氯鹽干濕循環耦合作用下水泥土的力學性能

張經雙， 段雪雷， 吳倩云， 劉永翔， 夏香港

(1.安徽理工大學 礦山地下工程教育部工程研究中心, 安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學 土木建筑學院, 安徽 淮南 232001)

當工程中遇到軟土地基時，一般采用水泥土攪拌樁進行加固[1-2].由于水泥材料脆性較大，通常添加固化劑和纖維來改善水泥土攪拌樁的物理與力學性能[3-5].中國地質環境復雜，水泥土樁的結構耐久性問題顯得更加突出[6-7].尤其是在鹽類侵蝕環境下，復合水泥土的內部組成和微觀結構均會發生變化，從而影響其物理參數[8-9]、力學性質[10-11]和變形特征[12-13].查甫生等[11]將水泥固化鉛污染土放入NaCl溶液中進行浸泡，發現NaCl溶液導致固化土內部結構疏松，壓縮性增大，強度降低.吳燕開等[12]通過在土體中加入鋼渣粉和水泥固化劑，探究了固化土抵抗海水的侵蝕能力，發現鋼渣粉可以降低海水對固化土的侵蝕作用.另外，地下水位的升降、潮汐變化、降雨及暴曬均會對水泥土攪拌樁路基產生干濕交替作用，導致其產生類似“疲勞作用”的破壞[14].國內外學者對干濕循環作用下土體及改良土體的損傷研究已取得一些成果[15-18].如任克彬等[15]開展了干濕循環作用下遺址粉土的三軸排水剪切試驗，得到遺址粉土的黏聚力和變形模量隨干濕循環次數先增后減的結論.Helson等[16]進行了固化土在干濕循環作用下的耐久性試驗，并定義了水泥土中水泥的臨界閾值.

以往研究成果為改良土體在鹽類侵蝕和干濕循環單一作用機制方面奠定了良好的基礎，但中國西北鹽漬土地區和沿海地區修建的橋梁路基工程等實際工程建設中，水泥土常常同時遭受鹽類侵蝕和干濕循環破壞.因此，開展水泥土內部微觀結構和物相分析研究，避免以往單純從強度和物理參數變化分析的片面性，能夠對水泥土在氯鹽和干濕循環環境下的力學性能進行綜合評估.

本文以纖維改良水泥黏土為研究對象，進行了氯鹽-干濕循環耦合作用下水泥土無側限抗壓強度、超聲波檢測、掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)試驗，分析了氯鹽-干濕耦合環境下水泥土試件的劣化參數和應力-應變曲線，揭示了水泥土在耦合作用下的力學性能演化規律，并闡述其微觀作用機制，以期為水泥土在復雜工程地質環境下的應用提供試驗數據.

1 試驗

1.1 原材料和配合比

黏土選用淮南某地區地下5m基坑土，重度為1.92kN/m3，天然含水率(質量分數，文中涉及的含量、水膠比等均為質量分數或質量比)為23.8%，液限為41.60%，塑限為22.00%，其顆粒級配如圖1所示.水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥.粉煤灰選用淮南平圩電廠Ⅱ級粉煤灰，其主要化學成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3.纖維選用耐腐蝕的單絲聚丙烯纖維，直徑48μm，長度12mm.堿激發劑Ca(OH)2選用天津市致遠化學試劑有限公司產的分析純.水為實驗室自來水.按干土質量15.0%、8.0%和0.4%分別摻入水泥、粉煤灰和聚丙烯纖維，水膠比取0.5[5]；按水泥土總質量1.0%摻入堿激發劑Ca(OH)2.將以上原材料拌和均勻并采用分層擊實法，制作成尺寸為φ50×50mm的圓柱形試件.

圖1 黏土的顆粒級配

1.2 試驗方法

對達到養護齡期90d的水泥土試件進行編號，其中將未浸泡的水泥土試件作為參照組，編號為NS，其他試件編號如表1所示.為減少試件制作差異對試驗結果的影響，采用NM-4A非金屬聲波檢測儀進行超聲波檢測.干濕循環(DW)和氯鹽侵蝕試驗分別參照ASTM D4843-88《Standard test method for wetting and drying test of solid wastes》和文獻[19]中的改進方法，將養護完成的試件放入40℃的烘箱中烘干12h后取出，分別置于恒溫20℃ 的清水(W)、4.5g/L NaCl溶液(SC4.5)、18.0g/L NaCl溶液(SC18)和30.0g/L NaCl溶液(SC30)中浸泡12h，1次干濕循環時間為24h，如此進行0、4、8、12、16、20、28次干濕循環.達到設定干濕循環次數后，將在不同質量濃度氯鹽溶液和清水浸泡下的試件取出，進行拍照、稱重，再次進行超聲波檢測，并采用WDW-20微機控制電子式壓力試驗機進行無側限抗壓強度試驗，采用位移加載方式，加載速率為1mm/min.同時針對部分試件采用S-3400N型掃描電鏡和SMARTLAB9KW型X射線衍射儀進行SEM和XRD分析.

表1 水泥土試件編號

2 結果分析

2.1 氯鹽-干濕循環耦合作用對水泥土的劣化作用

2.1.1表觀劣化特征

圖2為水泥土試件在不同溶液和干濕循環耦合作用下的外觀形貌.水泥土為不均勻復合材料，其內部存在微裂紋和孔洞等初始損傷.由圖2可見：在氯鹽-干濕循環耦合作用下，經歷12次干濕循環時，水泥土試件表層裂紋不斷擴大，少量水泥土微顆粒剝落，其表面由原來的相對光滑演變為粗糙；經歷20次干濕循環后，水泥土試件表面剝落更加嚴重，出現水泥土塊片狀脫落，是由于底部氯鹽溶液有些許沉淀，且上部溶液壓小于下部溶液壓，致使滲入水泥土試件下部的溶液多于上部，試件有所膨脹，在脫水狀態下失水較多，產生的尺寸效應更加明顯；經歷28次干濕循環后，水泥土試件呈現小塊狀脫落，表層幾乎全部剝落，結構變得更加疏松；隨著氯鹽溶液質量濃度的增加，水泥土表層發生破壞的時間有所提前，劣化程度愈發嚴重.

圖2 水泥土試件在不同溶液和干濕循環耦合作用下的外觀形貌

2.1.2質量變化率和相對波速

為直觀反映氯鹽-干濕循環耦合作用下水泥土表皮脫落、內部結構和強度變化等損傷情況，將質量變化率Δw和相對波速vr作為評價指標，兩者計算表達式如下：

(1)

(2)

式中：w0、wn分別為水泥土試件的初始質量和第n次干濕循環后的質量，g；v0、vn分別為水泥土試件的初始波速和第n次干濕循環后的縱波波速，m/s.

氯鹽-干濕循環耦合作用下水泥土試件的質量變化率、相對波速與干濕循環次數之間的關系如圖3所示.由圖3可見：(1)水泥土試件在氯鹽-干濕循環耦合作用下質量損失逐漸增大，且增速由慢到快；在各溶液浸泡下，試件質量變化率隨干濕循環次數增加的規律基本一致；氯鹽質量濃度越高，其外觀表皮脫落越多，質量損失越大.(2)水泥土試件的相對波速隨著干濕循環次數的增加逐漸減小，且下降速度逐漸減緩；隨著氯鹽質量濃度的增加，試件相對波速的下降速度先慢后快.氯鹽侵蝕水泥土表皮，致使其脫落，干濕循環和氯鹽侵蝕交替進行，加速鹽類侵蝕，致使試件內部結構疏松；同時隨著氯鹽質量濃度的升高，試件內部結構侵蝕更加嚴重.

圖3 水泥土試件的質量變化率、相對波速與干濕循環次數的關系

2.2 水泥土在氯鹽-干濕耦合作用下的應力-應變曲線

2.2.1應力-應變曲線

圖4為水泥土試件NS和W-DW4的應力-應變(σ-ε)曲線.由圖4可以看出，干濕循環作用下水泥土試件W-DW4的應力-應變曲線與未浸泡試件NS相似，分為壓密階段、彈塑性階段、破壞階段和殘余階段.其他各組試件的應力-應變曲線與試件W-DW4基本相同.

圖4 不同溶液下水泥土試件的應力-應變曲線

對在不同溶液和干濕循環耦合作用下的水泥土試件進行無側限抗壓試驗，得到其應力-應變曲線，如圖5所示.圖5中水泥土試件的應力-應變曲線各階段特征為：

圖5 不同溶液和干濕循環耦合作用下水泥土試件的應力-應變曲線

(1)壓密階段 從受荷開始到15%～30%破壞荷載時為壓密階段.該階段水泥土試件內部的孔隙逐漸壓密，應力-應變曲線相對平緩，曲線斜率可以近似反映水泥土內部孔隙變化狀況.結合圖4(a)可知，水泥土試件的應力-應變曲線斜率較大，且應變較小，為0.062～0.084，而在氯鹽溶液和干濕循環耦合作用下，水泥土試件的應力-應變曲線斜率隨著氯鹽溶液質量濃度和干濕循環次數的增加逐漸變小，且應變整體大于未浸泡試件.

(2)彈塑性階段 從壓密階段結束到70%～80%破壞荷載時水泥土進入為彈塑性階段.該階段應力-應變近似呈線性關系，水泥土試件內部孔隙和裂縫穩定發育、擴展.與未浸泡的水泥土試件相比，在清水和氯鹽溶液中的水泥土試件應力-應變曲線斜率均出現不同程度的減小趨勢，且應變增大10%～70%；與清水相比，相同應力條件下，氯鹽浸泡的水泥土試件峰值應變略微增大.表明氯鹽溶液進入水泥土內部，軟化侵蝕其內部結構，變形增大.

(3)破壞階段 當軸向荷載增大至80%～100%破壞荷載時，水泥土試件逐漸擴展并形成貫通裂縫，該階段應變增加0.02～0.04，而應力下降30%～50%.隨著干濕循環次數的增加，復合水泥土破壞下降速率趨緩，表明NaCl溶液進入水泥土內部并與水化產物發生反應和離子交換反應，析出氯鹽結晶，增大了密實度，減緩了破壞下降速率.

(4)殘余階段 應力-應變曲線下降段拐點之后，當應變增至0.08～0.12時，水泥土試件在清水、4.5、18.0、30.0g/L NaCl溶液中的應力基本保持不變，表明在氯鹽-干濕循環耦合作用下，水泥土試件破壞后仍存在殘余應力.在不同溶液浸泡下，水泥土試件的殘余應力相差不大，為其峰值應力的20%～40%.

2.2.2峰值應力和殘余應力

圖6分別為水泥土試件在清水、4.5、18.0、30.0g/L NaCl溶液下的峰值應力(σu)和殘余應力(σcr)隨干濕循環次數變化曲線.由圖6可以看出：不同溶液浸泡下水泥土試件的峰值應力和殘余應力隨著干濕循環次數的增加而減小；其關系曲線隨著循環次數的增加而趨于平緩；采用指數函數關系模型能夠較好地描述氯鹽-干濕循環耦合作用下水泥土的峰值應力和殘余應力變化規律.由圖6還可見：(1)干濕循環前，水泥土試件的峰值應力和殘余應力分別為4.94、2.01MPa；28次干濕循環后，在清水、4.5、18.0、30.0g/L NaCl溶液中水泥土的峰值應力與殘余應力分別下降48.79%和57.71%、52.63%和48.76%、56.88%和59.70%、57.89%和57.71%.(2)隨著氯鹽質量濃度的增加，水泥土試件的峰值應力逐漸下降，而殘余應力并無明顯降低.原因在于水泥土經歷干濕循環后，其內部結構發生干縮濕脹現象，引起內部薄弱結構產生應力集中，誘發內部微裂紋不斷發育、擴展，溶液沿著裂縫進入內部，溶蝕礦物顆粒[18]；隨著干濕循環次數的增加，水泥土內部的礦物顆粒流失逐漸增多，土骨架承受能力逐漸減弱，從而導致其峰值應力和殘余應力逐漸降低.

圖6 水泥土試件峰值應力、殘余應力與干濕循環次數關系

2.2.3變形模量

在無側限抗壓強度作用下，氯鹽-干濕循環耦合作用會直接影響水泥土的變形能力.引入變形模量E50(MPa)來衡量水泥土在復雜環境下的變形特征，其計算表達式為：

(3)

式中：ε為水泥土50%峰值應力時對應的應變.

圖7為水泥土試件變形模量與干濕循環次數、峰值應力的關系.

圖7 水泥土試件變形模量與干濕循環次數、峰值應力的關系

由圖7可以看出：(1)隨著干濕循環次數的增加，不同溶液下水泥土試件的變形模量逐漸減小，經歷4次干濕循環時，水泥土試件在清水、4.5、18.0、30.0g/L NaCl溶液中的變形模量值分別下降19.24%、22.38%、27.18%和34.11%；經歷4～20次干濕循環，水泥土試件的變形模量呈波動式下降，下降速度逐漸減緩；經歷28次干濕循環后，水泥土試件的變形模量在清水中趨向平緩，與干濕循環前相比，在4.5、18.0、30.0g/L NaCl溶液中呈線性下降，其變形模量值分別下降了49.33%、54.37%、57.50%和65.67%.原因在于水泥土脫濕時表面失水率高于內部失水率，在其內外部形成含水差，表面收縮變形大于內部，誘發內部產生裂縫，脫濕之后的增濕吸水沿著裂縫繼續侵蝕內部結構，使其產生不可修復變形[18]，多次反復作用使得內部結構逐漸破壞，變形逐漸增大.由圖7還可知，氯鹽-干濕耦合作用下水泥土試件基本滿足E50=18σu～27σu，可以反映氯鹽侵蝕和干濕循環耦合作用下水泥土試件強度與彈塑性變形之間的關系.

2.3 氯鹽-干濕循環作用下水泥土微觀結構特征

氯鹽-干濕循環耦合作用導致水泥土試件外觀形貌侵蝕剝落、宏觀強度衰減，改變了水泥土的內部結構和化學成分.圖8、9分別為氯鹽-干濕循環前和不同溶液下水泥土試件經歷28次干濕循環后的SEM照片和XRD圖譜.由圖8、9可知，未浸泡試件內部結構裂紋和孔隙較少，原因在于經過養護120d時，水泥土內部水化反應幾乎完成，生成了較多的C-S-H凝膠物質和鈣礬石(AFt)，填充于內部結構中，使其更加致密.在清水浸泡下，水泥土內部產生許多孔隙和裂縫，內部顆粒表面坑槽增多，且土體的破碎程度增加，出現團粒狀結構并趨向疏松，原因在于飽水和干濕作用下，自由水分子沿著水泥土內部的纖維、微裂紋及微孔隙滲入其內部，逐漸溶蝕內部的礦物顆粒，水解內部的膠結物質，多次干濕作用后，水泥土內部孔隙和裂紋逐漸貫通為裂縫，增濕飽和后，裂縫中的水帶走溶解物質，致使內部裂縫逐漸增大.在氯鹽溶液浸泡作用下，水泥土試件內部在4.5g/L NaCl溶液中出現大量片狀晶體結構Friedel鹽，隨著氯鹽質量濃度的增高，內部裂縫逐漸變寬，孔隙逐漸增大，結構更加松散.原因在于氯鹽溶液中的Cl-有著較強的滲透性[20]，與水泥土內存在的C3A生成了Friedel鹽，減少了AFt的生成[21]，且溶液中的Cl-可滲透進入水泥土基體中，吸附在內部生成的AFt上，削弱了水化產物的膠結能力[22]；同時溶液中的Na+加強了土體顆粒表面的雙電層，弱化了土顆粒結構之間的黏結力[11]，從而降低宏觀強度和增大變形.上述微觀分析結果與氯鹽-干濕循環耦合作用下水泥土宏觀力學性能的規律基本一致.

圖8 氯鹽-干濕循環作用下水泥土試樣的SEM照片

圖9 氯鹽-干濕循環下水泥土試樣的XRD圖譜

3 結論

(1)在氯鹽-干濕循環耦合作用下，水泥土的應力-應變曲線存在壓密階段、彈塑性階段、破壞階段和殘余階段；隨著氯鹽質量濃度和干濕循環次數的增加，水泥土試件應力-應變曲線階段的斜率逐漸減小而應變逐漸增大，且經歷28次干濕循環后，在清水、4.5、18.0、30.0g/L NaCl溶液中水泥土的峰值應力和殘余應力分別下降48.79%和57.71%、52.63%和48.76%、56.88%和59.70%、57.89%和57.71%，水泥土破壞后的殘余應力為峰值應力的20%～40%.氯鹽浸泡對水泥土的峰值應力有劣化效應，而對殘余應力的影響不明顯，峰值應力、殘余應力與干濕循環次數近似呈指數函數下降關系.

(2)隨著干濕循環次數的增加，水泥土變形模量逐漸減小.與干濕循環前相比，經歷28次干濕循環后，水泥土的變形模量在清水、4.5、18.0、30.0g/L NaCl溶液中分別下降了49.33%、54.37%、57.50%和65.67%.

(3)氯鹽-干濕循環耦合作用改變了水泥土的內部微觀結構，在清水與氯鹽溶液浸泡下，水泥土內部膠結物質溶蝕流失，內部礦物反應生成易溶物質，誘發了裂紋和孔隙的擴展、貫通，導致其宏觀強度降低、變形增大.