水泥土劣化深度-時(shí)間關(guān)系預(yù)測(cè)

劉 浩，楊俊杰，王 曼，李斯臣，武亞磊，王曉倩

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 2.中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 3.青島中藍(lán)投資有限公司即墨分公司，山東 青島 266100)

1 研究背景

水泥土是軟土地基加固處理較為廣泛采用的材料之一，但是，長(zhǎng)期處于濱海相軟土、鹽漬土和污染環(huán)境等腐蝕場(chǎng)地中的水泥土材料，與混凝土、鋼材等建筑材料一樣，不可避免地受到腐蝕介質(zhì)的持續(xù)作用而發(fā)生劣化，劣化導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度降低，嚴(yán)重影響水泥土結(jié)構(gòu)的使用壽命[1-5]。水泥土劣化是由表及里強(qiáng)度隨時(shí)間衰減的過(guò)程，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)劣化深度與時(shí)間的關(guān)系對(duì)于水泥土結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)具有一定的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。

2 水泥土劣化問(wèn)題分類(lèi)、劣化深度定義及劣化深度預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀與分析

2.1 水泥土劣化問(wèn)題分類(lèi)及劣化深度定義

楊俊杰等[6-8]根據(jù)工程背景，將水泥土等加固體的劣化問(wèn)題分成2類(lèi)，并提出了相應(yīng)的室內(nèi)模擬方法(圖1)。

圖1 水泥土劣化問(wèn)題及研究方法(基于文獻(xiàn)[5]修改)Fig.1 Classification and research methods of cementsoil degradation (revised from literature [5])

在非腐蝕場(chǎng)地形成的加固體，后因場(chǎng)地受到污染而發(fā)生的劣化問(wèn)題屬于第1類(lèi)，被污染場(chǎng)地的形成除了工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活污染源外，酸雨、鹽漬化、潮汐及海水侵入等均可導(dǎo)致場(chǎng)地污染。如圖1左列所示，第1類(lèi)劣化問(wèn)題，可采用先將加固體標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后再與腐蝕環(huán)境接觸的方式進(jìn)行模擬。在污染場(chǎng)地、濱海場(chǎng)地等腐蝕場(chǎng)地形成的加固體，其形成強(qiáng)度的同時(shí)即受到腐蝕介質(zhì)的侵蝕，這類(lèi)劣化問(wèn)題屬于第2類(lèi)，如圖1右列所示。為了與實(shí)際情況相符，采用在加固體形成后不經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)立即使其與腐蝕環(huán)境接觸的方式進(jìn)行模擬?，F(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)則可綜合如水動(dòng)力條件、溫度變化、潮汐作用等諸多因素的影響。

對(duì)于達(dá)到劣化齡期的加固體實(shí)施微型貫入試驗(yàn)，得到貫入阻力與貫入深度的關(guān)系曲線(xiàn)，由此定義劣化深度。

圖2 貫入阻力曲線(xiàn)示意圖及劣化深度定義Fig.2 Schematic diagram ofpenetration resistance curveand definition of deteriora-tion depth

如圖2所示，微型貫入試驗(yàn)得到的是貫入阻力(N)，將貫入阻力除以探頭平面投影面積，稱(chēng)之為比貫入阻力(kPa)，由此得到橫坐標(biāo)為比貫入阻力、縱坐標(biāo)為貫入深度的貫入阻力曲線(xiàn)。開(kāi)始時(shí)比貫入阻力有一部分幾乎為0，說(shuō)明水泥土發(fā)生了完全劣化；貫入一定深度后，曲線(xiàn)開(kāi)始出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨后比貫入阻力隨貫入深度直線(xiàn)增加；再次出現(xiàn)拐點(diǎn)后，比貫入阻力隨貫入深度變化不大，說(shuō)明此時(shí)達(dá)到水泥土的未劣化區(qū)，將趨于穩(wěn)定的比貫入阻力定義為貫入強(qiáng)度。

將比貫入阻力近似直線(xiàn)增長(zhǎng)的部分?jǐn)M合直線(xiàn)，以直線(xiàn)與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)為界限，界限以淺部分為劣化區(qū)，以深部分為未劣化區(qū)。劣化區(qū)分為比貫入阻力(強(qiáng)度)幾乎為0的完全劣化層和比貫入阻力(強(qiáng)度)隨深度增加的劣化過(guò)渡層。將劣化區(qū)、完全劣化層和劣化過(guò)渡層的深度分別稱(chēng)為劣化深度(D)、完全劣化深度(Dc)和劣化過(guò)渡層深度(Dt)，則有D=Dc+Dt。未劣化區(qū)的貫入強(qiáng)度可近似看成標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)的水泥土強(qiáng)度。

2.2 水泥土劣化深度預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀與分析

2.2.1 第1類(lèi)劣化問(wèn)題的劣化深度-時(shí)間關(guān)系

Hayashi等[9-10]通過(guò)式(1)對(duì)水泥土的長(zhǎng)期劣化深度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

D=αtβ。

(1)

式中：D為劣化時(shí)間t時(shí)的劣化深度(mm)；α、β均為常數(shù)。根據(jù)前期學(xué)者的研究推斷，α約為劣化1 a后的劣化深度，β平均值約為0.5。此時(shí)，該預(yù)測(cè)式與Ikegami等[11]預(yù)測(cè)公式相同。

Hara等[1]根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)得到長(zhǎng)期劣化深度的關(guān)系式，即

(2)

式中：dn為劣化深度(mm)；A為劣化系數(shù)。

Miao[12]分析不同濃度海水條件下水泥土劣化深度的試驗(yàn)結(jié)果，提出可以通過(guò)短期內(nèi)較高濃度海水條件下水泥土的劣化深度來(lái)預(yù)測(cè)較低海水濃度條件下水泥土的長(zhǎng)期劣化深度，得到水泥土劣化深度的預(yù)測(cè)函數(shù)，即

dcsw=alnb-aln(t+b) 。

(3)

式中：dcsw為在相應(yīng)海水濃度下的劣化深度(mm)；a為由水泥土初始條件決定的常數(shù)；b為由海水濃度決定的變量。

王曉倩等[7]同樣提出了冪函數(shù)預(yù)測(cè)式，可根據(jù)28 d劣化深度推測(cè)長(zhǎng)期劣化深度,即

D=D28(t/28)A。

(4)

式中：D為水泥土劣化深度(mm);D28為28 d劣化深度(mm);t為劣化時(shí)間(d);A為待定常數(shù)。

王曉倩等[7]利用Hara等[1]和Miao[12]及本人試驗(yàn)結(jié)果討論了式(4)中A的取值。

Hara等[1]采用的原土為含水量為237.2%的Ariake Clay，水泥摻量分別為50、70、100 kg/m3，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d,得到的A為0.51。Miao[12]同樣采用Ariake Clay，水泥摻入比為10%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d,得到的A為0.79。

王曉倩等[7]采用的是高嶺土，塑限和17 mm液限分別為33.2%和72.1%，水泥摻入比為15%，灰水比為0.289，制樣后分別標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)0、1、28、90 d，再置于海水中分別浸泡28、90、180 d。王曉倩等認(rèn)為，水泥土初始強(qiáng)度越高，劣化速度越慢，A取值越小。與第1類(lèi)劣化(初始強(qiáng)度為0)A取0.5～0.7[8]相比，具有初始強(qiáng)度的第2類(lèi)劣化的A可取0.2～0.8。

2.2.2 第2類(lèi)劣化問(wèn)題的劣化深度-時(shí)間關(guān)系

Ikegami等[11]研究了日本橫濱港大黑碼頭現(xiàn)場(chǎng)水泥土的長(zhǎng)期劣化深度，總結(jié)出劣化深度經(jīng)驗(yàn)公式為

D=A(t*)0.5。

(5)

式中：D為劣化深度(mm)；A為1 a后的劣化深度(mm)；t*為時(shí)間t與1 a的比值。

閆楠[13]研究了海水及原土養(yǎng)護(hù)條件下水泥土劣化深度隨時(shí)間的變化規(guī)律，分別建立了水泥土在海水及原土養(yǎng)護(hù)條件下的劣化深度預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式，海水養(yǎng)護(hù)條件下,有

dn=ln(a+bt) 。

(6)

式中：dn為劣化深度(mm)；a，b為與水泥土摻入比相關(guān)的常數(shù)；t為養(yǎng)護(hù)時(shí)間或浸泡時(shí)間(d)。

原土養(yǎng)護(hù)條件下，有

dn=m+ntc。

(7)

式中m、n、c均為常數(shù)。

楊俊杰等[8]研究了現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)的濱海相軟土水泥土的劣化深度隨時(shí)間的演化規(guī)律，并提出了根據(jù)90 d劣化深度推測(cè)長(zhǎng)期劣化深度的預(yù)測(cè)式，即

D=D90(t/90)A。

(8)

式中：D90為90 d劣化深度(mm)；A為待定常數(shù)。

基于長(zhǎng)達(dá)3.5 a(1 260 d)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建議A的取值范圍為0.5～0.7。

2.2.3 存在的問(wèn)題及本文的研究?jī)?nèi)容

水泥土的初始強(qiáng)度對(duì)場(chǎng)地環(huán)境變化引起的水泥土劣化深度具有一定的影響：一方面，影響規(guī)律有待進(jìn)一步的數(shù)據(jù)積累；另一方面，在劣化深度-時(shí)間關(guān)系預(yù)測(cè)為冪函數(shù)形式時(shí)初始強(qiáng)度的影響如何體現(xiàn)，有待進(jìn)一步討論。

如上所述，劣化水泥土由強(qiáng)度幾乎為0的完全劣化層、強(qiáng)度隨深度增加的劣化過(guò)渡層以及強(qiáng)度可看成與同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)水泥土相同的未劣化區(qū)共3部分組成。在預(yù)測(cè)劣化水泥土強(qiáng)度時(shí)，不僅需要知道這3部分的強(qiáng)度，還需要知道劣化深度(D)、完全劣化深度(Dc)和劣化過(guò)渡層深度(Dt)。然而，無(wú)論是第1類(lèi)劣化問(wèn)題還是第2類(lèi)劣化問(wèn)題，均只給出了劣化深度(D)預(yù)測(cè)方法，未進(jìn)一步給出完全劣化深度(Dc)和劣化過(guò)渡層深度(Dt)預(yù)測(cè)方法。

在冪函數(shù)形式的劣化深度預(yù)測(cè)式中，系數(shù)為某一短期劣化深度，該系數(shù)很可能是一個(gè)含有原土性質(zhì)、固化劑摻量、初始強(qiáng)度、劣化環(huán)境等因素影響的綜合參數(shù)，而式中指數(shù)的取值趨于一致。因此，冪函數(shù)形式可能是實(shí)用性強(qiáng)的劣化深度預(yù)測(cè)式，其他函數(shù)形式的預(yù)測(cè)式則含有多個(gè)擬合參數(shù)。

需要說(shuō)明的是，上述研究中劣化深度確定方法不盡相同，但所得結(jié)果相差不大且趨勢(shì)相同。

本文以山東濰坊港海相軟土為試驗(yàn)用土，采用不同水泥摻入比和不同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間得到具有不同初始強(qiáng)度的水泥土，研究不同初始強(qiáng)度下水泥土劣化特性，據(jù)此提出劣化深度、完全劣化深度和劣化過(guò)渡層深度的預(yù)測(cè)方法；并利用現(xiàn)場(chǎng)腐蝕試驗(yàn)(最長(zhǎng)腐蝕時(shí)間達(dá)到1 800 d)予以驗(yàn)證，為水泥土結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

3 不同初始強(qiáng)度對(duì)水泥土劣化深度的影響

3.1 試驗(yàn)概況

影響水泥土劣化的因素有原土性質(zhì)、水泥摻量、水泥土初始強(qiáng)度、劣化環(huán)境，本文通過(guò)改變水泥摻入比和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期制備不同初始強(qiáng)度的水泥土，研究初始強(qiáng)度對(duì)劣化程度的影響。

試驗(yàn)用土取自山東省濰坊市渤海萊州灣南岸濰坊港港口內(nèi)海底。去除軟土中的石塊、水草等雜質(zhì)后攪拌均勻，圖3為預(yù)處理后的土樣。

圖3 預(yù)處理后的土樣Fig.3 Soil samples after pretreatment

試驗(yàn)用土的物理性質(zhì)和主要離子濃度分別如表1和表2所示。根據(jù)塑性圖可知試驗(yàn)用土為低液限粉土。

表1 試驗(yàn)用土物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of test soil

表2 試驗(yàn)用土主要離子濃度Table 2 Main ion concentrations of test soil

表3 試樣制備方案Table 3 Scheme of sample preparation

試驗(yàn)用水泥為濰坊魯元建材有限公司生產(chǎn)的42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥。水泥摻入比及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間如表3試驗(yàn)制備方案所示。采用海水浸泡，浸泡時(shí)間如表3所示。

按照試樣制備方案將預(yù)處理后的濰坊港海相軟土與水泥攪拌均勻制備水泥土，然后分3次裝入內(nèi)徑85 mm、內(nèi)高105 mm的500 mL塑料燒杯中。每次裝填時(shí)輕微振動(dòng)燒杯以減少氣泡，并振實(shí)20次(共振實(shí)60次)，裝至燒杯頂部抹平。然后采用制樣攪拌機(jī)對(duì)燒杯中水泥土進(jìn)行攪拌，上下攪拌來(lái)回各3次，每次30 s，攪拌完后刮平表面，制樣時(shí)間控制在5 min之內(nèi)。制備的水泥土試樣如圖4所示。將制備的水泥土試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期。達(dá)到齡期后，放入塑料桶內(nèi)進(jìn)行海水浸泡，如圖5所示。對(duì)達(dá)到設(shè)定浸泡時(shí)間的試樣實(shí)施微型貫入試驗(yàn)。微型貫入儀為應(yīng)變控制式，貫入速度設(shè)為2 mm/min，探頭直徑為3.4 mm。

圖4 制備的水泥土試樣Fig.4 Cement soil sample prepared for test

圖5 海水浸泡中的水泥土試樣Fig.5 Cement soil sample immersed in seawater

3.2 不同初始強(qiáng)度對(duì)水泥土劣化深度影響

圖6—圖8分別為海水浸泡28、90、180 d的微型貫入試驗(yàn)結(jié)果。其中，圖8(a)中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間0 h的試樣貫入曲線(xiàn)在劣化過(guò)渡層呈現(xiàn)出波動(dòng)現(xiàn)象，可能是水泥土試樣內(nèi)部不均性導(dǎo)致的。其它不同水泥摻入比、不同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，劣化水泥土的貫入阻力曲線(xiàn)性狀均與圖2的貫入阻力曲線(xiàn)示意圖相同，表明水泥土初始強(qiáng)度對(duì)劣化水泥土貫入阻力曲線(xiàn)性狀無(wú)明顯影響。

圖6 海水浸泡28 d微型貫入試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Result of micro-penetration test results of sample immersed in seawater for 28 days

圖7 海水浸泡90 d微型貫入試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Result of micro-penetration test results of sample immersed in seawater for 90 days

圖8 海水浸泡180 d微型貫入試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Result of micro-penetration test results of sample immersed in seawater for 180 days

根據(jù)劣化深度定義確定各種條件下的劣化深度D、完全劣化深度Dc和劣化過(guò)渡層深度Dt。圖9為劣化深度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間、水泥摻入比的關(guān)系。

如圖9所示，劣化深度D、完全劣化深度Dc和劣化過(guò)渡層深度Dt隨標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加和水泥摻入比的增大而減小，表明水泥土初始強(qiáng)度越大，劣化深度越小。

圖9 劣化深度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間、水泥摻入比的關(guān)系Fig.9 Relations of deterioration depth against cementratio and standard curing time

4 水泥土劣化深度-時(shí)間關(guān)系預(yù)測(cè)

如第2.2.3節(jié)所述，冪函數(shù)形式可能是實(shí)用性強(qiáng)的劣化深度預(yù)測(cè)式。因此，本文利用式(9)對(duì)試驗(yàn)得到的劣化深度D、完全劣化深度Dc和劣化過(guò)渡層深度Dt與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合，即

(9)

式中：D90、Dc90、Dt90分別為90 d劣化齡期的劣化深度(mm)、完全劣化深度(mm)、劣化過(guò)渡層深度(mm)；t為劣化時(shí)間(d)；A為待定常數(shù)。

圖10 第1類(lèi)劣化問(wèn)題的劣化深度計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)劣化試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of degradation depth between calculation results and indoor test results for the first type ofdegradation problem

圖11 第2類(lèi)劣化問(wèn)題的劣化深度計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)劣化試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of degradation depth between calculation results and indoor test results for the secondtype of degradation problem

圖12 第2類(lèi)劣化問(wèn)題的劣化深度計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)劣化試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(水泥摻入比15%)Fig.12 Comparison of degradation depth betweencalculation results and field degradation test resultsat cement ratio of 15% for the second type ofdegradation problem

圖10、圖11分別為第1類(lèi)劣化問(wèn)題、第2類(lèi)劣化問(wèn)題的劣化深度計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)劣化試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，圖12為第2類(lèi)劣化問(wèn)題的劣化深度計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)劣化試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。由圖10—圖12可知，無(wú)論是第1類(lèi)劣化問(wèn)題還是第2類(lèi)劣化問(wèn)題，或是室內(nèi)劣化試驗(yàn)還是現(xiàn)場(chǎng)劣化試驗(yàn)，當(dāng)A取0.6時(shí)，劣化深度、完全劣化深度及劣化過(guò)渡層深度的計(jì)算結(jié)果均與試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值和趨勢(shì)上有較好的一致性。因此，只需知道90 d劣化深度即可預(yù)測(cè)相應(yīng)的長(zhǎng)齡期劣化深度。

5 結(jié) 論

實(shí)施了水泥土室內(nèi)劣化試驗(yàn)，建立了水泥土的劣化深度、完全劣化深度和劣化過(guò)渡層深度與時(shí)間的冪函數(shù)關(guān)系式，主要得出以下結(jié)論：

(1) 水泥土初始強(qiáng)度對(duì)劣化水泥土貫入阻力曲線(xiàn)性狀無(wú)明顯影響；水泥土劣化深度、完全劣化深度和劣化過(guò)渡層深度隨水泥土初始強(qiáng)度增大而減小。

(2) 劣化深度-時(shí)間關(guān)系預(yù)測(cè)式(冪函數(shù))中，系數(shù)分別為90 d劣化齡期的水泥土劣化深度、完全劣化深度和劣化過(guò)渡層深度，指數(shù)A取值與劣化類(lèi)型、室內(nèi)劣化試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)劣化試驗(yàn)無(wú)關(guān)，均可取0.6。