場地環境變化引起的水泥土劣化深度及預測*

王曉倩，楊俊杰**，王 曼，蘇曉騰，焦德才，董猛榮

(1.海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266100)

1 研究背景

水泥是常用的固化材料，水泥加固土體形成的加固體應用廣泛，可作為豎向承載的復合地基、基坑工程中的擋墻或防滲止水帷幕、路基或堤基工程中的大體積穩定土等，而且水泥加固體工程量巨大[1-4]。然而，長期處于海水[5-6]、鹽漬土[7-9]和污染環境[10]等腐蝕場地中的水泥土等加固體，與混凝土、鋼材等建筑材料一樣不可避免地受到腐蝕作用，發生強度降低、滲透性增大的劣化現象。劣化的發生嚴重影響加固體的使用壽命[11-15]。

加固體的劣化由表及里逐漸發生。對于承受豎向荷載的水泥土樁，當其表層劣化后，即使樁身強度具有足夠的安全儲備，如圖1所示，由于側阻力和端阻力降低，將導致樁的承載力降低，直接影響樁的服役性能。因此，研究水泥土劣化隨時間的演化規律及對劣化深度的預測，對于腐蝕地基中水泥土樁的長期承載力預測，具有一定的理論和實際工程應用價值。

楊俊杰等[16]根據工程背景，將加固體的劣化問題分成兩類并提出了相應的室內試驗模擬方法(見圖2)。

圖1 腐蝕地基中的水泥土樁Fig.1 The cement soil piles in the corrosive foundation

在非腐蝕場地形成一段時間的加固體，因場地受到污染或海水入侵、鹽漬化而發生的劣化問題屬于第一類，如圖2左側所示。對于這類劣化問題，可采用先將加固體標準養護一定時間再與腐蝕環境相接觸的方式進行浸泡模擬。目前的劣化研究基本上屬于第一類，而且主要研究集中在原土性質、固化劑種類與添加量、養護時間、腐蝕性環境及加固體在其中的時間等各種因素對加固體強度的影響與影響機理方面[17-28]。Hara等[15]提出了指數函數形式的預測式，并與養護28 d后開始浸泡的水泥土劣化深度進行了對比；MIAO[29]提出了對數函數形式的預測式，預測結果與養護1 d后開始浸泡的水泥土劣化深度進行了對比。

圖2 劣化問題的分類及其研究思路Fig.2 Classification of deterioration problems and research design

另一方面，在污染場地、濱海及鹽漬化場地等腐蝕場地形成的加固體，其形成強度的同時即受到腐蝕介質的侵蝕，這類劣化問題屬于第二類，如圖2右側所示。為了與實際情況相符，采用在加固體形成后不經標準養護立即使其與腐蝕環境接觸的方式進行浸泡模擬。閆楠[30]分別提出了原土養護條件下和海水養護條件下的劣化深度預測式；楊俊杰等[31]研究了現場場地養護的濱海相軟土水泥土的劣化深度隨時間的演化規律并提出了水泥土劣化深度預測方法。

本文針對場地環境變化引起已有加固體的劣化問題，即第一類劣化問題，利用室內模擬試驗，討論水泥土劣化深度與浸泡時間的關系，顯然這類劣化與水泥土初始強度(不同標準養護時間)有關，因此，本文同時討論不同標準養護時間對劣化深度的影響，基于試驗結果提出水泥土劣化深度預測方法。

2 試驗概況

試驗研究場地環境變化引起已有加固體的劣化問題，即水泥土形成時不含腐蝕介質，且經過一段時間后，腐蝕介質開始侵入。故原土采用高嶺土并利用清水攪拌形成水泥土，標準養護一段時間后，使用人工海水進行浸泡。

2.1 試驗材料

試驗用土為高嶺土，生產廠家是上海市奉賢奉城試劑廠，為商品用土，狀態呈白色細粉末，部分有易碎的塊，且有特殊的黏土味，加水濕潤后即產生類似粘土的臭氣，并變成深色。參照《土工試驗方法標準》，測定高嶺土基本物理性質，測試結果如表1所示。

試驗用水泥為濰坊魯元建材有限公司生產的42.5號普通硅酸鹽水泥。

試驗用海水由海水素人工調制而成。海水素由廣州經濟技術開發區益爾生物工程有限公司生產。人工海水的調制方法：按照每公斤海鹽溶解于30 kg水的比例(海水素∶水為1∶30)充分攪拌溶解，待水清澈穩定后使用。所配置的海水無色無泡沫無沉淀，離子強度滲透壓和緩沖容量與天然海水大致相同。

表1試驗用土基本物理性質
Table 1 The basic physical properties of the soil

試驗用土Soilinthetest塑限/%Plasticlimit17mm液限/%17mmliquidlimit塑性指數Plasticityindex初始含水量/%Initialmoisturecontent比重Specificgravity高嶺土Kaolin33.272.138.90.22.70

2.2 試驗技術路線和方案

試驗技術路線如圖3所示。制備水泥土試樣，先在養護箱進行標準養護，達到設定養護時間后再進行海水浸泡養護，最后對達到設定浸泡時間后的試樣實施微型貫入試驗，確定劣化深度，討論劣化深度的演化規律，最后提出劣化深度預測式。

圖3 試驗技術路線Fig.3 Technique route of test

微型貫入試驗試樣的制備方案如表2所示。

2.3 試驗設備

圖4為試驗用設備，其中圖4(a)為用于原土、水泥、水的混合攪拌機；圖4(b)為制樣攪拌機；圖4(c)為微型貫入試驗儀。

2.4 微型貫入試驗試樣的制備及養護

試樣填筑在內徑85 mm、內高為105 mm的500 mL塑料燒杯(見圖5(a))內，燒杯平均內徑是探頭直徑的25倍，故使用上述燒杯可以消除試樣邊界效應。整個試樣制樣時間控制在5 min之內。之后將試樣放入養護箱進行標準養護(見圖5(b))，養護溫度為(20±2)℃,相對濕度為90%以上。標準養護至設定齡期后再放入到頂面直徑180 mm，底面直徑140 mm、高160 mm的塑料紅桶內進行海水浸泡養護(見圖5(c))。為防止水分蒸發，影響人工海水的濃度，在紅桶頂部簡單封一層塑料薄膜。海水浸泡初期，每隔7 d換一次海水，4次以后每隔1月換一次海水。最后海水浸泡養護至設定齡期進行微型貫入試驗。

表2 試驗方案一覽表Table 2 List of testing program

圖4 試驗設備Fig.4 Test apparatus

3 微型貫入試驗結果、劣化深度及其演化規律

3.1 微型貫入試驗結果

圖6為不同標準養護時間、不同海水浸泡時間的水泥土試樣貫入阻力(N)與貫入深度(mm)的關系曲線。

圖5 試驗制備及養護Fig.5 Test preparation and maintenance

圖6 微型貫入試驗結果Fig.6 Micro penetration test results

由圖6可知，與浸泡時間、標準養護時間無關，貫入阻力隨貫入深度的變化趨勢基本相同；標準養護時間越長，貫入阻力穩定時的值越大，說明標準養護時間與水泥土初始強度具有對應關系。

3.2 劣化深度

閆楠等根據劣化及未劣化試樣貫入阻力曲線特征定義了劣化深度[32]如圖7所示，劣化層包括貫入阻力為零的完全劣化層(深度為D1)和劣化過渡層(深度為D2)，劣化層的深度D即為劣化深度。

根據圖3微型貫入試驗曲線和劣化深度定義，可得本試驗試樣劣化深度，如表3所示。

圖7 劣化深度定義Fig.7 Definition of deterioration depth

表3 試樣劣化深度表Table 3 Sample deterioration depth table

Note:①Cement mixing content；②Curing period；③Deterioration depth；④Immersion

3.3 劣化深度演化規律

圖8為同一浸泡時間、不同標準養護時間的水泥土劣化深度關系圖。

圖8 劣化深度與標準養護時間關系Fig.8 The relationship of depth and standard curing time

與浸泡時間無關，劣化深度隨標準養護時間，即隨水泥土初始強度的增大而減小；當水泥土初始強度較低時，劣化速度較快，但是，當標準養護時間超過28 d后，水泥土的劣化深度增加較慢，且趨于穩定，這是因為水泥土水化反應在28 d前較充分，之后強度增長較慢的緣故。

圖9為同一標準養護時間，水泥土劣化深度隨浸泡時間的變化情況。水泥土劣化深度隨浸泡時間的增加而增大，浸泡前期劣化速度快，后期劣化速度降低。

4 場地環境變化引起的水泥土長期劣化深度預測

Hara等[15]提出了式(1)所示的指數函數預測式。

D=A×tB。

(1)

式中：D為劣化深度(mm)，t為劣化時間(年)，A、B為常數。Hara等取B為0.5，但給出A的物理意義較為復雜，缺乏實用性。MIAO[29]提出的對數函數如式(2)所示。

圖9 劣化深度與浸泡時間關系Fig 9 The relationship between deterioration depth and immersion time

D=alnb-aln(t+b)。

(2)

式中：a，b為與水泥土摻入比相關的常數。

MIAO預測式中的參數確定方法針對性較強，使用時存在一定的不確定性。

綜上所述，目前場地環境變化引起的水泥土長期劣化深度預測式，其中的待定參數或需通過試驗數據擬合確定或難以確定，因此，預測式的預測功能較差。

本文提出與Hara等[15]形式相同，但可根據28 d劣化深度推測長期劣化深度的預測式，如式(3)所示。

(3)

式中：D為水泥土劣化深度(mm)，D28為28 d劣化深度(mm)，t為劣化時間(d)，A為待定常數。

圖10為水泥土劣化深度預測結果與試驗結果的對比情況。

圖10中(a)、(b)、(c)、(d)分別為標準養護時間0、1、28、90 d，水泥土劣化深度預測結果與試驗結果對比，對應的回歸系數A分別為0.445 57、0.575 07、0.418 24、0.197 18，這一結果與腐蝕場地形成的水泥土劣化結果(A=0.5～0.7)[31]不同，表明水泥土的初始強度對劣化深度具有一定的影響，但是，影響規律有待進一步的數據積累。

圖11為預測結果與Hara[15]試驗結果對比。Hara采用Ariake 黏土，黏土含水量為237.2%，水泥摻量分別為每立方黏土50、70、100 kg，標準養護時間為28 d。得到的回歸系數A為0.510 59。

圖12為測結果與Miao[29]的試驗結果的對比，Miao同樣采用Ariake黏土，水泥摻入比為10%，試樣標準養護1 d。得到的回歸系數A為0.793 1。

圖10 劣化深度預測結果與試驗結果對比Fig.10 The prediction of deterioration depth is compared with the experimental results

5 結論

利用室內試驗模擬研究了場地環境變化引起的水泥土劣化問題。得到了如下的結論：

(1)水泥土劣化深度隨浸泡時間的增加而增大，浸泡前期劣化速度快，后期劣化速度降低。

(2)水泥土初始強度越低劣化速度越快。當水泥土超過28 d強度后，劣化速度增加變慢，且趨于穩定。

(3)提出了根據28 d劣化深度推測長期劣化深度的預測式。預測式與楊俊杰等[31]的腐蝕場地形成的水泥土劣化深度預測式形式相同，但根據試驗數據回歸得到的待定參數A不同。場地環境變化引起的水泥土劣化問題的A約在0.2～0.8之間；腐蝕場地的水泥土劣化問題的A可取0.5～0.7。

圖12 劣化深度預測結果與Miao試驗結果對比Fig.12 The results of deterioration prediction are compared with the results of Miao test

(4)水泥土初始強度越高，A取值偏低，在0.2～0.5之間；初始強度越低，A取值偏高，在0.4～0.8之間。水泥土的初始強度對場地環境變化引起的水泥土劣化深度具有一定的影響，但是，影響規律有待進一步的數據積累。