不同環(huán)境對水泥土動(dòng)應(yīng)力影響的試驗(yàn)研究

陳四利, 魏 星, 寧寶寬

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870; 2.江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江西 萍鄉(xiāng) 337000)

不同環(huán)境對水泥土動(dòng)應(yīng)力影響的試驗(yàn)研究

陳四利1, 魏 星2, 寧寶寬1

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870; 2.江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江西 萍鄉(xiāng) 337000)

為研究腐蝕性介質(zhì)和動(dòng)荷載對水泥土力學(xué)特性的影響,通過水泥土的動(dòng)三軸壓縮試驗(yàn),獲取水泥土動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)參數(shù),分析各種環(huán)境對水泥土動(dòng)強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)硫酸鈉溶液濃度小于0.03 mol/L時(shí)水泥土的動(dòng)強(qiáng)度逐步增大,當(dāng)硫酸鈉溶液濃度大于0.03 mol/L時(shí)水泥土的動(dòng)強(qiáng)度又逐步降低;隨著氯化鈉溶液濃度的增大,其動(dòng)強(qiáng)度逐步降低;隨著腐蝕時(shí)間的增加,0.03 mol/L硫酸鈉溶液的水泥土動(dòng)強(qiáng)度逐步增大,而0.1 mol/L和0.3 mol/L硫酸鈉溶液的水泥土動(dòng)強(qiáng)度均逐步降低;水泥摻入比和圍壓越大,水泥土動(dòng)強(qiáng)度越大;當(dāng)溶液濃度小于0.03 mol/L時(shí)硫酸鈉環(huán)境對水泥土的動(dòng)強(qiáng)度有增強(qiáng)效應(yīng),且濃度大于0.03 mol/L時(shí)硫酸鈉環(huán)境對水泥土具有腐蝕破壞效應(yīng),且硫酸鈉溶液腐蝕效應(yīng)大于氯化鈉溶液腐蝕效應(yīng)。

水泥土; 動(dòng)三軸壓縮試驗(yàn); 動(dòng)應(yīng)力; 腐蝕環(huán)境; 水泥摻入比; 圍壓

0 引言

水泥土由于其價(jià)格低廉和制作方便被廣泛應(yīng)用于地基處理、道路地基、水泥土攪拌樁、堤壩以及防滲墻等工程[1]。然而,處于公路路基、建筑地基以及堤壩等工程中的水泥土又經(jīng)常遭受諸如酸雨、污水、受污染的地下水以及海水、河水等侵蝕性水的作用,必將對其力學(xué)特性產(chǎn)生影響[2]。同時(shí),在實(shí)際工程中水泥土也常受到動(dòng)荷載的沖擊,如地震、車輛碾壓以及海水、河水沖擊壩體等作用。因此國內(nèi)外學(xué)者對水泥土的力學(xué)特性進(jìn)行了較為深入的研究,開展了單軸、三軸、滲透以及環(huán)境影響(如腐蝕、凍融)等試驗(yàn)。如劉恩軍[3]分析了侵蝕性地下水對地下結(jié)構(gòu)工程的影響、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及其防治措施;趙振亞等[4]討論了 Ca(OH)2對低摻量水泥土強(qiáng)度的影響;朱崇輝等[5]進(jìn)行了水泥土滲透系數(shù)變化規(guī)律的試驗(yàn)研究;寧寶寬等[6-8]等分析了各種環(huán)境對水泥土力學(xué)特性的腐蝕效應(yīng);陳四利等[9-11]分析了化學(xué)腐蝕、滲流以及凍融循環(huán)對水泥土力學(xué)特性的影響;楊雨林[12]研究了污水對水泥土滲透性能的影響;袁偉[13]分析了海水環(huán)境對水泥土滲透性和強(qiáng)度的影響及機(jī)理;楊俊杰等[14]對腐蝕性場地形成的水泥土的劣化進(jìn)行了研究;魏星[15]開展了腐蝕環(huán)境下水泥土的動(dòng)力性能試驗(yàn)研究,獲得了有益的成果;王金濤[16]研究了循環(huán)荷載作用下水泥土樁復(fù)合地基的動(dòng)力特性;張鵬等[17]探討了不同摻劑對水泥土動(dòng)力特性的影響;李慶冰[18]開展了橡膠水泥土動(dòng)力特性的試驗(yàn)研究;蔡袁強(qiáng)等[19]分析了水泥土-土復(fù)合試樣的動(dòng)力特性。另外,譚凡等[20]分析了飽和尾礦粉土的動(dòng)力特性,冷建等[21]開展了循環(huán)荷載對上海軟土動(dòng)力特性影響規(guī)律的試驗(yàn)研究。然而,在動(dòng)荷載作用下有關(guān)水泥土處于腐蝕環(huán)境中的動(dòng)力特性卻鮮有報(bào)道。本文擬開展在腐蝕環(huán)境作用下水泥土的動(dòng)三軸試驗(yàn)研究,分析不同環(huán)境對水泥土動(dòng)應(yīng)力的影響,其研究成果可為處于復(fù)雜環(huán)境下水泥土工程的安全性和耐久性設(shè)計(jì)提供參考。

1 試件制備與試驗(yàn)方案

1.1 水泥土試件的制備

試驗(yàn)所用土為粉質(zhì)黏土,經(jīng)過風(fēng)干、碾壓、過篩,其主要的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo):含水量27.5%,天然重度19.2 kN/m3,液限35.0%,塑限19.4%,塑性指數(shù)15.6,液性指數(shù)0.58。

根據(jù)《JGJT 233-2011 水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》以及試驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求,試驗(yàn)采用強(qiáng)度等級為42.5的礦渣硅酸鹽水泥。為了進(jìn)行對比分析,討論水泥摻量對水泥土動(dòng)力特性的影響,取兩組水泥摻入比,分別為15%、18%、21%和3%、6%、9%,并裝入直徑為39.1 mm、高為80 mm的模具中,試件放于(20±5) ℃的潮濕環(huán)境下靜置24 h后拆模。

1.2 水泥土試件養(yǎng)護(hù)

將靜置24 h后的試件拆模,放入清水中養(yǎng)護(hù)90天,室內(nèi)溫度約為22～28 ℃。為分析腐蝕環(huán)境對水泥土的影響,分別配置兩種化學(xué)溶液,即硫酸鈉(Na2SO4)溶液和氯化鈉(NaCl)溶液,并根據(jù)試驗(yàn)要求將試件分別放入0.03 mol/L、0.1 mol/L、0.3 mol/L硫酸鈉和氯化鈉溶液中進(jìn)行腐蝕。腐蝕時(shí)間分別為10天、20天、30天。

1.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用SDT-20型微機(jī)控制電液伺服土動(dòng)三軸試驗(yàn)機(jī),如圖1所示。

圖1 動(dòng)三軸試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Dynamic triaxial apparatus

對腐蝕時(shí)間分別為10、20及30天的試件進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置參數(shù)和方案如下:

選擇不固結(jié)試驗(yàn),圍壓分別取100、200和300 kPa,其加載速率為100 kPa/min。選軸向負(fù)荷控制、靜態(tài)加載速率為200 N/min,軸向力控制頻率為1 Hz,波形為正弦波。對于水泥摻入比為15%、18%、21%以及不同腐蝕時(shí)間、腐蝕濃度、腐蝕溶液試驗(yàn)中,其初始軸向力為3 000 N,振動(dòng)采用分4級加載,振幅分別為500、1 000、1 500及2 000 N,振動(dòng)次數(shù)均為50次。對于水泥摻入比為3%、6%、9%以及不同圍壓試驗(yàn)中,初始軸向力為400 N,振動(dòng)采用分4級加載,振幅分別為50、100、150及200 N,振動(dòng)次數(shù)均為50次。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 腐蝕溶液濃度對動(dòng)應(yīng)力的影響

限于篇幅,僅給出圍壓為300 kPa、硫酸鈉溶液腐蝕20天后的腐蝕溶液濃度以及不同水泥摻入比對水泥土動(dòng)應(yīng)力影響的關(guān)系曲線(圖2)。無論哪種水泥摻入比(15%、18%和21%),硫酸鈉溶液濃度為0.03 mol/L時(shí)極限動(dòng)應(yīng)力最大,0.3 mol/L時(shí)極限動(dòng)應(yīng)力最小。相對于清水狀態(tài)下的動(dòng)強(qiáng)度,水泥摻入比為15%時(shí):濃度為0.03 mol/L時(shí)其動(dòng)強(qiáng)度提高了12.2%,而濃度為0.1 mol/L和0.3 mol/L時(shí)分別降低了5.8%、17.3%;水泥摻入比為18%時(shí):濃度為0.03 mol/L時(shí)提高了4.4%,濃度為0.1 mol/L和0.3 mol/L時(shí)分別降低了15.7%、25.5%;同理,水泥摻入比為21%時(shí):濃度為0.03 mol/L時(shí)提高了7.1%,濃度為0.1 mol/L和0.3 mol/L時(shí)分別降低了8.3%、24.5%。

圖2 硫酸鈉溶液濃度對動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變影響的曲線Fig.2 Effect curves of Na2SO4 solution concentration on dynamic stress-dynamic strain

為了更詳細(xì)分析硫酸鈉溶液濃度對水泥土動(dòng)強(qiáng)度的影響,探討上述現(xiàn)象,以水泥摻入比為21%為例,不同腐蝕時(shí)間和濃度條件下水泥土動(dòng)強(qiáng)度變化曲線如圖3所示。當(dāng)濃度較小時(shí),隨溶液濃度的增加,其水泥土動(dòng)強(qiáng)度先增大,當(dāng)濃度達(dá)到某一定值(約0.03 mol/L)時(shí)動(dòng)強(qiáng)度又逐步降低。

圖3 溶液濃度對動(dòng)強(qiáng)度的影響曲線Fig.3 Effect curves of solution concentration on dynamic strength

2.2 腐蝕時(shí)間對動(dòng)應(yīng)力的影響

圖4所示為水泥摻入比為18%的水泥土在不同腐蝕時(shí)間下、圍壓300 kPa時(shí)動(dòng)應(yīng)力隨動(dòng)應(yīng)變的變化曲線。

圖4曲線變化表明:當(dāng)溶液濃度為0.03 mol/L時(shí),腐蝕時(shí)間10、20和30 d時(shí)的極限強(qiáng)度與初始強(qiáng)度(未腐蝕、清水狀態(tài))相比分別提高了4.9%、3.9%和13.6%;而當(dāng)溶液濃度為0.1 mol/L時(shí),極限強(qiáng)度分別降低了2.9%、13.1%和5.8%;同理,溶液濃度為0.3 mol/L時(shí),極限強(qiáng)度分別降低了10.3%、19.9%和9.2%。

圖4 腐蝕時(shí)間對動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變的影響曲線Fig.4 Effect curves of corrosion time on dynamic stress-dynamic strain

為分析腐蝕時(shí)間對水泥土動(dòng)強(qiáng)度的影響,取水泥摻入比為18%,將上述破壞時(shí)的極限強(qiáng)度繪制成如圖5所示的曲線。不同的硫酸鈉溶液濃度影響程度不同,當(dāng)溶液濃度為0.03 mol/L時(shí),腐蝕時(shí)間越長其水泥土動(dòng)強(qiáng)度越大,濃度較小時(shí)有利于水泥土強(qiáng)度發(fā)展;當(dāng)溶液濃度為0.1 mol/L和0.3 mol/L,即硫酸鈉溶液濃度越大時(shí),腐蝕時(shí)間越長水泥土腐蝕破壞越嚴(yán)重,導(dǎo)致水泥土動(dòng)強(qiáng)度逐步降低。

圖5 腐蝕時(shí)間對動(dòng)強(qiáng)度的影響曲線Fig.5 Effect curves of corrosion time on dynamic strength

2.3 不同腐蝕溶液對動(dòng)應(yīng)力的影響

不同腐蝕環(huán)境對水泥土的影響程度不同,本文進(jìn)行了兩種腐蝕溶液(硫酸鈉溶液和氯化鈉溶液)下的試驗(yàn)。圖6所示為圍壓300 kPa、水泥摻入比18%的水泥土試件,腐蝕時(shí)間為20 d時(shí)其動(dòng)應(yīng)力隨動(dòng)應(yīng)變的變化曲線。對于硫酸鈉溶液下的極限強(qiáng)度變化上文已經(jīng)討論過,而氯化鈉溶液下的極限強(qiáng)度,當(dāng)濃度為0.03 mol/L、 0.1 mol/L和0.3 mol/L時(shí),與未腐蝕的極限強(qiáng)度相比分別降低了1.5%、3.0和13.6%。

為了更詳細(xì)分析不同腐蝕溶液對水泥土動(dòng)強(qiáng)度的影響,選取水泥摻入比為18%、腐蝕時(shí)間為20 d、圍壓為300 kPa時(shí)水泥土動(dòng)強(qiáng)度的變化曲線(圖7)。圖中曲線表明,硫酸鈉環(huán)境中的水泥土動(dòng)強(qiáng)度先升高再降低,而氯化鈉環(huán)境中的水泥土動(dòng)強(qiáng)度一直平穩(wěn)降低。

2.4 不同圍壓對動(dòng)應(yīng)力的影響

由于篇幅有限,僅取硫酸鈉腐蝕溶液且腐蝕20 d、水泥摻入比為6%時(shí),不同硫酸鈉腐蝕溶液濃度、不同圍壓下水泥土動(dòng)應(yīng)力隨動(dòng)應(yīng)變的變化曲線(圖8)。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著圍壓增大,其水泥土的動(dòng)強(qiáng)度也增大;硫酸鈉腐蝕溶液濃度越大,其對水泥土的動(dòng)強(qiáng)度影響越大(圖9)。

2.5 不同水泥摻入比對動(dòng)應(yīng)力的影響

對于硫酸鈉溶液,腐蝕時(shí)間20 d、圍壓為300 MP時(shí),不同水泥摻入比、不同硫酸鈉溶液濃度下水泥土動(dòng)應(yīng)力隨動(dòng)應(yīng)變的變化曲線如圖10所示。

圖中數(shù)據(jù)表明,硫酸鈉溶液濃度為0.03 mol/L時(shí),水泥摻入比為18%和21%的極限強(qiáng)度相比15%的極限強(qiáng)度分別提高了26.8%和40.5%。硫酸鈉溶液濃度為0.1 mol/L時(shí),水泥摻入比為18%和21%的極限強(qiáng)度相比15%分別提高了17.0%和23.8%。而硫酸鈉溶液濃度為0.3 mol/L時(shí),水泥摻入比為18%和21%的極限強(qiáng)度相比15%分別提高了17.8%和31.0%(圖11)。

圖6 腐蝕溶液對動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變的影響曲線Fig.6 Effect curves of corrosion solution on dynamic stress-dynamic strain

圖7 不同腐蝕溶液對動(dòng)強(qiáng)度的影響曲線Fig.7 Effect curves of different corrosion solution on dynamic strength

圖8 不同圍壓對動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變的影響曲線Fig.8 Effect curves of different confining pressure on dynamic stress-dynamic strain

圖9 圍壓對動(dòng)強(qiáng)度的影響曲線Fig.9 Effect curves of confining pressure on dynamic strength

圖10 不同水泥摻入比對對動(dòng)應(yīng)力—?jiǎng)討?yīng)變 影響的曲線Fig.10 Effect curves of different cement mixing ratio on dynamic stress-dynamic strain

3 結(jié)論

本文通過對腐蝕后水泥土的動(dòng)三軸試驗(yàn),分析腐蝕溶液濃度、腐蝕時(shí)間、不同腐蝕溶液以及水泥摻入比和圍壓對水泥土動(dòng)應(yīng)力的影響,得出如下主要結(jié)論:

圖11 水泥摻入比對動(dòng)強(qiáng)度影響的曲線Fig.11 Effec curves of cement mixing ratio on dynamic strength

(1) 對硫酸鈉腐蝕溶液濃度來說,當(dāng)濃度小于0.03 mol/L時(shí)水泥土的動(dòng)強(qiáng)度逐步增大,當(dāng)濃度大于0.03 mol/L時(shí)水泥土的動(dòng)強(qiáng)度又逐步降低;隨著氯化鈉溶液濃度的增大,其動(dòng)強(qiáng)度逐步降低;

(2) 隨著腐蝕時(shí)間的增加,0.03 mol/L硫酸鈉溶液的水泥土動(dòng)強(qiáng)度逐步增大;而0.1 mol/L和0.3 mol/L硫酸鈉溶液的水泥土動(dòng)強(qiáng)度均逐步降低;

(3) 通過硫酸鈉溶液和氯化鈉溶液對比分析可知,當(dāng)溶液濃度小于0.03 mol/L時(shí),硫酸鈉環(huán)境對水泥土的動(dòng)強(qiáng)度有增強(qiáng)效應(yīng);而濃度大于0.03 mol/L時(shí),硫酸鈉環(huán)境對水泥土有腐蝕破壞效應(yīng),且硫酸鈉溶液腐蝕效應(yīng)大于氯化鈉溶液腐蝕效應(yīng);

(4) 水泥摻入比越大,其水泥土動(dòng)強(qiáng)度越大;圍壓越大,水泥土動(dòng)強(qiáng)度越大。

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Experimental Study on Dynamic Stress of Cement Soil under Different Environments

CHEN Si-li1, WEI Xing2, NING Bao-kuan1

(1.SchoolofArchitecture&CivilEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110870,Liaoning,China; 2.JiangxiVocationalCollegeofIndustry&Engineering,Pingxiang337000,Jiangxi,China)

Dynamic triaxial compression tests are conducted to study the effects of corrosive media and dynamic loads on the mechanical properties of cement soil. The experimental parameters of dynamic stress are obtained, and the effects of the dynamic strength of the cement soil are analyzed in different environments. Results show a gradual increase in the dynamic strength of the cement soil with an increase in the concentration of sodium sulfate corrosion solution when it is less than 0.03 mol/L. However, when the concentration is greater than 0.03 mol/L, there is a gradual decrease in the dynamic strength of the cement soil. In addition, there is a gradual decrease in the dynamic strength of cement soil with an increase in the concentration of sodium chloride solution. Furthermore, there is a gradual increase in the dynamic strength of cement soil in 0.03 mol/L of sodium sulfate solution with an extension of corrosion time. Results show the following: when the concentration of sodium sulfate solution is between 0.1～0.3 mol/L, there is a gradual decrease in the dynamic strength of the cement soil. Moreover, when the cemented content is at a greater ratio, the stronger dynamic strength of cement soil is greater. Furthermore, when the confining pressure is greater, the dynamic strength of cement soil is stronger. In addition, when the solution concentration is less than 0.03 mol/L, the dynamic strength of cement soil is enhanced in a sodium sulfate environment, but when it is greater than 0.03 mol/L, the cement soil is corroded and damaged within the same environment and the corrosion effect is greater than that of the sodium chloride solution.

cement soil; dynamic triaxial compression test; dynamic stress; corrosive environment; cement mixing ratio; confining pressure

2015-08-13 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51279109) 作者簡介：陳四利(1959-)，男，博士，教授，主要從事環(huán)境巖土力學(xué)理論及其應(yīng)用研究。E-mail:chen1458@163.com。

TU411

A

1000-0844(2016)06-0847-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0847