鹽-干濕循環作用下低溫養護纖維水泥土的力學性能試驗研究

徐麗娜，鄧皓允，牛雷，鄭俊杰，錢永梅

(1.吉林建筑大學 a.交通科學與工程學院；b.土木工程學院，長春 130118；2.華中科技大學 土木與水利工程學院，武漢 430074 )

水泥土是將土、水泥和水按適當比例均勻混合攪拌，經一系列的水化反應而形成的一種具有一定強度的復合材料，由于其在改進工程性能方面具有顯著效果，被廣泛應用于各類工程(防滲工程、邊坡支護、道路工程等)中[1]。然而，實際工程表明，水泥土的抗裂性能較差，容易收縮變形產生裂縫，所以，改善水泥土的強度及抗裂能力十分重要。

近年來，較多研究表明，在水泥土中摻入各種纖維[2-4]能有效改善水泥土的強度及變形能力，其中，玄武巖纖維因具有良好的耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦性能以及高抗拉強度等特點而得到廣泛應用[5-7]。由于實際工程現場環境十分復雜，學者們對干濕循環環境、凍融循環環境、鹽溶液侵蝕環境等各種復雜環境下纖維水泥土的力學性質進行了研究，并取得了一定成果。陳猛[8]研究表明，玄武巖纖維摻量為0.3%時，水泥土力學強度達到最大值，玄武巖纖維水泥土力學強度隨干濕循環次數的增多呈現先增大后減小的特點；徐麗娜等[9-10]通過研究發現，在凍融循環條件下，玄武巖纖維水泥土比未摻入纖維的水泥土強度高，抵抗凍融循環的能力更強；Mardani-Aghabaglou等[11]研究了硫酸鹽侵蝕環境和凍融作用對水泥穩定高嶺土強度和滲透性的影響，發現當水泥土暴露于凍融循環和硫酸鹽侵蝕共同作用的環境中時，使用抗硫酸鹽水泥比使用普通硅酸鹽水泥更可行，但無論采用何種水泥，硫酸鹽侵蝕下的水泥土抗凍融能力都低于無硫酸鹽侵蝕下的水泥土；陳洪祥等[12]通過試驗發現，(NH4)2SO4和Na2SO4溶液對水泥土均具有侵蝕作用，而在侵蝕早期，Na2SO4濃度在一定范圍內對水泥土的抗壓強度增長有利，Na2SO4溶液在短期內可以提高水泥土試塊無側限抗壓強度；Emidio等[13]設計了一個實驗裝置來評價硫酸鹽對水泥加固土的侵蝕效果，研究發現，Na2SO4侵蝕導致水泥加固的滲透性增加，且剪切模量減?。籛u等[14]研究發現，由鋼渣粉、水泥和NaOH改良后的膨脹土在干濕循環作用后強度退化最小，鋼渣粉、水泥和NaOH是干濕循環作用下改善膨脹土的一種較好的方法；Salih等[15]研究發現，隨著干濕循環次數的增加，脫硫法改性赤泥渣的強度逐漸減弱。經過1次干濕循環后，相應的電阻率緩慢下降，下降幅度約為0.5%，且下降幅度逐漸減小，當干濕循環次數大于5次時，電阻率隨干濕循環次數的增加而增大。

由此可見，復雜環境對纖維水泥土的影響不容小覷。然而，目前對于嚴寒地區纖維水泥土在干濕循環與鹽溶液環境雙重作用下的試驗研究還比較匱乏。筆者制備了2批水泥土試塊(有纖維和無纖維)，配制了3種不同濃度的Na2SO4鹽溶液(0.1、0.3、0.5 mol/L)，開展了低溫養護條件下玄武巖纖維水泥土在硫酸鹽溶液環境和干濕循環共同作用下的力學強度變化規律的試驗研究。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗用土取自長春市凈月區某基坑，土的基本性質參數見表1。選用長春亞泰集團生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其基本性質見表2。采用海寧安捷復合材料有限公司生產的玄武巖纖維，其基本性質見表3。試驗按照《水泥土配合比設計規程》(JGJ/T 233—2011)設計并完成。水泥摻量為10%，水灰比為0.5，摻入的玄武巖纖維長度為6 mm，纖維質量摻入比為0.1%。

表1 試驗土的基本性質

表2 水泥基本性質

表3 玄武巖纖維基本性質

1.2 試樣制備

將經過烘干、搗碎、過篩的試驗土樣與水泥、玄武巖纖維進行人工拌和15 min，確保攪拌均勻；然后加入水繼續攪拌15 min；將攪拌完成的試樣裝入尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具中，放到振動臺上振搗3 min；抹去表面浮漿，放置于室溫環境中養護12 h；待水泥土表面具有一定強度后，灑水并覆蓋塑料薄膜養護；3 d后拆模，放入水槽中，采用自然低溫環境下水中養護至28 d，試驗過程如圖1所示。

圖1 試樣制備過程

1.3 試驗方案

試驗中2批試塊(有纖維和無纖維)分別經受3種不同濃度Na2SO4溶液浸泡和8次干濕循環作用(8次)，共64組，每組有3塊，共計192塊。具體試驗方案見表4。

表4 試驗方案

分別配制濃度為0.1、0.3、0.5 mol/L的Na2SO4溶液，先將試塊放于溫度為40 ℃的烘干箱中靜置24 h，再分別放入清水及不同濃度的Na2SO4溶液中浸泡24 h，此為一個干濕循環。試驗中的試塊分別經歷了0、1、3、5、7、9、11、13次干濕循環。試驗過程中每周定期更換溶液，以保證溶液的濃度[16-17]。

1.4 試驗方法

試驗加載儀器為長春科新試驗儀器有限公司生產的微電腦伺服萬能試驗機WAW-600，采用位移勻速控制，加載速度為0.1 mm/s。荷載和變形由系統自動采集。

2 試驗結果與分析

2.1 低溫養護的影響

試塊的養護時間為10月1日至10月30日，10月份長春地區日平均氣溫在13 ℃左右，夜平均氣溫在6 ℃左右，與作者前期研究中在8月份常溫養護時存在明顯的溫差，白天溫差在18 ℃左右，夜間溫差在15 ℃左右。由于溫差造成水泥土的強度存在明顯差別，見表5。

表5 養護溫度引起的強度差異

由表5可看出，在相同養護時間下，養護溫度越高水泥土強度越高，特別是對摻入玄武巖纖維的水泥土來說，養護溫度對其強度影響更大，但即便在低溫養護環境下，摻入纖維仍能提高水泥土的強度。由此說明，在嚴寒地區，外界養護溫度對纖維水泥土強度的影響不容忽視。

2.2 表觀質量分析

2.2.1 試驗現象 圖2(a)為玄武巖纖維水泥土經過3次干濕循環后表面的特征照片，圖2(b)為未摻入纖維的水泥土經過3次干濕循環后表面的特征照片。由圖2可知，隨著Na2SO4溶液濃度的增加，試樣表面破壞越嚴重，清水與濃度為0.1 mol/L的Na2SO4溶液浸泡下的試樣只產生了微小的孔隙，在0.3、0.5 mol/L的Na2SO4溶液浸泡下的試樣，表面皆發生了不同程度的起皮、發軟、脫落、裂紋等現象，且隨著濃度增加變化明顯。摻入玄武巖纖維的試樣在0.3、0.5 mol/L的Na2SO4溶液浸泡和干濕循環作用后，比未摻入纖維的試樣完整性更好，表面的裂紋更少，基本上沒有出現貫通的裂紋；而未摻入纖維的水泥土在0.3 mol/L的Na2SO4溶液浸泡后，已經出現貫通的裂紋，表面破碎，在0.5 mol/L的Na2SO4溶液浸泡后完整性破壞最大。

圖2 經過3次干濕循環后水泥土的表面特征

2.2.2 機理分析 圖3為在0.3 mol/L的Na2SO4溶液浸泡下經過3次干濕循環后的水泥土內部特征。由圖3可看出，摻入玄武巖纖維的水泥土內部裂縫更少，更加完整；未摻入玄武巖纖維的水泥土內部更加松散，裂縫明顯更多。其中，白色物質為十水硫酸鈉、石膏及鈣礬石。十水硫酸鈉是進入到試樣內部的溶液失水形成的，而石膏是由Na2SO4溶液與水泥的水化產物Ca(OH)2和水反應生成的，石膏與水泥的水化產物C-A-H與CaO·AI2O3·CaSO4·18H2O反應，生成鈣礬石結晶。這些新生成的鈣礬石結晶又再次分布在水泥土的孔隙和裂縫中，使水泥土的密實度提高，水泥土的抗壓強度在一定范圍內得到了提升[1,18]。但隨著Na2SO4溶液濃度以及干濕循環次數的增大，干濕循環使得試樣內部裂紋進一步擴展，同時，生成的十水硫酸鈉和鈣礬石結晶累積過多，促進了試樣內部的膨脹和裂紋的擴展，導致土體產生內部破壞，抗壓性能降低。

圖3 經過3次循環后水泥土的內部特征(溶液濃度：0.3 mol/L)

2.3 質量損失率

質量損失率是干濕循環前后的質量差與干濕循環前質量之比的百分數。圖4為第5次干濕循環后的試樣質量損失率。

圖4 第5次干濕循環水泥土質量損失率

由圖4可看出，試樣質量損失率隨著Na2SO4溶液濃度增加呈先下降后增長的趨勢，在Na2SO4溶液濃度為0.1 mol/L時最小，摻入玄武巖纖維和未摻入纖維的試樣質量損失率分別為1.44%和1.61%；在Na2SO4溶液濃度為0.5 mol/L時最大，摻入玄武巖纖維和未摻入纖維的試樣質量損失率分別為3.01%和6.96%。這是因為在低濃度溶液浸泡條件下，試樣內部的鈣礬石結晶填充試樣內部孔隙，促使試樣內部骨架結構更加緊密，裂紋和掉塊的數量少；而高濃度溶液浸泡條件下，試樣表面掉塊較嚴重，因此質量損失率增加。在不同溶液濃度下，摻入玄武巖纖維的水泥土質量損失更低，這是由于玄武巖纖維限制了水泥土的開裂，減少了試塊表面的脫落、掉塊。

2.4 強度變化規律

2.4.1 玄武巖纖維的影響 圖5是不同溶液濃度下摻入纖維的水泥土和未摻入纖維水泥土的無側限抗壓強度對比圖。由圖5可知，同一濃度下，前期循環作用中玄武巖纖維水泥土強度要低于未摻入纖維的水泥土，這是由于，一方面，經過28 d養護后的玄武巖纖維水泥土強度略低；另一方面，玄武巖纖維提高了水泥土的抗裂性能，使水泥土在硫酸鹽溶液和干濕循環過程中裂縫發展緩慢，甚至未出現明顯裂縫，從而使得Na2SO4溶液難以進入到水泥土的內部；而未摻入玄武巖纖維的水泥土經過干濕循環后產生了明顯的裂縫，Na2SO4溶液更容易侵蝕并進入內部，在裂縫、孔隙中形成結晶，一定程度上提高了水泥土的密實度與膠結力，從而提高了水泥土的強度，使得其在前期比摻入玄武巖纖維的水泥土強度更高。

圖5 不同溶液濃度下試塊無側限抗壓強度對比圖

但隨著干濕循環次數增多，未摻入纖維的水泥土在反復的干濕循環作用下，裂紋進一步擴展，出現貫通的裂縫，導致結構聯結減弱，強度有所降低。而摻入玄武巖纖維的水泥土能經歷更多次的循環，且在循環后期強度明顯高于未摻入纖維的水泥土，這是由于玄武巖纖維的摻入抑制了裂紋的發展且減小了與溶液的接觸面積，有效地提高了水泥土的抗裂性能。

2.4.2 纖維-強度變化率 纖維-強度變化率可由式(1)計算得到。

(1)

式中：ΔfN為N次干濕循環后水泥土試件的纖維-強度變化率；fN0為未摻入纖維水泥土試件N次干濕循環后與干濕循環前的無側限抗壓強度之差(未摻入纖維水泥土的強度變化值)；fN1為玄武巖纖維水泥土試件N次干濕循環后與干濕循環前的無側限抗壓強度之差(玄武巖纖維水泥土的強度變化值)。

纖維-強度變化率為正時表示摻入纖維起到了正向作用，為負時表示起到了負向作用。圖6表示清水環境時各試塊的強度變化值，表6是由式(1)計算得到的清水環境下纖維-強度變化率。由圖6和表6可知，摻入纖維的試樣強度提升更大，且均為正向作用，在第11次干濕循環后，纖維-強度提升率最大，達到86.73%，這說明摻入玄武巖纖維對水泥土強度提升有著顯著的效果。

圖6 試樣強度變化值(清水)

表6 纖維-強度變化率(清水)

2.4.3 纖維影響下應力-應變關系 圖7為清水、0.3 mol/L的Na2SO4溶液浸泡與5次干濕循環雙重作用下水泥土的應力-應變關系。由圖可知，清水浸泡時，摻入纖維的試樣峰值應力對應的應變比未摻入纖維的試塊增加了44.3%，說明摻入纖維提高了水泥土的韌性。在0.3 mol/L的Na2SO4溶液中，未摻入玄武巖纖維的水泥土峰值強度遠遠低于玄武巖纖維水泥土的峰值強度，其峰值強度降低了47.1%。

圖7 第5次干濕循環下水泥土的應力-應變關系

2.5 溶液的侵蝕作用

2.5.1 Na2SO4溶液濃度對強度的影響 圖8是試樣無側限抗壓強度與Na2SO4溶液濃度的關系圖。由圖8可知，在同一循環次數下，所有試樣在Na2SO4溶液濃度為0.1 mol/L時強度都有所提升，這是由于低濃度的Na2SO4溶液進入試樣內部形成適量的結晶，使得水泥土強度得到提升。而高濃度溶液會使試樣內部孔隙以及表面裂縫處產生過量的結晶和石膏，裂縫被擴大，使得水泥土結構聯結減弱，膠結力降低，從而使水泥土強度下降[18]。

圖8 試樣無側限抗壓強度與Na2SO4溶液濃度的關系

相較于Na2SO4溶液單因素的影響，由于干濕循環作用的加入加速了試塊裂紋的發展，使Na2SO4溶液更容易進入水泥土內部，加大了Na2SO4溶液的侵蝕效果。

2.5.2 溶液-強度變化率 溶液-強度變化率可由式(2)計算得到。

(2)

式中：ΔfM為M次干濕循環后水泥土試件的Na2SO4溶液-強度變化率；fM0為清水浸泡下水泥土試件M次干濕循環后與干濕循環前的無側限抗壓強度之差(清水浸泡下水泥土的強度變化值)；fM1為各濃度Na2SO4溶液浸泡下水泥土試件M次干濕循環后與干濕循環前的無側限抗壓強度之差(各濃度Na2SO4溶液浸泡下水泥土的強度變化值)。

Na2SO4溶液-強度變化率為正時表示Na2SO4溶液起到了正向作用，為負時表示起到了負向作用。圖9和表7為根據式(2)計算得到纖維水泥土的強度變化值及Na2SO4溶液-強度變化率。低濃度(0.1 mol/L)條件下溶液-強度變化率為正值，說明低濃度溶液對試塊強度提高起促進作用，而高濃度(0.5 mol/L)條件下溶液-強度變化率為負值，說明高濃度溶液對強度發展起抑制作用。

圖9 不同濃度下水泥土的強度變化值(有纖維)

表7 溶液-強度變化率(有纖維)

2.5.3 溶液侵蝕作用下應力-應變關系 圖10是未摻入纖維的水泥土經過5次干濕循環后的應力-應變關系圖。由圖10可知，水泥土的峰值強度在溶液濃度為0.1 mol/L時略有提升，而后下降；峰值強度對應的應變分別由1.26%(清水)先降低至0.64%(0.1 mol/L)，然后提高到1.48%(0.3 mol/L)和1.80%(0.5 mol/L)。這是由于溶液濃度的提高使試樣內部孔隙不斷地增加，整體更加松散，在較低的應力條件下產生更大的變形。

圖10 未摻入纖維的試樣經過5次干濕循環后的應力-應變關系

2.6 干濕循環作用

2.6.1 干濕循環次數對強度的影響 圖11是干濕循環次數與無側限抗壓強度之間的關系圖。由圖可知，所有試樣隨著干濕循環次數的增加均呈現出先增后減的特點，尤其在第一次干濕循環后強度明顯提升。這是由于試件在低溫環境養護28 d后水泥的水化反應尚未完成，在干濕循環中，由于在40 ℃烘干箱進行烘干后再浸泡相當于對試塊進行持續養護，因此，強度會有所提高。同時，Na2SO4溶液在孔隙與裂縫處產生了結晶，使水泥土的密實度和膠結力增大，也會提高水泥土強度。而隨著干濕循環次數的增加，試塊孔隙逐漸增多，裂縫逐漸擴展，水泥土的整體性受到嚴重的破壞，使水泥土強度逐漸減小。

相較于干濕循環單因素的影響(圖11中清水環境)，由于Na2SO4溶液的共同作用，使得水泥土在被溶液侵蝕后整體更加脆弱，內部的裂縫、孔隙數量大大增加，進一步提升了干濕循環的破壞效果。

2.6.2 干濕-強度變化率 干濕-強度變化率由式(3)計算得到。

(3)

式中：ΔfK為K次干濕循環后水泥土試件的強度變化率；f0為干濕循環前水泥土試件的無側限抗壓強度；fK1為K次干濕循環后水泥土試件的無側限抗壓強度。

由式(3)計算得到的各試樣強度變化率如圖12所示。隨著干濕循環次數增加，試樣的強度變化率基本上呈現先增加后減少的現象，玄武巖纖維水泥土無側限抗壓強度在0.1 mol/L的Na2SO4溶液浸泡下經過11次干濕循環后增加最多，增加了112.29%；未摻入纖維的水泥土無側限抗壓強度在0.1 mol/L的Na2SO4溶液浸泡下經過9次干濕循環后增加最多，增加了69.19%。隨著干濕循環次數增加，水泥土產生的孔隙和裂縫逐漸增多，Na2SO4溶液沿著裂縫侵蝕程度加深，水泥土表面出現麻面、起皮、脫落，內部孔隙也變大增多，整體性受到破壞，水泥土強度也因此快速下降。

圖12 干濕循環次數與試樣強度變化率的關系

2.6.3 干濕循環作用下應力-應變關系 圖13為在0.3 mol/L的Na2SO4溶液浸泡下不同干濕循環次數后水泥土的應力-應變關系。由圖13可看出，水泥土的峰值強度隨著干濕循環次數增加，呈先增加再減少的特點，未摻入玄武巖纖維的水泥土僅在第2次循環峰值強度就達到最大，而玄武巖纖維水泥土在持續循環7次時峰值強度達到最大，且遠遠大于未摻入玄武巖纖維水泥土的峰值強度。

圖13 水泥土的應力-應變關系(溶液濃度：0.3 mol/L)

3 結論

通過對不同濃度Na2SO4溶液和干濕循環共同作用下的低溫養護的玄武巖纖維水泥土和未摻入纖維水泥土的力學性質進行試驗研究，得到以下結論：

1)低溫養護環境對玄武巖纖維水泥土的強度影響較大，在季節性凍土區進行施工時，應予以重視，把握好施工時間。

2)較低濃度的Na2SO4溶液在一定范圍內能夠對水泥土強度的提升起到促進作用，隨著Na2SO4溶液濃度增大，破壞作用更為明顯，水泥土強度下降較大，同一Na2SO4溶液濃度下，玄武巖纖維水泥土強度明顯高于未摻入纖維的水泥土強度。

3)隨著干濕循環次數的增加，試塊的強度呈現先增大后減小的特征，干濕循環作用與侵蝕環境相互促進，干濕循環使得水泥土產生裂縫并不斷擴大，且使Na2SO4溶液更容易進入水泥土內部，而Na2SO4溶液的不斷侵蝕，又使水泥土加速劣化，進一步促進干濕循環的破壞作用，并出現起皮、開裂、掉塊的現象。但摻入玄武巖纖維的試塊可承受更多次的循環作用，且試樣的完整性相對較好。因此，玄武巖纖維能夠增強水泥土抵抗Na2SO4溶液和干濕循環共同作用的能力。