海水侵蝕作用對水泥土抗拉強度劣化影響研究

范澤忠

（福建省萬聯(lián)混凝土有限公司，福建 南平 353000）

0 引言

近些年，由于水泥土具有可就地取材、抗?jié)B性能良好、一定的力學強度以及耐久性，使得水泥土在道路工程、水利工程以及建筑工程等領域被廣泛應用。國內(nèi)外學者針對水泥土的力學性能的研究也越來越多，分別從水泥摻量［1］、齡期［2-3］、含水率［4-5］、土質(zhì)［6-7］等因素來進行研究，然而沿海工程建設中水泥土常常面臨著海水侵蝕環(huán)境的影響，因此海水侵蝕環(huán)境下水泥土的力學性能受到人們的廣泛關注。侵蝕環(huán)境下水泥土的力學性能會發(fā)生劣化，國內(nèi)外學者對其在侵蝕環(huán)境下的力學性能展開研究。Xing等［8］通過開展無側限抗壓強度試驗和掃描電鏡等微觀試驗，研究了軟土中Cl-、Mg2+、SO42-與水化反應產(chǎn)物之間的反應，結果表明：當Mg2+，Cl-和SO42-共存與水泥土中時，它們抑制水泥水化產(chǎn)物的形成，降低這些水化產(chǎn)物的膠凝性能并破壞水泥土的結構，導致強度降低；劉泉聲等［9］通過配制多種不同濃度的單組分的化學溶液來模擬海水侵蝕環(huán)境，將制備的水泥土試塊置于侵蝕溶液中進行浸泡，得出相同濃度下，MgCl2溶液對水泥土的強度影響更大；Xing等［10］將水泥土浸泡在不同離子的侵蝕溶液中，研究各個離子對水泥土強度的影響，發(fā)現(xiàn)SO42-主要作用于水泥水化反應的前期，Mg2+主要作用于水泥水化反應的后期，Cl-則參與了水泥水化反應的全部過程；Mardani［11］等研究了硫酸鹽侵蝕和凍融作用對水泥加固高嶺土強度和滲透性能的影響，推測硫酸鹽侵蝕降低了水泥穩(wěn)定黏土的抗凍融性能；Pham等［12］研究了海洋環(huán)境中硫酸鹽對水泥土樁的破壞作用，發(fā)現(xiàn)海洋環(huán)境對水泥土的侵蝕會降低水泥土樁的強度，劣化水泥土樁的力學性能；袁偉［13］使用海相軟土制作水泥土，將水泥土浸泡在自制海水溶液中，研究浸泡時間對水泥土抗壓強度和滲透系數(shù)的影響，得出海水的侵蝕作用會劣化水泥土內(nèi)部結構，降低其強度。

綜上所述，國內(nèi)外學者們不僅系統(tǒng)地研究了水泥摻量、齡期、土質(zhì)等對水泥土力學性能的影響，還研究了侵蝕離子種類、侵蝕時間以及侵蝕溶液濃度等侵蝕環(huán)境對水泥土力學性能的劣化。隨著國家對海洋資源的開發(fā)與利用，水泥土會大量運用于海洋工程建設中，需要探究海水侵蝕作用對水泥土強度的劣化影響，且水泥土這種脆性材料多以受拉破壞為主，因此筆者進行了水泥土在清水和海水環(huán)境下的無側限抗拉強度試驗研究。

1 試驗方案

1.1 原材料

試驗所用外摻料為電爐鎳鐵渣粉和粒化高爐礦渣復摻后所形成的復合外摻料，兩者比例為2∶1，該復合外摻料以下均簡稱為鎳鐵渣粉，這兩種礦物摻和料的主要化學成分如表1所示。通過高活性礦粉能夠使鎳鐵渣粉得到激活，使其對土體固化的效用以及綠色環(huán)保和低成本的特點更有效的得到發(fā)揮。試驗所用的土料為淤泥，取自福州市閩侯縣某項目基坑內(nèi)，該淤泥的基本物理力學指標如表2所示。為了保證試驗結果的準確性，拌和所用水均為凈水機提純過后的純凈水。與鎳鐵渣粉復摻的水泥為P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，該水泥質(zhì)量符合國家標準《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）的相關規(guī)定。配制侵蝕環(huán)境所用的海水是根據(jù)制鹽工業(yè)手冊［14］所要求的海水成分進行配置，其化學成分組成如表3所示。

表1 復合料的化學成分

表2 淤泥基本物理力學指標

表3 海水化學成分組成

1.2 試驗方案

本試驗采用劈裂抗拉試驗方法，目的是研究鎳鐵渣粉摻量和養(yǎng)護條件對其抗拉強度的影響。劈裂抗拉試驗中設計了0%、30%、45%、60%四個水平的鎳鐵渣粉取代比（即取代同質(zhì)量水泥的比率），對比分析不同摻量對鎳鐵渣粉水泥土抗拉強度的影響。另外，本試驗采用28 d的齡期，以此達到既能簡化試驗方案又能保證滿足試驗要求的目的。其中，本試驗中水膠比為0.5，膠凝材料摻入比為15%，清水環(huán)境下試件標記為試件A，海水環(huán)境下試件標記為試件B，編號后的數(shù)字表示鎳鐵渣粉摻量。具體試驗方案如表4所示。

表4 劈裂抗拉驗方案

1.3 試驗步驟

采用MTS landmark 370.25試驗機進行間接劈裂試驗，本試驗的試件采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊，具體試驗步驟如下。①從標準養(yǎng)護室的水箱中取出養(yǎng)護到期的水泥土試樣，將試樣表面擦拭干凈，測量尺寸，檢查外觀，在試樣中部畫出劈裂面位置線，劈裂面垂直于試件成型的頂面，測量精度為1 mm。②將劈裂模具放到承壓臺鋼板的中心，幾何對中校正，放妥試件和木質(zhì)墊條，其方向垂直于試件成型時的頂面，如圖1所示。③對鎳鐵渣粉水泥土試件以100 N/s的加載速度勻速加載至試件發(fā)生破壞，并記錄試驗數(shù)據(jù)。

圖1 試件放置示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果處理

試驗根據(jù)公式（1）計算水泥土的劈裂間接抗拉強度。

式中：Rt為水泥土的抗拉強度，MPa；Pmax為試件破壞時的最大荷載值，N；ɑ為試件的邊長，mm，本試驗中為70.7 mm。

2.2 試驗結果分析

根據(jù)試驗設計方案表4和式（1）分別對在不同養(yǎng)護條件和不同鎳鐵渣粉摻量的3個鎳鐵渣粉水泥土試樣進行劈裂間接抗拉強度試驗并計算其結果。具體結果如表5所示。

表5 不同摻量鎳鐵渣粉水泥土的抗拉強度

根據(jù)表5中的試驗數(shù)據(jù)，繪制出鎳鐵渣粉水泥土在清水環(huán)境和海水環(huán)境下28 d的抗拉強度隨鎳鐵渣粉摻量變化的關系曲線圖，如圖2所示。

圖2 水泥土的抗拉強度與鎳鐵渣粉摻量的關系曲線

由表1和圖2可知，清水環(huán)境和海水環(huán)境下鎳鐵渣粉水泥土的抗拉強度曲線的變化趨勢基本一致，抗拉強度曲線隨著鎳鐵渣粉摻量的增加先上升后下降，與其抗壓強度曲線的變化規(guī)律保持一致。清水環(huán)境養(yǎng)護下，四組不同摻量鎳鐵渣粉水泥土抗拉強度分別為0.30 MPa、0.32 MPa、0.38 MPa、0.31 MPa，水泥土抗拉強度A-30比A-0增加7.25%，A-45比A-30增加15.64%，A-60比A-45減少 了15.85%。海水環(huán)境養(yǎng)護下，四組不同摻量鎳鐵渣粉水泥土的抗拉強度分別為0.28 MPa、0.31 MPa、0.34 MPa、0.29 MPa，水泥土抗拉強度B-30比B-0增加了8.2%，B-45比B-30增加了10.43%，B-60比B-45下降了14.68%。這表明水泥土中加入鎳鐵渣粉能提升抗拉強度，這是因為28 d齡期的鎳鐵渣粉水泥土內(nèi)部水化反應充分，鎳鐵渣粉的活性被激活［15］，生成的物質(zhì)在提升水泥土抗壓強度的同時也在提升其抗拉強度。但摻入過量的鎳鐵渣粉會不利于水泥土的抗拉強度，因為摻入過量摻入鎳鐵渣粉，水泥水化反應減弱［16］，仍有一定量的鎳鐵渣粉活性無法激活，僅僅發(fā)揮微集料的填充作用，無法發(fā)生類似火山灰效應，則無法提升水泥土的抗拉強度。因此鎳鐵渣粉存在一個最優(yōu)摻量值，從強度增長效果來看，最優(yōu)摻量值為45%。

另外，在相同摻量下，海水浸泡下的鎳鐵渣粉水泥土抗拉強度始終低于清水環(huán)境，相關研究表明［17-19］：海水中的侵蝕離子侵入水泥土的表面和內(nèi)部，參與水化反應生成不利于抗拉強度的物質(zhì)，如F鹽和鈣礬石，這些物質(zhì)在水泥土內(nèi)部孔隙不斷累積膨脹，產(chǎn)生膨脹應力，造成微小裂紋，這些小裂紋使海水進一步侵入水泥土的內(nèi)部，降低水泥土的抗拉強度。而摻入一定量的鎳鐵渣粉水泥土可以提升水泥土的抗拉強度，有利于抵抗海水的侵蝕作用，因為根據(jù)童生豪［17］和石嘵夢［19］的研究，鎳鐵渣粉本身具有耐久性，同時發(fā)揮著微集料填充作用和類似火山灰效應，填充水泥土的孔隙，提升其密實度，從而抵抗海水進一步侵入水泥土的內(nèi)部，減弱海水的侵蝕作用。

2.3 水泥土的受拉破壞性狀

在28 d齡期時，礦粉對鎳鐵渣粉的活性激發(fā)能力大大增強了，在礦粉的激活下鎳鐵渣粉參與類似水泥的水化反應的能力逐漸顯現(xiàn)出來，生成的水化產(chǎn)物充分填充了鎳鐵渣粉水泥土的孔隙，將土顆粒更加緊密膠結在一起，從而使水泥土內(nèi)部的致密性和整體性有所加強［20］。因此，從圖3和圖4可以看出，28 d時劈裂抗拉強度試驗中鎳鐵渣粉水泥土的劈裂破壞形式主要為顯著的突發(fā)性的脆性破壞，破壞時從試件中間劈開，劈裂面與受拉力方向基本保持垂直，從而呈現(xiàn)一個完整的剪切面，這與文獻［21］中所研究的結果保持一致。另外，從圖3和圖4中還可以看出，在整體上，鎳鐵渣粉摻入前與摻入后，水泥土試件在劈裂破壞形式上差別并不大，海洋環(huán)境與清水環(huán)境鎳鐵渣粉水泥土破壞形式也相差不大，只是海水環(huán)境的鎳鐵渣粉水泥土破裂面略微平整。

圖3 是否摻有鎳鐵渣粉水泥土的劈裂破壞對比

圖4 清水環(huán)境與海水環(huán)境劈裂破壞對比

3 結論

通過開展劈裂間接抗拉試驗，研究不同鎳鐵渣粉摻量、不同養(yǎng)護環(huán)境（清水與海水）對水泥土的抗拉強度、表觀侵蝕以及破壞性狀的影響。

①清水環(huán)境和海水環(huán)境水泥土中摻入適量的鎳鐵渣粉，由于其活性被激活，且能發(fā)揮較好的微集料填充作用，能明顯提升水泥土的抗拉強度；但摻量的增大到一定程度，其抗拉強度隨摻量增加呈先增大后減小的趨勢，因此可得到最優(yōu)鎳鐵渣粉摻量為45%。

②海水浸泡下的水泥土抗拉強度始終低于清水環(huán)境，這表明海水中的侵蝕離子侵入水泥土內(nèi)，生成不利于強度的F鹽等物質(zhì)，由膨脹力造成細小裂縫，降低水泥土的抗拉強度。

③破壞時從試件中間劈開，劈裂面與受拉力方向基本保持垂直，在兩種養(yǎng)護條件下水泥土試件均表現(xiàn)為脆性破壞。