簡(jiǎn)稱污水環(huán)境），水的溫度為（20±1）℃，分別養(yǎng)護(hù)至30、60、90、120 d待用。試件養(yǎng)護(hù)情況如圖1所示。

圖1 水泥土試件的養(yǎng)護(hù)Fig.1 Curing of cemented soil specimens

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)《JGJT 233—2011水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的要求以及試驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求，進(jìn)行水泥土試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，主要儀器設(shè)備有YAW－300B型全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)和ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀。

對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期為30、60、90、120 d的試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)和抗剪試驗(yàn)，獲取抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度相關(guān)參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 污水對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響

在污水環(huán)境和清水環(huán)境下，隨著水泥摻量的增大，其水泥土抗壓強(qiáng)度均逐步增大，而且污水環(huán)境和清水環(huán)境下的水泥土抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)也基本相同，如圖2所示。

圖2 水泥土在不同齡期抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curves of compressive strength on cemented soil with cement content in different age

如圖3所示，污水環(huán)境和清水環(huán)境在齡期30 d處的抗壓強(qiáng)度基本相等，說明小于齡期30 d的抗壓強(qiáng)度其環(huán)境影響不大，隨著齡期的增加其清水環(huán)境下的水泥土抗壓強(qiáng)度逐步增大，90 d后幾乎不再增長(zhǎng)。而污水環(huán)境下的水泥土抗壓強(qiáng)度雖然也逐步增大，但增大的幅度明顯小于清水環(huán)境，而且90 d后其抗壓強(qiáng)度又開始降低。齡期120 d且水泥摻量為9%、12%和15%時(shí)的清水養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度分別為3.93、4.61 和 4.97 MPa，而污水養(yǎng)護(hù)分別降至2.97、4.01和4.53 MPa。

圖3 污水與清水環(huán)境水泥土抗壓強(qiáng)度隨齡期的關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves of compressive strength on cemented soil with age in clean water and polluted water

2.2 污水對(duì)水泥土抗剪強(qiáng)度的影響

不同齡期、不同水泥摻量條件下水泥土抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系規(guī)律如圖4所示。從圖中可以看出，清水和污水中養(yǎng)護(hù)，水泥土抗剪強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力的增加而增大，回歸分析可知，其變化呈線性關(guān)系。同時(shí)還可以看出，在相同齡期、相同水泥摻量下，清水環(huán)境的抗剪強(qiáng)度大于污水環(huán)境的抗剪強(qiáng)度，而且兩條回歸曲線幾乎平行，也說明污水環(huán)境致使黏聚力弱化，影響較大，內(nèi)摩擦角與清水環(huán)境幾乎相同，影響較小。

圖4 不同水泥摻量和齡期抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves of shear strength on cemented soil with normal stress in different cement content and age

根據(jù)在污水環(huán)境或清水環(huán)境下不同水泥摻量、不同齡期水泥土抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力的變化規(guī)律，利用庫(kù)侖定律，水泥土的抗剪強(qiáng)度方程為

式中：τf為水泥土的抗剪強(qiáng)度，kPa；σ為法向應(yīng)力，k Pa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）；C 為黏聚力k Pa。

圖4中的線性回歸曲線與橫坐標(biāo)的夾角即為內(nèi)摩擦角，與縱坐標(biāo)的截距即為黏聚力。由此可以得到污水環(huán)境與清水環(huán)境下不同水泥摻量，不同齡期水泥土的內(nèi)摩擦角、黏聚力的大小，并繪制曲線如圖5、圖6所示。

由圖5可知，在污水環(huán)境和清水環(huán)境下水泥土內(nèi)摩擦角隨齡期、水泥摻量的增加而增大，齡期90 d后，內(nèi)摩擦角變化不大，且略有降低的趨勢(shì)。同時(shí)，水泥摻量相同，污水養(yǎng)護(hù)下的內(nèi)摩擦角比清水養(yǎng)護(hù)下的內(nèi)摩擦角均略有降低，且降低幅度非常小，說明水泥摻量相同情況下，污水環(huán)境對(duì)內(nèi)摩擦角的影響小。由圖6可知，在污水環(huán)境和清水環(huán)境下水泥土黏聚力隨齡期、水泥摻量的增加而增大，齡期90 d后，清水環(huán)境下的黏聚力幾乎沒有增加，而污水環(huán)境下的黏聚力呈下降趨勢(shì)。對(duì)于不同齡期和不同水泥摻量，污水養(yǎng)護(hù)下的黏聚力比清水養(yǎng)護(hù)下的黏聚力均有降低，且降低幅度較大。說明水泥摻量相同情況下，污水環(huán)境對(duì)黏聚力的影響較大。

2.3 污水環(huán)境影響機(jī)理初步分析

土的礦物成分主要有SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3及少量云母和可溶鹽。水泥主要水化反應(yīng)是硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣。污水含有多種離子如表2所示。無機(jī)物及微生物，化學(xué)成分復(fù)雜，用污水制作養(yǎng)護(hù)水泥土，污水中離子會(huì)和水泥離子發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，會(huì)阻礙水泥的水化反應(yīng)，同時(shí)和水泥水化后的產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，從而影響水泥土的強(qiáng)度。例如 Mg2＋、Zn2＋、Fe3＋都會(huì)和 Ca（OH）2反應(yīng)，消耗Ca（OH）2應(yīng)而阻礙了水泥的水化反應(yīng)。Mg2＋和SO2－4導(dǎo)致C－S－H開始分解生成MS－H（水化硅酸鎂），M－S－H的黏性很差，且強(qiáng)度不高。主要化學(xué)方程式如下：

圖5 污水養(yǎng)護(hù)與清水養(yǎng)護(hù)下不同水泥摻量水泥土的內(nèi)摩擦角隨齡期的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves of internal friction angle on cemented soil with age in clean water and polluted water of different cement content

圖6 污水養(yǎng)護(hù)與清水養(yǎng)護(hù)下不同水泥摻量水泥土的黏聚力隨齡期的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curves of cohesion on cemented soil with age in clean water and polluted water of different cement content

另一方面，水泥顆粒可以吸附在比表面積大的土顆粒周圍，不斷凝結(jié)成一個(gè)整體，也可以產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的硅氧四面體和鋁氫氧八面體生成片或網(wǎng)狀［11］。但由于Cl－的作用使水泥土引起蜂窩狀孔洞使水泥顆粒不能更好吸附在土顆粒周圍從而影響強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

對(duì)水泥土進(jìn)行了污水制作養(yǎng)護(hù)與清水制作養(yǎng)護(hù)對(duì)比試驗(yàn)，分析了不同水泥摻量、不同齡期對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度的影響，得到如下的結(jié)論：

1）在污水環(huán)境和清水環(huán)境下，齡期小于30 d的水泥土抗壓強(qiáng)度幾乎相等，隨著齡期的增加其清水環(huán)境下的水泥土抗壓強(qiáng)度逐步增大，90 d后幾乎不再增長(zhǎng)。而污水環(huán)境下的水泥土抗壓強(qiáng)度雖然也逐步增大，但增大的幅度明顯小于清水環(huán)境，而且90 d后其抗壓強(qiáng)度不再增長(zhǎng)，開始降低。

2）不同水泥摻量和不同齡期的水泥土抗剪強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力的增加而增大，試驗(yàn)結(jié)果表明，其抗剪強(qiáng)度變化呈線性關(guān)系，污水環(huán)境的抗剪強(qiáng)度明顯小于清水環(huán)境的抗剪強(qiáng)度，而且兩條曲線幾乎平行，也說明污水環(huán)境致使黏聚力弱化，影響較大，內(nèi)摩擦角與清水環(huán)境幾乎相同，影響較小。

3）污水環(huán)境和清水環(huán)境下水泥土內(nèi)摩擦角隨齡期、水泥摻量的增加而增大，在齡期90 d后，內(nèi)摩擦角變化不大，且略有降低的趨勢(shì)。污水環(huán)境下的內(nèi)摩擦角比清水環(huán)境下的內(nèi)摩擦角均略有降低，且降低幅度非常小。

4）污水環(huán)境和清水環(huán)境下水泥土黏聚力隨齡期、水泥摻量的增加而增大，在齡期90 d后，清水環(huán)境下的黏聚力幾乎沒有增加，而污水環(huán)境下的黏聚力呈下降趨勢(shì)。污水環(huán)境下的黏聚力比清水環(huán)境下的黏聚力均有降低，且降低幅度較大。說明水泥摻量相同情況下，污水環(huán)境對(duì)黏聚力的影響較大。

［1］陳四利，寧寶寬.巖土材料的環(huán)境效應(yīng)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

Chen S L， Ning B K.Environment effect of geotechnical material ［M］.Beijing： Metallurgical Industry Press，2010.（in Chinese）

［2］周海龍，申向東，薛慧君.小齡期水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，44（1）：75-79.

Zhou H L，Shen X D，Xue H J.Experiment research on unconfined compressive strength of cement soil under small age［J］.Journal of Shandong Unniversity，2014，44（1）：75-79.（in Chinese）

［3］孫宇雁，王子國(guó)，孫衍湖.關(guān)于水泥土抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究［J］.山西建筑，2008，34（32）：162-164.

Sun Y Y，Wang Z G，Sun Y H.Experimental study on shear strength of the soil cement ［J］， Shanxi Architecture，2011，37（5）：146-148.（in Chinese）

［4］Consoli N C，da Fonseca A V，Silva S R，et al.Parameters controlling stiffness and strength of artificially cemented soils［J］.Geotechnique，2012，62（2）：177-183.

［5］Consoli N C，de Moraes R R，F(xiàn)estugato L.Parameters controlling tensile and compressive strength of fiberreinforced cemented soil［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2013，25（10）：1568-1573.

［6］趙振亞，申向東，賈尚華.Ca（OH）2對(duì)低摻量水泥土的強(qiáng)度影響［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2012，34（Sup1）：170-173.

Zhao Z Y，Shen X D，Jia S H.Influence of Ca（OH）2on strength of low proportional cemented soil［J］.Journal of Civil， Architectural ＆Engineering，2012，34（Sup1）：170-173.（in Chinese）

［7］劉恩軍.侵蝕性地下水對(duì)地下結(jié)構(gòu)工程的影響、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及其防治措施［J］.地下工程與隧道，2001（4）：38-45.

Liu E J.Erosive impact of groundwater on the underground structure engineering，evaluation standards and control measures ［J］.Underground Works and Tunnels，2001（4）：38-45.（in Chinese）

［8］寧寶寬，陳四利，劉斌，等.環(huán)境侵蝕下水泥土的力學(xué)效應(yīng)試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2005，26（4）：600-603.

Ning B K，Chen S L，Liu B，et al.Experimental study of cemented soil under environmental erosion［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26（4）：600-603.（in Chinese）

［9］寧寶寬，劉斌，陳四利.環(huán)境侵蝕對(duì)水泥土樁承載力影響的試驗(yàn)及分析［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，26（1）：299-302.

Ning B K，Liu B，Chen S L.Bearing capacity study of cement-mixed soil pile under environmental erosion［J］.Journal of Northeastern University： Natural Science，2005，26（1）：95-98.（in Chinese）

［10］寧寶寬，陳四利，丁梧秀，等.環(huán)境侵蝕下水泥土的強(qiáng)度及細(xì)觀破裂過程分析［J］.巖土力學(xué)，2009，10（8）：2215-2219.

Ning B K，Chen S L，Ding W X，et al.Analysis of meso-fracture process of cemented soil under environmental erosion［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，10（8）：2215-2219.（in Chinese）

［11］陳四利，寧寶寬，劉一芳，等.化學(xué)侵蝕下水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)［J］.新型建筑材料，2006（6）：40-42.

Chen S L，Ning B K，Liu Y F，et al.Experimental study of unconfined compression strength on cement soil under chemical erosion ［J］. New Building Materials，2006（6）：40-42.（in Chinese）

［12］Chen S L，Dong K H，Yu T，et al.Experimental study on infiltration time effects of mechanical behaviors of cement soil ［J］.International Journal of Applied Mathematics and Statistics，2013，50（20）：302-309.

［13］陳四利，史建軍，于濤，等.凍融循環(huán)對(duì)水泥土力學(xué)特性的影響［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，22（2）：343-349.

Chen S L，Shi J J，Yu T，et al.Influence of freezing and thawing cycles on mechanical properties of cemented soil ［J］.Journal of Basic Science and Engineering Applications，2014，22（2）：343-349.（in Chinese）

（編輯 胡英奎）

2015-03-31

National Natural Science Foundation of China（No.51279109）

Author brief：Chen Sili（1959-），professor，main research interest：environmental geotechnical mechanics，（E-mail）chen1458＠163.com.

Experimental analysis of effects of polluted water environment on mechanical properties of cemented soil

Chen Sili，Yang Yulin，Zhang Jingyu

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

The majority of underground cemented soil projects contact with underground corrosive medium environment directly，which will lead to the deterioration of cemented soil material gradually or even failure.The discharged polluted water from the open channel near construction site is used as a kind of corrosive medium to produce test pieces of cemented soil with different cement content.In both polluted water environment and clean water environment，the compressive strength and shear strength of cemented soil with different cement content and different ages are compared.The results show that when the age is 30 days，compressive strength of cemented soil with the same cement content is almost the same in polluted water environment and clean water environment.Compressive strength of cemented soil gradually increases with the increase of the age.However，the increase extent of compressive strength in polluted water environment is significantly less than that in clean water environment.After 90 days，compressive strength of cemented soil no longer increases in clean water environment，and compressive strength begins to decrease in polluted water environment.The internal friction angle and the cohesion of cemented soil gradually increase with the increase of the age and cement content in polluted water environment and clean water environment.The internal friction angle and the cohesion begin to decrease in polluted water environment after 90 days.

cemented soil；polluted water；cement content；compressive strength；shear strength

TU411.3

A

1674-4764（2015）04-0112-06

10.11835／j.issn.1674-4764.2015.04.015

2015-03-31

國(guó)家自然科學(xué)基金（51279109）

陳四利（1959-），男，教授，博士，主要從事環(huán)境巖土力學(xué)及其應(yīng)用研究，（E-mail）chen1458＠163.com。