地下水硫酸鹽溶液濃度對水泥土抗剪強度影響研究

赫榮富

(遼寧澤成水利工程檢測服務有限公司，遼寧 新民 110300)

水泥土由于取材較為方便，價格較低，在水利工程擋墻、閘壩帷幕防滲中得到推廣和應用[1- 3]。地下水硫酸鹽溶液中氯離子、鈣離子、硫酸鹽離子、碳酸鹽離子與水泥土較易發生物理化學作用，使得水泥土的抗剪強度產生較大程度變化，影響水泥土的正常使用。當前，地下水硫酸鹽溶液對水泥抗剪強度的影響逐步得到國內許多學者的關注和研究[4- 8]，但是大都采用數學物理模型方式進行研究，采用抗剪強度原型試驗方式研究的還較少，而多項研究成果表面抗剪強度原型試驗方式成為當前研究水工材料特性的重要途徑[9- 15]。本文結合抗剪強度原型試驗方式，定量探討不同濃度地下水硫酸鹽溶液對水泥抗剪強度的影響。研究成果對于水泥土的取材方案設計具有重要的參考價值。

1 試驗方案

采用室外采樣，室內試驗的方式對不同濃度地下水硫酸鹽溶液對水泥土抗剪強度的影響進行分析，選取的水泥土的主要物理特性參數見表1。試驗樣本中水泥、細砂、粘土的配比分別為：1∶3.43∶4.85。將水泥土試驗樣本進行攪拌制成試件如圖1所示，試驗控制的溫度為23℃～39℃，在試件完成后進行為期90d的養護后，開始進行抗剪強度及腐蝕時間的試驗分析。

表1 試驗水泥土的主要物理特性參數

圖1 水泥土試件

1.1 試件抗剪強度試驗方案

在試件完成后，將試件進行不同剪切應力的試驗，在進行剪切應力試驗時，將土樣剪切的速率控制在1.5mm/min之內，當剪切試驗完成后，結合以下方程進行抗剪強度的計算，計算方程為：

(1)

式中，τf—水泥土的抗剪強度，kPa；C—剪切應力校正系數，N/mm；R—剪切應力試驗讀數，mm；A—水泥土剪切橫截面積，cm2。

1.2 試件腐蝕時間強度試驗

將養護期過后的試件分別放入到濃度為0.5、1.0、1.5mg/L的標準硫酸鹽溶液中進行腐蝕時間強度試驗。在試驗中應將水泥土與標準硫酸鹽溶液的質量比控制在1.5以上，各水泥土試件在腐蝕時間中不能進行相互接觸。

2 試驗結果分析

2.1 不同濃度下剪切應力～應變試驗分析

對不同濃度下的剪切應力及其相應的應變率進行分析，試驗分析結果如圖2所示。

從試驗分析結果可看成，隨著試驗腐蝕時間的不斷遞增，水泥土的應力以及彈性模量并未出現明顯的峰值變化，而隨著試驗腐蝕時間的不斷遞增，其應力及其相應的應變率都呈現明顯的遞增變幅。

各濃度下的應變當達到90d以上后出現明顯的遞增變緩趨勢。在各濃度下其應力～應變的變化曲線的峰值呈現先遞增后逐步變化的趨勢，在60d浸泡腐蝕的初期，水泥土出現壓實應力變化的過程，但隨著濃度的增加，其應力壓實變化影響程度逐步減弱，隨著浸泡腐蝕時間的不斷增加，水泥土內部腐蝕呈現由內向外逐步擴散，在濃度較高的硫酸鹽溶液下，水泥土的剛度隨著腐蝕時間的遞增而逐步下降。

2.2 不同腐蝕時間下剪切應力～應變試驗分析

對不同硫酸鹽溶液腐蝕時間下的剪切應力～應變試驗進行分析，試驗分析如圖3所示。

從圖3中可看成，當硫酸鹽濃度低于1.5mg/L時，其各腐蝕期下的應力～應變曲線變化不明顯，而當硫酸鹽的濃度達到1.5mg/L時，其應力～應變曲線的峰值和曲率都發生較為明顯的變化，60d時其應力～應變曲線變化不明顯的原因在于早期水泥土硬化效果較差，使得其曲線變化程度較低。而隨著腐蝕時間的逐步增加，其應力～應變曲線變化程度逐步遞增，這主要是受到水泥土與硫酸鹽溶液物化作用的增加所致。而隨著腐蝕時間段額遞增，其物化作用逐步減弱，其應力～應變曲線變化顯著性也逐步降低，這主要是因為隨著腐蝕時間的遞增，水泥土內部孔隙逐步增多，使得其內部膨脹開裂的程度增加，使得其應力變化減弱。

圖2 不同濃度剪切應力～應變試驗分析

2.3 不同濃度硫酸鹽溶液對水泥土抗剪強度的影響分析

在各試驗方式應力～應變試驗分析的基礎上，對不同濃度硫酸鹽溶液對水泥抗剪強度進行試驗分析，分析結果見表2，并對不同濃度下水泥土法向應力～抗剪強度變化曲線進行分析，分析結果如圖4所示。

表2 不同濃度硫酸鹽溶液下水泥土不同時期的抗剪強度分析結果

圖3 不同腐蝕時間應力～應變試驗分析結果

圖4 不同濃度水泥土法向應力～抗剪強度變化試驗結果

圖5 各法向應力不同溶液腐蝕時間抗剪強度變化試驗結果

從表中可看成，隨著硫酸鹽濃度的遞增，在不同浸泡腐蝕期下水泥土的抗剪強度呈現先遞增而減小的變化趨勢，其轉折變化點即表示為水泥土抗剪強度變化的峰值點，在峰值變化點后，隨著硫酸鹽濃度的增加，其抗剪強度逐步減小，通過試驗分析，從圖4中可分析出，各濃度下抗剪強度～法向應力變化散點圖中，其趨勢變化線的斜率為內摩擦角，而截距為其粘聚力，從試驗結果可看出，在相同的濃度下，同一個腐蝕時間段，其濃度變化下的斜率即內摩擦角變化較小，通過試驗分析，地下水硫酸鹽溶液濃度每增加0.5mg/L，其抗剪強度減少0.6MPa，內摩擦力減少3°，粘聚力減少0.8MPa。

2.4 不同溶液腐蝕時間對水泥土抗剪強度的影響分析

對不同溶液腐蝕時間下水泥土的抗剪強度進行試驗分析，分析結果如圖5所示。

從試驗結果可看出，在不同法向應力下，隨著腐蝕時間的遞增，水泥土的抗剪強度呈現較為明顯的逐步遞減變幅，對于同一種硫酸鹽濃度而言，隨著浸泡腐蝕時間的逐步加大，水泥土受到地下硫酸鹽溶液腐蝕的效應也逐步增強。從其變化特性可分析出，隨著地下水硫酸鹽溶液腐蝕時間的遞增，水泥土抗剪強度呈現線性遞減變化，其中對內摩擦力影響最為明顯，但對粘聚力影響程度較弱。

3 試驗結論

(1)在實際工程中，為保證水泥土的抗剪強度，應盡量選取地下水硫酸鹽溶液濃度在1.0mg/L以下的水泥土，這類水泥土抗剪強度隨腐蝕時間增加呈現先遞減后趨于穩定的變化，而濃度若高于1.0mg/L后，其抗剪強度先遞增再快速遞減，抗剪強度難以保證。

(2)在不同法向應力下，水泥土受腐蝕時間其抗剪強度影響不同，其抗剪強度峰值一般出現在70d以后。

(3)本文未能就增加受硫酸鹽溶液腐蝕影響下水泥土的抗剪強度相關措施進行探討，在以后的研究中還應重點探討水泥土外加劑的使用分析。