韓鵬舉,白曉紅
(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,太原030024)
工程材料在污染環(huán)境下的耐久性研究是國(guó)際上非常關(guān)注的、尚未完全解決的科技熱點(diǎn)問(wèn)題,對(duì)于水泥土攪拌樁復(fù)合地基受環(huán)境影響后工程性質(zhì)的劣化研究尚鮮見報(bào)道,考慮這一因素的設(shè)計(jì)方法尚未提出。當(dāng)?shù)叵滤哂懈g性時(shí),或無(wú)工程經(jīng)驗(yàn)的地區(qū),必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性[1],其中水泥土周圍環(huán)境中的Mg2+濃度、SO42-濃度、Cl-濃度、pH等無(wú)機(jī)化合物離子是腐蝕評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)[2-3]。R.S.Rolling,白曉紅,董曉強(qiáng)等通過(guò)一系列相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)研究,探討了在硫酸環(huán)境下水泥土的抗壓強(qiáng)度規(guī)律及電阻率測(cè)試方法[4-6];寧寶寬等通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了硫酸鈉溶液下水泥土的力學(xué)特性[7-8];黃漢盛等通過(guò)水泥土抗腐蝕性的室內(nèi)試驗(yàn),提出了抗腐蝕性良好的水泥土配方[9]。綜上所述,鮮有人把水泥土環(huán)境中的介質(zhì)濃度與水泥土強(qiáng)度的數(shù)學(xué)關(guān)系,從而評(píng)價(jià)其適用性和耐久性。為了取得更全面的無(wú)機(jī)化合物對(duì)水泥土的腐蝕數(shù)據(jù),本工作通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn),研究了在不同無(wú)機(jī)化合物溶液下不同齡期的水泥土強(qiáng)度,并且分析了無(wú)機(jī)化合物溶液的介質(zhì)成分與水泥土的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律,供工程設(shè)計(jì)參考和研究。
按風(fēng)干土∶水泥∶水=100∶20∶50的質(zhì)量比例分別稱取相應(yīng)的風(fēng)干土、水泥、水,然后再放入30kg的小型攪拌機(jī)內(nèi)充分?jǐn)嚢韬?,裝入7.07cm×7.07cm×7.07cm的標(biāo)準(zhǔn)鋼模中,放到震動(dòng)臺(tái)上震搗三分鐘,抹平表面并編號(hào)。為使其濕度保持不變用塑料薄膜覆蓋,經(jīng)過(guò)24h后小心拆模,選擇其中表面無(wú)空洞,無(wú)裂紋,無(wú)明顯凸凹感和棱角無(wú)殘缺的試塊,放置在預(yù)設(shè)溫度為20.9℃,相對(duì)濕度為90.7%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7d。在養(yǎng)護(hù)期間,定期進(jìn)行觀察,防止試塊破壞或環(huán)境受到改變。然后將養(yǎng)護(hù)好的試塊放入裝有預(yù)先配制好的無(wú)機(jī)化合物溶液的容器中進(jìn)行浸泡。
無(wú)機(jī)化合物環(huán)境的模擬參照《工業(yè)建筑防腐設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50046-2008)和《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-2001)等相關(guān)規(guī)范中按環(huán)境類型水和土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)水泥土可能處在的無(wú)機(jī)化合物環(huán)境,并考慮實(shí)際環(huán)境中H+,Mg2+,Cl-和SO42-等的組合來(lái)進(jìn)行配制各種無(wú)機(jī)化合物溶液。采用H2SO4溶液環(huán)境、MgSO4溶液環(huán)境、Na2SO4溶液環(huán)境、CaSO4環(huán)境溶液和MgCl2溶液環(huán)境。
將H2SO4溶液配制為4種質(zhì)量濃度:1.5g·L-1,4.5g·L-1,9.0g·L-1和18.0g·L-1;
將MgSO4溶液配制為5種質(zhì)量濃度:1.5g·L-1,4.5g·L-1,9.0g·L-1,18.0g·L-1和22.5g·L-1;
將Na2SO4溶液配制為4種質(zhì)量濃度:1.5g·L-1,4.5g·L-1,9.0g·L-1和18.0g·L-1;
將CaSO4溶液配制為5種質(zhì)量濃度:1.5g·L-1,4.5g·L-1,9.0g·L-1,18.0g·L-1和22.5g·L-1;
將MgCl2溶液配配制為5種質(zhì)量濃度:1.5g·L-1,4.5g·L-1,9.0g·L-1,18.0g·L-1和22.5g·L-1。
取養(yǎng)護(hù)好的水泥土試塊,取其中一組試塊浸泡于清水中,用于與其他溶液環(huán)境中浸泡的水泥土試塊進(jìn)行對(duì)比。
將試塊浸泡在清水和不同濃度的無(wú)機(jī)化合物溶液中(每升溶液中浸泡一塊,每種溶液做兩個(gè)平行樣),使溶液上表面沒(méi)過(guò)試塊2cm左右,每天進(jìn)行觀察并在固定時(shí)間觀察拍攝浸泡不同天數(shù)(0~28d)后的試樣表面,分析浸泡溶液的化學(xué)介質(zhì)成分,采用電子控制式用試驗(yàn)機(jī)測(cè)量水泥土試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu,qu取二個(gè)試塊的低值。
各種無(wú)機(jī)化合物環(huán)境下28d的水泥土試塊的表觀圖片見圖1。由圖可知:H2SO4,MgSO4和Na2SO4溶液環(huán)境下水泥土表面變化明顯,主要表現(xiàn)為表面起皮、軟化,棱角處飩化或開裂;濃度為18.0g·L-1的Na2SO4溶液環(huán)境中的試塊已經(jīng)明顯損壞,邊角模糊,試塊已經(jīng)失去原狀;濃度為22.5g·L-1的MgSO4溶液的試塊表面開始出現(xiàn)起皮、凹陷、邊角模糊等現(xiàn)象,邊角開始脫落;濃度為18.0g·L-1的H2SO4溶液環(huán)境中的試塊表面普遍都有凹陷感,邊角更加模糊,減小劇烈;綜上可知它們對(duì)水泥土影響的大小排序?yàn)椋篘a2SO4>MgSO4>H2SO4。在CaSO4溶液環(huán)境和MgCl2溶液環(huán)境中的水泥土作用的表觀現(xiàn)象主要表現(xiàn)為表面附著結(jié)晶,試塊尺寸基本沒(méi)有變化;但是MgCl2溶液環(huán)境中的試塊表面除了附著結(jié)晶外,較CaSO4溶液環(huán)境中相比,試塊還有明顯的孔隙,說(shuō)明它們對(duì)水泥土的作用的強(qiáng)弱大小排序?yàn)镸gCl2>CaSO4。
由水泥土的表觀現(xiàn)象可知:各種無(wú)機(jī)化合物環(huán)境對(duì)水泥土作用的大小排序?yàn)镹a2SO4>MgSO4>H2SO4>MgCl2>CaSO4。當(dāng)溶液當(dāng)中都存在SO42-時(shí),陽(yáng)離子對(duì)水泥土作用大小排序?yàn)椋篘a+>Mg2+>H+>Ca2+;當(dāng)溶液都存在Mg2+時(shí),陰離子對(duì)水泥土作用大小排序?yàn)椋篠O42->Cl-。
不同無(wú)機(jī)化合物環(huán)境下水泥土抗壓強(qiáng)度均有不同程度的折減,為了比較各種無(wú)機(jī)化合物環(huán)境下水泥土的抗壓強(qiáng)度,提出了無(wú)機(jī)化合物環(huán)境中水泥土抗壓強(qiáng)度修正系數(shù)α:
式中:f′cu——無(wú)機(jī)化合物環(huán)境浸泡后水泥土抗壓強(qiáng)度,MPa;fcu——清水浸泡后水泥土抗壓強(qiáng)度,MPa;α——水泥土抗壓強(qiáng)度修正系數(shù),各種環(huán)境中28d水泥土抗壓強(qiáng)度修正系數(shù)見表1。
表1 各種環(huán)境中水泥土抗壓強(qiáng)度修正系數(shù)α
由表1可知,CaSO4環(huán)境、MgSO4(1.5g·L-1)環(huán)境、Na2SO4(1.5g·L-1)環(huán)境和MgCl2(1.5g·L-1)環(huán)境中的水泥土強(qiáng)度修正系數(shù)均大于1,說(shuō)明這幾種環(huán)境對(duì)水泥土強(qiáng)度的增長(zhǎng)有利;而其他環(huán)境中的強(qiáng)度修正系數(shù)均小于1,對(duì)水泥土不利,其中比較嚴(yán)重的有H2SO4(18.0g·L-1)和MgSO4(22.5g·L-1)修正系數(shù)均為0.49,而Na2SO4(18.0g·L-1)中水泥土試塊嚴(yán)重?fù)p壞,可視強(qiáng)度為0。
各種無(wú)機(jī)化合物環(huán)境下的水泥土強(qiáng)度折減系數(shù)與環(huán)境濃度的關(guān)系見圖2。
由圖2可知,各種環(huán)境下水泥土強(qiáng)度修正系數(shù)與環(huán)境濃度的關(guān)系有較好的線性關(guān)系,對(duì)其進(jìn)行線性回歸分析,強(qiáng)度修正系數(shù)與環(huán)境濃度的線性關(guān)系見式:
CaSO4環(huán)境:α=0.001c+1.098R2=0.80
圖2 腐蝕環(huán)境下水泥土抗壓強(qiáng)度修正系數(shù)α
式中:α為水泥土強(qiáng)度折減系數(shù);c為環(huán)境濃度。
由式(2)可知,各種無(wú)機(jī)化合物環(huán)境下強(qiáng)度折減系數(shù)與環(huán)境濃度的線性關(guān)系斜率,用k來(lái)表示,k越大受環(huán)境濃度的影響就越小。k的大小排序?yàn)椋簁CaSO4>kMgCl2>kH2SO4>kMgSO4>kNa2SO4。說(shuō)明了強(qiáng)度折減與環(huán)境濃度的大小排序?yàn)椋篘a2SO4>MgSO4>H2SO4>MgCl2>CaSO4。當(dāng)溶液當(dāng)中都存在SO42-時(shí),陽(yáng)離子濃度對(duì)水泥土影響作用大小排序?yàn)椋篘a+>Mg2+>H+>Ca2+;當(dāng)溶液都存在Mg2+時(shí),陰離子濃度對(duì)水泥土影響作用大小排序?yàn)椋篠O42->Cl-。
水泥土所處的環(huán)境不同時(shí),環(huán)境對(duì)水泥土的作用機(jī)理也就不同,按環(huán)境對(duì)水泥土腐蝕的形態(tài)分類,可分為溶出型腐蝕、分解型腐蝕、膨脹型腐蝕(或稱結(jié)晶型腐蝕)。在實(shí)際工作中要抓住對(duì)水泥土腐蝕起主要作用的幾種介質(zhì),這樣對(duì)研究環(huán)境對(duì)腐蝕作用機(jī)理有很重要的意義[10-12]。針對(duì)各個(gè)環(huán)境的主要介質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析探討環(huán)境對(duì)水泥土的腐蝕機(jī)理如下。
H2SO4環(huán)境:H+與水泥土中水泥水化生成Ca(OH)2和水化硅酸鈣(3CaO·2SiO2·3H2O),使水泥土的膠凝性變差,主要是分解型腐蝕;SO42-與水泥土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)和 鈣 硅 石(CaCO3·CaSO4·CaSiO3·15H2O),使水泥土發(fā)生不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)膨脹,外部變軟,內(nèi)部變得酥松,是結(jié)晶型腐蝕。因此,H2SO4環(huán)境對(duì)水泥土腐蝕是分解型腐蝕與結(jié)晶型腐蝕的復(fù)合型腐蝕。
MgSO4環(huán)境:Mg2+與水泥土反應(yīng)生成MgO·SiO2·H2O,分散于水化硅酸鈣(3CaO·2SiO2·3H2O,C-S-H)凝膠中,會(huì)使C-S-H的膠凝性變差,屬于分解型腐蝕,Mg2+與水泥土反應(yīng)生成的CaCl2·6H2O結(jié)晶和Mg2(OH)3Cl·4H2O結(jié)晶和SO42-與水泥土反應(yīng)生成鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)、鈣 硅 石(CaCO3·CaSO4·CaSiO3·15H2O)使水泥土結(jié)構(gòu)膨脹,內(nèi)部變得疏松,是結(jié)晶型腐蝕。因此MgSO4環(huán)境對(duì)水泥土腐蝕是分解型腐蝕與結(jié)晶型腐蝕的復(fù)合型腐蝕。
Na2SO4環(huán)境:Na+參與反應(yīng)生成的苛性堿(NaOH)與水泥土中的水化硅酸鈣(3CaO·2SiO2·3H2O)、水 化 鋁 酸 鈣(3CaO·Al2O3·6H2O)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使水泥土膠結(jié)性變差,同時(shí)生成容易浸析的產(chǎn)物,屬于溶出型腐蝕;SO42-與水泥土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的生成物,如石膏(CaSO4·2H2O)和鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)結(jié)晶,使水泥土顆粒體積大量增加,引起物質(zhì)過(guò)剩而膨脹,使水泥土破壞,是結(jié)晶型腐蝕。因此Na2SO4環(huán)境對(duì)水泥土腐蝕是溶出型腐蝕與結(jié)晶型腐蝕的復(fù)合型腐蝕。
CaSO4環(huán)境:Ca2+可促進(jìn)水泥消化產(chǎn)物的進(jìn)一步生成,又受土粒表面吸附作用,Ca2+形成的擴(kuò)散層減薄,從而使土顆粒的分散度降低,大量分散的土顆粒形成了較大的土團(tuán)粒,能提高水泥土強(qiáng)度;由于CaSO4的溶解度較小,此時(shí)SO42-參與反應(yīng)的量較小,生成物較少,填充了水泥土的孔隙,也使水泥土的強(qiáng)度增加。因此CaSO4環(huán)境對(duì)水泥土無(wú)腐蝕作用。
MgCl2環(huán)境:Mg2+與水泥土反應(yīng)生成MgO·SiO2·H2O,分散于水化硅酸鈣(3CaO·2SiO2·3H2O,C-S-H)凝膠中,會(huì)使C-S-H的膠凝性變差,屬于分解型腐蝕;Cl-與水泥土生成的CaCl2·6H2O結(jié)晶和Mg2(OH)3Cl·4H2O結(jié)晶,使水泥土結(jié)晶膨脹,致使強(qiáng)度顯著降低,屬于結(jié)晶型腐蝕。因此MgCl2環(huán)境對(duì)水泥土腐蝕是分解型腐蝕與結(jié)晶型腐蝕的復(fù)合型腐蝕。
(1)H2SO4溶液環(huán)境、MgSO4溶液環(huán)境和Na2SO4溶液環(huán)境下水泥土表觀現(xiàn)象變化為表面起皮、軟化,棱角處飩化或開裂;MgCl2溶液環(huán)境和CaSO4溶液環(huán)境中的水泥土表觀現(xiàn)象主要表現(xiàn)為表面附著結(jié)晶物。
(2)提出28d各種環(huán)境下的水泥土強(qiáng)度修正系數(shù),并且得出:CaSO4環(huán)境、MgSO4(1.5g·L-1)環(huán)境、Na2SO4(1.5g·L-1)環(huán)境和MgCl2(1.5g·L-1)環(huán)境下的水泥土強(qiáng)度修正系數(shù)均大于1,說(shuō)明這幾種環(huán)境對(duì)水泥土強(qiáng)度的增長(zhǎng)有利;而其他環(huán)境中的強(qiáng)度修正系數(shù)均小于1,對(duì)水泥土不利。
(3)各種無(wú)機(jī)化合物環(huán)境對(duì)水泥土作用的大小排序?yàn)镹a2SO4>MgSO4>H2SO4>MgCl2>CaSO4。當(dāng)溶液當(dāng)中都存在SO42-時(shí),陽(yáng)離子對(duì)水泥土作用大小排序?yàn)椋篘a+>Mg2+>H+>Ca2+;當(dāng)溶液都存在Mg2+時(shí),陰離子對(duì)水泥土作用大小排序?yàn)椋篠O42->Cl-。
(4)H2SO4、MgSO4和MgCl2環(huán)境對(duì)水泥土腐蝕是分解型腐蝕與結(jié)晶型腐蝕的復(fù)合型腐蝕;Na2SO4環(huán)境對(duì)水泥土腐蝕是溶出型腐蝕與結(jié)晶型腐蝕的復(fù)合型腐蝕;CaSO4環(huán)境對(duì)水泥土無(wú)腐蝕作用。
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