氯鹽侵蝕鋼渣水泥固化淤泥土力學(xué)特性及氯離子運(yùn)移規(guī)律研究

陳 剛，馬艷慧，郭肖陽，吳燕開

(1.中交一航局第四工程有限公司 江西 南昌 330103；2. 山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引言

隨著國家海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出，我國海岸工程建設(shè)逐漸增加，但海岸多分布不良地質(zhì)土體，特別是稀軟的淤泥。淤泥具有高含水率、強(qiáng)度低等特點，淤泥處理成為海岸工程建設(shè)中的首要任務(wù)，因此對這一不良地質(zhì)體進(jìn)行加固處理。鋼渣作為煉鋼過程中的一種副產(chǎn)品，產(chǎn)量大，資源利用率低。但其內(nèi)部含有多種有用的成分，與水泥化學(xué)成分相似，多被用于二次資源綜合利用的材料，尤其在工程建設(shè)中使用廣泛。但海水中鹽對于固化土的侵蝕比較嚴(yán)重，且氯鹽在海水鹽比例含量最高，故主要研究關(guān)于海水氯鹽侵蝕固化淤泥土。

關(guān)于氯鹽對固化土的侵蝕研究，楊曉明[1]通過研究發(fā)現(xiàn)Cl-對齡期為7，28和60 d的水泥土強(qiáng)度都有顯著影響，XING等[2]通過模擬Cl-可溶鹽環(huán)境，研究了高濃度氯鹽對水泥固化土的強(qiáng)度影響，得出Cl-對水泥固化土的影響貫通于整個強(qiáng)度增長時期。徐超[3]加固濱海軟土?xí)r，發(fā)現(xiàn)使用礦渣水泥固化濱海軟土，能夠限制軟土中的氯鹽對水泥固化土的強(qiáng)度侵蝕。陳四利[4-5]通過氯鹽對水泥土的侵蝕研究，發(fā)現(xiàn)隨著氯鹽濃度的增加，水泥土的動強(qiáng)度和動彈性模量逐漸降低。XIONG等[6]通過室內(nèi)抗壓強(qiáng)度和微觀試驗研究了Cl-對水泥土的性能影響，結(jié)果表明水泥土的強(qiáng)度隨離子含量的增加而降低，且抑制了水泥水化產(chǎn)物的形成，降低了膠凝作用。

關(guān)于國內(nèi)外氯鹽對水泥混凝土的侵蝕作用研究，WANG等[7]研究了含粉煤灰(FA)/硅粉(SF)混凝土抗凍融和氯離子聯(lián)合攻擊的抗氯離子滲透能力(CPR)。試驗前氯化鈉溶液浸泡41 d比自來水更具侵略性，得到凍融與氯離子侵蝕的相互作用加速了混凝土的變質(zhì)。WANG等[8]研究了氯離子腐蝕損傷鋼筋在硫酸鹽離子環(huán)境下鋼筋混凝土(RC)梁的基本力學(xué)行為。得出在氯離子和硫酸鹽腐蝕初期的力學(xué)變形性能得到了改善。這是由于微膨脹吐云石和硫酸石膏的填筑效果增強(qiáng)了混凝土強(qiáng)度，增強(qiáng)了鋼混凝土界面鍵的結(jié)合。ZHAO等[9]通過研究確定現(xiàn)澆混凝土受到硫酸鹽-氯離子聯(lián)合攻擊后的降解機(jī)理。得到現(xiàn)澆混凝土與硫酸鹽相比，硫酸鹽-氯聯(lián)合作用的損傷更嚴(yán)重，強(qiáng)度損失更大。共存的氯化物加速了硫酸鹽的擴(kuò)散和積累，特別是在早期階段。郭寅川等[10]通過混凝土的剝蝕量與動彈性模量的損失來研究橋面板混凝土在氯鹽侵蝕和氣候嚴(yán)寒作用下的抗鹽凍性，發(fā)現(xiàn)混凝土表面砂漿層在氯鹽冰凍環(huán)境下加快了剝蝕速度。

關(guān)于鋼渣粉的摻入，黃毅等[11]研究了20多種鋼渣粉發(fā)現(xiàn)鋼渣粉的成分與水泥成分類似，可替代水泥用于工程之中。從改變物理特性方面，為提高鋼渣粉的水化效率，張朝暉等[12]將鋼渣粉磨細(xì)以增加其表面積，使其充分水化，提高膠凝性。朱李俊等[13]將鋼渣微粉結(jié)合水泥用于污染土體的固化，有效修復(fù)了金屬污染土。吳燕開等[14]發(fā)現(xiàn)鋼渣粉摻量為10%時，其水化效果較好，且鋼渣粉對水泥土強(qiáng)度的提高遠(yuǎn)不如水泥。胡銳[15]文中運(yùn)用激發(fā)劑氫氧化鈉激發(fā)鋼渣粉活性，提高其膠凝性及水泥土抗壓強(qiáng)度。鄧永峰[16]、趙余[17]將鋼渣中加入偏高嶺土結(jié)合水玻璃與水泥激發(fā)得到鋼渣型復(fù)合基材，用于軟土的固化，且發(fā)現(xiàn)鋼渣基復(fù)合材料摻量為20%時，軟土固化效果最好。李浩等[18]發(fā)現(xiàn)在固化劑摻量相同時，使用液態(tài)固化劑固化淤泥土的強(qiáng)度高于使用固態(tài)固化劑淤泥土強(qiáng)度。對于海相淤泥土的固化，需降低海水中鹽離子的侵蝕作用。潘世寧等[19]以粉煤灰水泥固化劑固化濱海相淤泥，吳雪婷等[20-21]則采用離子土固化劑(ISS)、水泥、堿化劑NaOH對海相淤泥進(jìn)行單摻、復(fù)摻、堿化復(fù)摻等不同方式的化學(xué)固化，王桂萱等[22]使用水泥熟料、高爐礦渣粉、石膏粉3種材料混合固化海相淤泥土，固化土強(qiáng)度得到提升，有效降低了海水中鹽離子的侵蝕。郭慶兵[23]發(fā)現(xiàn)在氯鹽的作用下，使得未水化完成的水化材料C2S或C3S先與石膏反應(yīng)生成AFt， AFt(單硫型水化硫鋁酸鈣又稱鈣礬石)與水化產(chǎn)物生成AFm(單硫型水化硫鋁酸鈣)，AFt,AFm與可Cl-生成Fridel’s鹽(F’s鹽)。

目前，對于鋼渣粉的研究很多，但關(guān)于氯鹽侵蝕下的鋼渣粉水泥固化淤泥土的研究較少。本研究以青島膠州灣淤泥為研究對象，摻入一定比例的水泥和鋼渣粉進(jìn)行固化，因鋼渣粉顆粒密實，不易水化，故加入NaOH作為激發(fā)劑，共同作用于淤泥土的固化。并對其進(jìn)行NaCl溶液侵蝕，研究侵蝕后固化土的宏微觀特性及其內(nèi)部氯離子的遷移規(guī)律。

1 試驗材料與試樣制備

1.1 試驗材料

試驗用土為青島市膠州灣海相淤泥質(zhì)土，淤泥土呈流塑狀，黑灰色，有刺鼻難聞氣味，里面夾雜著些許貝殼和石子(在磨土前已挑出)，埋深約為9～10 m，其基本物理參數(shù)詳見表1。淤泥土體具有高含水率、低承載能力等特點。試驗中將淤泥土體放置于室外進(jìn)行自然條件下的風(fēng)干，待晾曬完成進(jìn)行磨制，將土體磨制成粒徑為2 mm以下，留取存放，待制備試樣時使用。測定淤泥質(zhì)土的液塑限使用的是錐式液塑限聯(lián)合測定儀，測定淤泥質(zhì)土的內(nèi)摩擦角與黏聚力使用的是美國某公司生產(chǎn)的Shear Trac-Ⅱ直剪儀。

表1 淤泥土基本物理參數(shù)Tab.1 Basic physical parameters of silty soil

試驗采用諸城市某水泥有限公司生產(chǎn)的32.5#普通硅酸鹽水泥，灰色粉末狀，比表面積大于300 m2/kg，其主要礦物成分為：CaO，SiO2，Al2O3，MgO，F(xiàn)e2O3，SO3等；采用石家莊市某煉鋼廠煉鋼所棄廢渣經(jīng)濕式磁選法處理的鋼渣微粉，黑色粉末，顆粒圓潤，其主要礦物成分有C2S，C3S，MgO，F(xiàn)e2O3，Al2O3，MnO等，粒徑為300目左右。

試驗采用天津市某精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司生產(chǎn)的NaOH，分析純，NaOH的含量不少于96.0%。試驗中配置溶液采用天津市某三廠有限公司生產(chǎn)的氯化鈉(NaCl)，分析純，含量高于99.5%。

1.2 試樣的配比以及制備方法

1.2.1 試樣制備

制備試樣時，將磨好的淤泥土過2 mm篩后稱取一定的質(zhì)量放入攪拌器中，按照純水泥固化淤泥土(水泥15%)和鋼渣聯(lián)合水泥固化淤泥土(水泥10%和鋼渣10%)分別進(jìn)行混合并攪拌均勻。取稱量好的NaOH(約為土樣質(zhì)量的0.6%)加入一定量的水中，用玻璃棒充分?jǐn)嚢瑁谷霐嚢杵髦袛嚢璩删鶆虻臐{體。將攪拌好的漿體倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具中，在振動臺上振搗密實后將其表面刮平，蓋上保鮮膜，在室溫下放置48 h后脫模。

將脫膜后的試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(溫度20±1 ℃，濕度≥90%)中分別養(yǎng)護(hù)7，28 d，從養(yǎng)護(hù)箱取出后使用防水材料密封5個面，然后放入到盛有相應(yīng)侵蝕溶液的侵蝕箱中進(jìn)行單面侵蝕，同一類型試塊在同一侵蝕時間下制作6塊平行試塊，放在同一個侵蝕箱中，侵蝕時間分別為7 d，30 d，60 d，90 d。待達(dá)到侵蝕時間后進(jìn)行試驗，為減少誤差以6塊平行試塊結(jié)果的平均值作為試驗結(jié)果。

1.2.2 試樣侵蝕溶液

侵蝕溶液主要分為4種：蒸餾水，1倍NaCl溶液(1倍海水氯鹽含量)，3倍NaCl溶液和5倍NaCl溶液，1倍海水氯離子含量表示的是海水中氯鹽的含量約為1.9%。侵蝕溶液的配比如表2所示，然后將稱量好的NaCl放入1 kg的蒸餾水中。

表2 侵蝕溶液配比表Tab.2 Corrosion solution ratio table

1.2.3 試驗方法

(1)質(zhì)量變化率

質(zhì)量變化率試驗按以下步驟進(jìn)行：(1)將養(yǎng)護(hù)好的試樣取出并稱取其質(zhì)量，后放入侵蝕溶液進(jìn)行侵蝕；(2)侵蝕完成后取出并稱取其質(zhì)量；(3)質(zhì)量變化(m1-m0),見表3，表4；(4)質(zhì)量變化率按式(1)計算。

表3 鋼渣水泥土質(zhì)量變化表(單位:g)Tab.3 Quality change table of steel slag soil-cement(unit:g)

表4 水泥土質(zhì)量變化表(單位:g)Tab.4 Quality change table of soil-cement(unit:g)

δm=(m1-m0)/m0，

(1)

式中，m0為試樣侵蝕前質(zhì)量；m1為試驗侵蝕后質(zhì)量。

(2)含水量

在干燥的實驗室室內(nèi)環(huán)境下，含水量試驗按以下步驟完成：(1)將侵蝕完成的水泥土鋼渣試樣用錘子炸碎，取一塊試樣內(nèi)部的固化土樣，用托盤天平稱取其質(zhì)量，記為M1；(2)將稱取完質(zhì)量的土樣放入烘干箱，在105.8 ℃下進(jìn)行烘干；(3)24 h后將烘干箱關(guān)閉，待烘干箱內(nèi)溫度晾至室溫，取出土樣，稱取其質(zhì)量，記為M0；(4)將含水量按式(2)計算：

(2)

式中，M1為試樣烘干前質(zhì)量；M0為試樣烘干后質(zhì)量。

2 不同侵蝕時間下的物理力學(xué)特性

2.1 質(zhì)量變化率

質(zhì)量變化率可通過質(zhì)量的變化分析試樣在浸泡過程中的損耗，用于輔助分析試樣內(nèi)部的反應(yīng)情況。如圖1是養(yǎng)護(hù)7 d和28 d下水泥土試樣和鋼渣水泥土試樣在進(jìn)行不同侵蝕時間后的質(zhì)量變化率。

圖1 不同侵蝕時間下的質(zhì)量變化率Fig.1 Mass change rate under different erosion time

觀察水泥土試樣的質(zhì)量變化率圖發(fā)現(xiàn)，水泥土試樣在不同侵蝕濃度下的質(zhì)量總體上呈上升趨勢，最大值為6.63%。養(yǎng)護(hù)7 d后，1倍海水濃度和蒸餾水侵蝕下水泥土試樣的質(zhì)量變化率先降低后增加，且增加趨勢較大，蒸餾水侵蝕試樣的增加最大可達(dá)到2%；養(yǎng)護(hù)28 d水泥土試樣的質(zhì)量變化率先減小后增加，侵蝕90 d的質(zhì)量變化率均高于侵蝕7 d的，其最大質(zhì)量變化率是7 d的1.33倍。而觀察鋼渣水泥土試樣的質(zhì)量變化率圖發(fā)現(xiàn)，隨著侵蝕時間的增加，養(yǎng)護(hù)7 d試樣的質(zhì)量變化率先增加后減小，最大值為5.77%；對于蒸餾水侵蝕試樣，侵蝕90 d的質(zhì)量變化率低于侵蝕7 d的質(zhì)量變化率，侵蝕7 d的試塊為90 d的1.57倍；對于養(yǎng)護(hù)28 d的鋼渣水泥土試樣，隨著侵蝕時間的增加，其質(zhì)量變化率先增加后減小然后再增加，再侵蝕60 d到90 d階段中1倍海水濃度侵蝕試樣的質(zhì)量變化率增長幅度較大，增長可達(dá)8%，但其他三者的質(zhì)量變化率增長幅度相對較平穩(wěn)。鋼渣水泥土試樣的質(zhì)量變化率明顯高于水泥土試樣的質(zhì)量變化率，其最大質(zhì)量變化率是水泥土最大質(zhì)量變化率的1.78倍，但不論水泥土還是鋼渣水泥土，同類型侵蝕下，養(yǎng)護(hù)28 d試樣的質(zhì)量變化率普遍高于養(yǎng)護(hù)7 d試樣。除個別試樣有所降低，試樣的質(zhì)量變化率整體呈增長趨勢。

綜上分析，因水泥、鋼渣所含的C3S，C2S等主要材料結(jié)合吸收水分發(fā)生水化反應(yīng)，質(zhì)量變化率整體呈增長趨勢。因水泥早期水化較快，鋼渣早期水化較慢，水泥在侵蝕前結(jié)合水產(chǎn)生的膠凝材料較多，相對于鋼渣剩余的水化材料較少，侵蝕后增長幅度較鋼渣低，所以鋼渣水泥土試樣的質(zhì)量變化率高于水泥土試樣。但同材料的固化土養(yǎng)護(hù)28 d試樣的質(zhì)量變化率普遍高于養(yǎng)護(hù)7 d試樣，可能有以下原因：(1)氯鹽侵蝕下，氯離子的進(jìn)入可與膠凝材料發(fā)生反應(yīng)，降低孔隙中膠凝材料的含量，增大孔隙，使水進(jìn)一步深入試樣，產(chǎn)生充分的水化反應(yīng)；(2)7 d試樣雖沒有28 d試樣水化完全，但氯鹽的摻入，阻礙了水化材料發(fā)生水化反應(yīng)。對于養(yǎng)護(hù)7 d水泥土，蒸餾水侵蝕試樣在侵蝕30 d的質(zhì)量變化率降低明顯，應(yīng)與材料表面部分觸碰脫落有關(guān)。

2.2 含水量

含水量是表示試樣內(nèi)部水分含量的指標(biāo)，因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，不同的試樣含水量有一定的差別，含水量也可做為衡量試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)、試樣孔隙數(shù)量其中的一個影響因素，但其變化不能完全影響試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)與試樣所表現(xiàn)的性質(zhì)。因不同試樣具有一定的誤差，不能對含水量進(jìn)行絕對性的分析，可進(jìn)行不同侵蝕時間下的趨勢分析。

如圖2所示，隨著侵蝕時間的增加，含水量整體呈上升趨勢，以養(yǎng)護(hù)28 d的鋼渣水泥土試樣最為明顯，最大含水量變化率高達(dá)9.71%。隨著侵蝕時間的增加，水泥土試樣的含水量呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，而鋼渣水泥土試樣的含水量則呈現(xiàn)先降低后增加然后再降低的趨勢，鋼渣水泥土最大含水量為水泥土的1.15倍。這與鋼渣的加入有一定的關(guān)系，水泥土的早期水化比較充分可產(chǎn)生大量的膠凝材料固化淤泥土，鋼渣水化速度慢，內(nèi)部孔隙相對水泥土試樣較多，侵蝕溶液可以更多地侵入試樣內(nèi)部，可以提供后期的水化反應(yīng)。對于水泥土和鋼渣水泥土，養(yǎng)護(hù)7 d試樣的含水量變化速率相差最大可達(dá)9.17%和8.54%；而養(yǎng)護(hù)28 d水泥土試樣含水量的變化速率較慢，最大含水量變化速率僅有6.72%。因為養(yǎng)護(hù)7 d試樣進(jìn)行的水化反應(yīng)不如養(yǎng)護(hù)28 d的充分，養(yǎng)護(hù)7 d的試樣內(nèi)部膠凝材料較少，孔隙較多，在同種侵蝕溶液下更易進(jìn)入試樣內(nèi)部，更易被氯鹽侵蝕，消耗C—S—H等膠凝材料，降低試樣內(nèi)部黏聚力，造成試樣破壞。對比其他3種，隨著侵蝕時間的增加，養(yǎng)護(hù)28 d的水泥土試樣的含水量折線最緩，侵蝕前后含水量的變化最小，主要因養(yǎng)護(hù)28 d水泥土試樣內(nèi)部水化較為充分，內(nèi)部孔隙含量較少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為密實，同等氯鹽侵蝕下，養(yǎng)護(hù)28 d水泥土試樣中進(jìn)入的水分較少，且因水化較為充足，試樣內(nèi)部本身所具有的水分比其他3種都少。對比圖1的4張圖，水泥土試樣在蒸餾水侵蝕下，含水量較高，主要是因試樣內(nèi)部含有一定的鹽溶液，為減小內(nèi)外濃度差以達(dá)到濃度的相對平衡，外部水分經(jīng)擴(kuò)散、滲透逐漸進(jìn)入試樣內(nèi)部。

圖2 不同侵蝕時間下的含水量Fig.2 Water content under different erosion times

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖3是在不同侵蝕時間下養(yǎng)護(hù)7 d和28 d的水泥土試樣和鋼渣水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度圖，由圖可知，水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于鋼渣水泥土，其最大強(qiáng)度是鋼渣水泥土最大強(qiáng)度的2.34倍；隨著侵蝕時間的增加，養(yǎng)護(hù)7 d的水泥土和鋼渣水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度整體呈增長趨勢，最大強(qiáng)度分別為1.38 MPa和0.72 MPa，但在侵蝕早期有略微的下降，隨后強(qiáng)度逐漸上升，且水泥土試樣的上升速度要快于鋼渣水泥土。隨著侵蝕時間的增加，養(yǎng)護(hù)28 d試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度折線呈現(xiàn)出先增加后降低的形態(tài)，但鋼渣水泥土試樣的強(qiáng)度增長趨勢較大，而水泥土試樣的強(qiáng)度增加較為平穩(wěn)。

圖3 不同侵蝕時間下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.3 Unconfined compressive strength under different erosion times

分析其因，水泥土試樣的水化較為完全，產(chǎn)生的膠凝材料較多，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實，孔隙較少，可具有較大的承載能力，雖然鋼渣粉加入較多且加入NaOH催化劑，但還不能取代水泥作為固化材料，改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低試樣內(nèi)部的密實性。同時，隨著侵蝕時間的增加，氯離子不斷進(jìn)入試樣內(nèi)部，與膠凝材料反應(yīng)，降低了試樣內(nèi)部的黏結(jié)能力，使得養(yǎng)護(hù)28 d試樣的強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢；而養(yǎng)護(hù)7 d試樣的強(qiáng)度不斷增加可能與鋼渣的不完全水化有關(guān)，隨著侵蝕時間的增加，鋼渣逐漸水化，且水化速率高于氯離子的侵蝕速率。

3 不同侵蝕時間下的氯離子變化規(guī)律

圖4是取自不同侵蝕時間下距試樣侵蝕表面1 cm 處樣本測定的氯離子濃度。對比鋼渣水泥土試樣，水泥土試樣內(nèi)部的氯離子濃度相對較低，水泥土的氯離子濃度最大為0.101 126 mol/L，鋼渣水泥土的氯離子濃度最大為0.154 211 mol/L，水泥土試樣較鋼渣水泥土試樣抗氯離子侵蝕能力較好，其最大氯離子濃度低于鋼渣水泥土1.52倍。養(yǎng)護(hù)28 d試樣的氯離子濃度低于養(yǎng)護(hù)7 d試樣，侵蝕90 d氯離子濃度最大差值為0.037 mol/L。隨著侵蝕時間增加，養(yǎng)護(hù)28 d試樣的氯離子變化曲線先上升后平穩(wěn)，養(yǎng)護(hù)7 d試樣氯離子變化曲線大多在上升階段，部分侵蝕濃度的氯離子變化曲線呈現(xiàn)先上升后平穩(wěn)的狀態(tài)。即隨著侵蝕時間增加，養(yǎng)護(hù)28 d試樣的氯離子濃度先增加后減少，養(yǎng)護(hù)7 d試樣的氯離子濃度一部分在增加階段，但也有一部分表現(xiàn)出平穩(wěn)的趨勢。蒸餾水侵蝕下試樣的氯離子濃度較為穩(wěn)定，波動不大，因淤泥土中含有一定的氯鹽，所以蒸餾水侵蝕下試樣內(nèi)部也有氯離子的存在。

圖4 不同侵蝕時間下的氯離子濃度Fig.4 Chloride ion concentration under different erosion time

綜上分析，因試樣內(nèi)外存在著較大的濃度差，所以隨著侵蝕時間的增加，氯離子經(jīng)過擴(kuò)散逐漸進(jìn)入試樣內(nèi)部，部分氯離子結(jié)合內(nèi)部材料反應(yīng)呈現(xiàn)為固定狀態(tài)，在孔隙中的氯離子則呈現(xiàn)為自由狀態(tài)，與外界氯離子濃度形成動態(tài)平衡，氯離子濃度相對穩(wěn)定。因水泥土試樣的水化較為充分，試樣內(nèi)部孔隙較少，氯離子更難進(jìn)入試樣內(nèi)部的更深層。

4 微觀機(jī)理

圖5是養(yǎng)護(hù)28 d后在1倍海水氯鹽濃度下侵蝕的水泥土試樣放大8 000倍得到的SEM圖。圖5(a)是在1倍海水氯鹽侵蝕7 d的水泥土試樣SEM圖，由圖5(a)可以看出水泥土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列緊密，各土顆粒之間由水化生成的膠凝材料緊緊地黏結(jié)在一起，內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的孔隙和縫隙較少，都被C-S-H等水化膠凝材料充實，結(jié)構(gòu)表面較為光滑，說明因侵蝕時間較短，水泥土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)受氯鹽侵蝕作用較弱，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體性較好。圖5(b) 中水泥土試樣經(jīng)歷1倍海水氯鹽侵蝕30 d后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍表現(xiàn)為排列密實，膠凝材料和土顆粒形成的團(tuán)聚體比圖5(a)的還緊密，內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的孔隙或縫隙更少，這可能與水泥的水化有關(guān)，在短時間內(nèi)，水泥的水化還在持續(xù)，水化生成的膠凝材料繼續(xù)填充內(nèi)部的孔隙和縫隙，也可能與氯鹽的進(jìn)入有關(guān)，氯鹽的進(jìn)入使得未水化完成的水化材料C2S或C3S與氯鹽反應(yīng)生成F’s鹽，用于填充孔隙。但相比于圖5(a)侵蝕30 d的水泥土試樣表面片狀的水化膠凝材料的體積變小，且出現(xiàn)小顆粒物質(zhì)，這些小顆粒物質(zhì)多數(shù)與氯離子有關(guān)，因氯鹽的侵蝕，氯離子與表面的水化材料反應(yīng)，最后形成無黏性的小顆粒，附著在黏性的膠凝材料上。

圖5 氯鹽侵蝕下養(yǎng)護(hù)28 d水泥土試樣的8 000×SEM圖Fig.5 8 000×SEM images of cement soil samples cured for 28 days under chloride erosion

再看圖5(c)中侵蝕60 d試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對密實，但開始出現(xiàn)明顯的孔隙，內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面受氯鹽侵蝕效果比較明顯，內(nèi)部團(tuán)聚體之間的黏結(jié)面積減少，黏聚力降低，孔隙的增大更有利于氯離子的侵蝕和移動。圖5(d)中侵蝕90 d的水泥土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對前3種不同侵蝕時間的試樣較為疏松，內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的孔隙較多，土顆粒表面的黏聚物也相對變少，團(tuán)聚體表面多以小顆粒為主，且出現(xiàn)蜂窩狀，表面突兀不平，因為長時間的氯鹽侵蝕，從外部輸送了較多的氯鹽與水化產(chǎn)物的反應(yīng)，生成較多的不具有黏聚力的F′s鹽。綜上所述，隨著侵蝕時間的增加，氯鹽在水泥土試樣內(nèi)部的持續(xù)進(jìn)入，水泥水化作用逐漸降低，水化膠凝產(chǎn)物逐漸減少，生成低黏結(jié)性的F′s鹽，降低了試樣內(nèi)部黏結(jié)性，增加了其內(nèi)部的孔隙，使得氯離子進(jìn)入試樣內(nèi)部發(fā)生侵蝕，降低了試樣的承載能力，最后造成了試樣的破壞。

為更加清晰的看到水泥土試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將微觀電鏡圖放大至20 000倍，如圖6所示。對比4張圖，發(fā)現(xiàn)在20 000倍的電鏡下試樣可以更加清晰地看清內(nèi)部生成的棒狀或針狀的鈣礬石，圖6(a)中侵蝕7 d試樣所選取的視野中僅有為數(shù)不多的幾個針狀鈣礬石，而且相對于片狀的水化膠凝產(chǎn)物來說，其體積微乎其微，其他3圖中就可以清晰地看到較多的針狀和棒狀的鈣礬石。在圖6(b)中侵蝕30 d試樣中的鈣礬石含量較多，而且鈣礬石具有足夠的長度連接在不同的團(tuán)聚體之間，而且團(tuán)聚體之間的鈣礬石連接量比較稠密。在圖6(c)中侵蝕60 d試樣內(nèi)部具有較多的孔隙，而孔隙之間的鈣礬石含量也較多，多是針狀的鈣礬石，視野中有零星的幾個棒狀鈣礬石。最后觀察圖6(d)侵蝕90 d試樣，內(nèi)部多數(shù)的團(tuán)聚體之間的孔隙間距增大，孔隙之間長了許多針狀的鈣礬石，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列表現(xiàn)較為疏松。綜上所述，隨著氯鹽侵蝕時間的增加，水泥土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列變得相對疏松，因氯離子可與鈣礬石生成Friedel’s鹽，水化生成的鈣礬石數(shù)量也逐漸減少；隨著侵蝕時間的增加，氯鹽侵蝕下可嚴(yán)重破壞試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低其承載能力，最后導(dǎo)致試樣從某處裂縫破壞。

圖6 氯鹽侵蝕下養(yǎng)護(hù)28 d水泥土試樣的20 000×SEM圖Fig.6 20 000×SEM images of cement soil samples cured for 28 days under chloride erosion

5 結(jié)論

通過單摻水泥、復(fù)摻水泥和鋼渣對淤泥土進(jìn)行固化，從試樣的質(zhì)量變化率、含水量以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析氯離子的運(yùn)移規(guī)律。

(1)隨著侵蝕時間的增加，質(zhì)量變化率和含水量整體呈增長趨勢。養(yǎng)護(hù)28 d試樣的質(zhì)量變化率普遍高于養(yǎng)護(hù)7 d試樣，鋼渣水泥土試樣的質(zhì)量變化率明顯高于水泥土其最大質(zhì)量變化率是水泥土最大質(zhì)量變化率的1.78倍。隨著侵蝕時間的增加，水泥土和鋼渣水泥土養(yǎng)護(hù)7 d試樣的含水量變化速率較大，含水量數(shù)值相差最大的可達(dá)9.17%和8.54%；而養(yǎng)護(hù)28 d試樣的含水量變化線較為平緩，變化速率較慢。

(2)水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于鋼渣水泥土，其最大強(qiáng)度是鋼渣水泥土最大強(qiáng)度的2.34倍。隨著侵蝕時間的增加，養(yǎng)護(hù)7 d試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度整體呈增長趨勢，養(yǎng)護(hù)28 d試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度折線呈現(xiàn)出先增加后降低的形態(tài)。

(3)隨著侵蝕時間的增加，內(nèi)部氯離子濃度先增加后趨于穩(wěn)定。水泥土試樣較鋼渣水泥土試樣抗氯離子侵蝕能力較好，相較最大氯離子濃度鋼渣水泥土試樣高于水泥土1.52倍。