環(huán)境侵蝕對水泥土力學性質(zhì)的影響

王樹才

(北票市水資源辦公室，遼寧 北票 122100)

環(huán)境侵蝕對水泥土力學性質(zhì)的影響

王樹才

(北票市水資源辦公室，遼寧 北票 122100)

隨著水泥土攪拌法在工程中的廣泛應用，環(huán)境侵蝕對其影響的問題逐漸暴露出來。本文通過自制水泥土試塊，配置不同濃度的MgSO4和MgCl2溶液模擬環(huán)境侵蝕，測試了不同侵蝕環(huán)境中水泥土的無側(cè)限抗壓強度。結(jié)果表明，在環(huán)境侵蝕作用下：應變較小時水泥土就會產(chǎn)生破壞；水泥土的強度在一定程度上受到了影響，在工程應用中應該將環(huán)境侵蝕作為其強度的影響因素進行考慮；在NaCl溶液的環(huán)境中，MgSO4溶液對水泥土的抗壓強度影響低于MgCl2溶液。

環(huán)境侵蝕；水泥土；無側(cè)限抗壓強度；力學性能；侵蝕溶液

本文通過自制水泥土試塊，配置不同濃度的MgSO4和MgCl2溶液來模擬侵蝕環(huán)境，通過對比分析無側(cè)限抗壓強度試驗的結(jié)果，探討環(huán)境侵蝕對水泥土力學性質(zhì)的影響，為工程應用提供參考借鑒作用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

為了和工程應用更接近，本次試驗所用土為取自溫州某建筑工地軟基上的粉土，其基本物理力學參數(shù)如表1所示，本次試驗所用水泥為普通硅酸鹽水泥P.O42.5。為了模擬不同的侵蝕環(huán)境，本次試驗配置了2種侵蝕溶液以及清水，侵蝕溶液的配比如表2所示。為了更好地模擬海水環(huán)境，在MgSO4和MgCl2溶液中加入20 g/L的NaCl作為溶液的基礎，清水中不加入其他任何化學試劑。

表1 試驗粉土物理力學參數(shù)

表2 侵蝕溶液配比

1.2 試驗方法與方案

將所取粉土風干后利用碾子充分碾散并過1 mm 篩，按照粉土100 g，水泥20 g，配水45 ml，并充分攪拌。將攪拌均勻后的水泥土裝入尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標準模塊中，并振動密實。在實際工程中水泥土是直接在侵蝕環(huán)境中發(fā)展其強度的，因此為了更好地符合實際工程，制備好的水泥土試樣24 h后脫模，放入不同濃度的MgSO4和MgCl2溶液中浸泡并養(yǎng)護至預設齡期。試驗過程中定期對溶液濃度進行檢測，并及時調(diào)整，以便其濃度維持在預設值。

當試件養(yǎng)護至28 d、50 d、70 d、90 d時，每組取3個試塊進行無側(cè)限抗壓強度試驗，取其平均值作為特定齡期特定濃度條件下的強度值，試驗儀器為600 kN液壓萬能試驗機。

2 結(jié)果與分析

2.1 應力應變關系曲線

圖1 不同侵蝕環(huán)境下水泥土的應力應變關系曲線

在水泥土齡期為28 d時，不同侵蝕環(huán)境下單軸試驗的應力應變關系曲線如圖1所示，由圖1可知在不同濃度的MgSO4和MgCl2溶液的環(huán)境中，水泥土的應力應變關系曲線可以大致分為3個階段。初始階段水泥土強度隨著應變的增加基本呈現(xiàn)線性增長，這是由于在位移很小的條件下，水泥土試塊內(nèi)部的微小裂縫被壓密閉合，因而其強度在這個階段能夠得到很好的發(fā)揮。水泥土強度在第二個階段達到峰值，這個階段中隨著位移的繼續(xù)增加，水泥土試塊內(nèi)部的微小裂縫基本閉合結(jié)束，強度發(fā)揮到極限，繼續(xù)增加位移，內(nèi)部開始發(fā)展出新的裂縫，因而達到峰值后其強度開始減小。第三個階段為強度衰減階段，試塊內(nèi)部新發(fā)展的裂縫逐漸擴大并貫通，強度迅速降低。水泥土在清水環(huán)境中的單軸抗壓強度最大，水泥土在應變?yōu)?.5%左右出現(xiàn)峰值，而在硫酸鎂溶液和氯化鎂溶液中，水泥土出現(xiàn)峰值所對應的應變均小于1.5%，這說明在侵蝕環(huán)境中，水泥土在應變較小時就會產(chǎn)生破壞，限制了其強度的發(fā)揮。

2.2 抗壓強度與侵蝕時間的關系

圖2 不同侵蝕環(huán)境下水泥土抗壓強度與侵蝕時間的關系

圖2為不同濃度的MgSO4和MgCl2溶液的環(huán)境中，水泥土無側(cè)限抗壓強度與侵蝕時間的關系曲線，由圖2可知，水泥土在清水中養(yǎng)護的單軸抗壓強度值最高。對于不同濃度的硫酸鎂溶液，它們的抗壓強度隨著侵蝕時間先增后減，在70 d左右達到峰值。出現(xiàn)這樣現(xiàn)象的原因是，水泥土強度最開始隨著時間的延長而逐漸發(fā)展，這是由于水泥產(chǎn)生膠結(jié)作用，將原本松散的土體相互黏接起來，而達到峰值之后出現(xiàn)強度降低的原因是溶液中的MgSO4與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生了一系列的反應，影響了水泥原本正常的水化反應，生成了其他產(chǎn)物，造成水泥土強度在后期降低的現(xiàn)象。對于濃度不同的MgCl2溶液，水泥土在早期(28 d)單軸抗壓強度略微高于MgSO4溶液中的強度，后期強度下降比較快。其強度發(fā)展較硫酸鎂快，在侵蝕時間為60 d左右達到峰值，之后強度迅速降低。相比于硫酸鎂溶液，氯化鎂溶液中水泥土強度后期較低的原因可能是MgCl2與水泥中的礦物質(zhì)發(fā)生反應更加劇烈，生成的產(chǎn)物強度更低。

2.3 抗壓強度與硫酸鎂濃度的關系

表3列出了在不同濃度的MgSO4溶液中養(yǎng)護的水泥土單軸抗壓強度值，由表3和圖2可知，在不同濃度的MgSO4溶液中養(yǎng)護的水泥土試塊的單軸抗壓強度均低于清水養(yǎng)護，在MgSO4濃度為20 g/L，侵蝕時間為28 d時，其強度相對于清水中養(yǎng)護的值降低了23%，可見水泥土強度在一定程度上會由于侵蝕環(huán)境而降低。在相同齡期時，水泥土強度在硫酸鎂濃度為10 g/L時最大，這是因為硫酸鎂與水泥水化產(chǎn)生的水化硅酸鈣發(fā)生反應生成氫氧化鎂，而氫氧化鎂能夠填充水泥土中的一些微小縫隙，因此生成一定的氫氧化鎂對提高水泥土的強度是有利的。當MgSO4濃度較低時，生成的Mg(OH)2量較少，不能夠很好地填充水泥土中的微小裂隙，因此強度提升不大；當MgSO4濃度較高時，生成的Mg(OH)2含量較多，充分填充完水泥土中的空隙之后，剩余的Mg(OH)2則會令水泥土膨脹，繼而出現(xiàn)新的裂隙，降低水泥土的強度。

表3 不同濃度MgSO4溶液中水泥土無側(cè)限抗壓強度

2.4 抗壓強度與氯化鎂濃度的關系

表4列出了在不同濃度的MgCl2溶液中養(yǎng)護的水泥土單軸抗壓強度值，由表4和圖2可知，在不同濃度的MgCl2溶液中養(yǎng)護的水泥土試塊的單軸抗壓強度均低于清水養(yǎng)護，在MgCl2濃度為20 g/L，侵蝕時間為90 d時，其單軸抗壓強度較在清水中養(yǎng)護值降低了41%，可見水泥土強度會受到侵蝕環(huán)境的影響，從而產(chǎn)生很大程度的降低。在相同齡期時，水泥土強度隨著氯化鎂溶液濃度的增加而降低。這是由于氯化鎂與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生反應產(chǎn)生氫氧化鎂，然而在水泥水化過程中產(chǎn)生的水化硅酸鈣凝膠可以很好地填充水泥土中間的空隙和微小裂縫，而產(chǎn)生水化硅酸鈣凝膠需要氫氧化鈣參加反應，由于氫氧化鈣與氯化鎂發(fā)生了反應，故水泥水化產(chǎn)生的水化硅酸鈣凝膠減少，水泥土強度也隨之降低，氯化鎂濃度越高，與其反應的氫氧化鈣越多，最終產(chǎn)生的水化硅酸鈣凝膠越少，水泥土強度越低。因此在相同條件下，MgSO4的侵蝕作用較氯化鎂小。

表4 不同濃度MgCl2溶液中水泥土無側(cè)限抗壓強度

3 結(jié) 論

由不同侵蝕環(huán)境中的水泥土試塊無側(cè)限抗壓強度的結(jié)果分析可知：

(1)在侵蝕環(huán)境中，應變較小時水泥土發(fā)生破壞，對其強度的發(fā)展產(chǎn)生了一定限制。

(2)水泥土的強度在一定程度上受到了環(huán)境侵蝕的影響，在工程應用中應該將環(huán)境侵蝕作為其強度的影響因素進行考慮。

(3)在NaCl溶液環(huán)境中，硫酸鎂溶液對水泥土的抗壓強度影響低于氯化鎂溶液對其產(chǎn)生的影響；在其他環(huán)境中，二者的影響大小還有待進一步地探討。

[1] 李建軍，梁仁旺.水泥土抗壓強度和變形模量試驗研究[J].巖土力學,2009,30(2)：473-477.

[2] 游波，王保田，李治朋，等.水泥土無側(cè)限抗壓強度影響因素試驗研究[J].現(xiàn)代交通技術,2010,7(5):4-7.

[3] 黃雨，周子舟，柏炯，等.石膏添加劑對水泥土攪拌法加固軟土地基效果影響的微觀試驗分析[J].巖土工程學報,2010,32(8)：1179-1183.

[4] 胡勇剛，羅強，張良，等.基于離心模型試驗的水泥土攪拌法加固斜坡軟弱土地基變形特性分析[J].巖土力學,2010,31(7)：2207-2213.

[5] 董曉強，宋志偉，張少華，等.水泥土攪拌樁芯樣電阻率特性的應用研究[J].土木工程學報,2016,49(10)：88-94.

[6] 李智彥.水泥土工程性能實驗研究[D].北京: 中國地質(zhì)大學，2006．

[7] 陳四利，張精禹，史建軍，等.酸堿環(huán)境對水泥土抗剪強度影響的試驗研究[J].冰川凍土,2016,38(4)：982-987.

[8] 劉泉聲，柳志平，程勇，等.水泥土在侵蝕環(huán)境中的試驗研究和等效分析[J].巖土力學,2013,34(7)：1854-1860.

[9] 寧寶寬，金生吉，陳四利. 侵蝕性離子對水泥土力學特性的影響[J].沈陽工業(yè)大學學報,2006,28(2)：178-181.

[10] 寧寶寬，張幼鶴，陳四利，等．水泥土材料的細觀損傷機理[J].沈陽工業(yè)大學學報,2012,34(5) : 586-590．

[11] 寧寶寬，陳四利，劉斌．水泥土的環(huán)境侵蝕效應與破裂過程分析[J].巖石力學與工程學報,2005, 24(10) : 1778-1782．

[12] 陳四利，史建軍，于濤，等．凍融循環(huán)對水泥土力學特性的影響[J].應用基礎與工程科學學報, 2014,22(2) : 343-349．

[13] Chen Sili，Dong Kaihe，Yu Tao，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．

Effect of environmental erosion on mechanical properties of cement stabilized soil

WANG Shucai

(BeipiaoWaterResourcesOffice,Beipiao122100，China)

With the stirring method of the cement stabilized soil widely used in the engineerings,the influence of the environment erosion on it is gradually exposed.This paper tested the unconfined compressive strength of the cement stabilized soil in different erosion environments by the self-made samples with different concentrations of MgSO4and MgCl2simulating the erosion environments.The results show that under the action of environmental erosion, the cement stabilized soil will be destroyed when the strain is small.The strength of it is affected to a certain extent.The environment erosion should be considered as a factor affecting its strength in the engineering applications.In the environment of NaCl solution, the effect of MgSO4solution on the compressive strength of cement stabilized soil is lower than that of MgCl2solution.

environmental erosion; cement stabilized soil; unconfined compressive strength; mechanical property; erosion solution

王樹才(1970-)，男，遼寧水票人，工程師，主要從事水利水電工程方面的工作。E-mail:413748468@qq.com。

TU411

A

2096-0506(2017)03-0006-04