黄河三角洲改性含盐水泥土搅拌桩耐久性研究

崔新壮，张娜，王聪，车华桥，周亚旭

（山东大学土建与水利学院，山东济南 250061）

黄河三角洲作为中国最年轻的大河三角洲，广泛分布着以低液限粉土、含砂的亚黏土、粉砂土为主的沉积土，工程性质差.同时，地下水和土的矿化度很高，导致该地区水泥土搅拌桩复合地基受腐蚀严重，出现了许多工程问题.目前尚未有关黄河三角洲含盐水泥土（以下简称水泥土）劣化问题研究的报道.本文将通过室内试验研究水泥土的劣化规律，并通过掺加粉煤灰、矿渣微粉等对水泥土改性，研究其防腐机理与措施，为水泥土搅拌桩的耐久性设计提供技术支持.

1 黄河三角洲土水性质

为了解黄河三角洲典型区域土水的特性，在滨德高速K15＋200处钻芯取土样和水样进行了室内试验.分析发现，地基土主要为粉土，具有低液限、高含水率、低强度等特点，其压缩系数大于0.5MPa－1，为高压缩性粉土.采用JXA－8800R 型电子探针对土样颗粒微观结构进行了分析，如图1所示.与普通粉土相比，黄河三角洲粉土颗粒磨圆度较高，针片状颗粒少，经水的长时间浸泡侵蚀、颗粒撞击和水流冲刷作用，颗粒表面破碎、剥蚀严重.

表1 0.5m 深处地下水的物理、化学指标Table 1 Physical and chemical indices of the groundwater at the depth of 0.5m mg／L

2 含盐水泥土强度试验

2.1 原材料与试件制备

水泥土土样取自滨德高速公路K15＋200处、清表后1.0～1.5m 深处的含盐土，水样为地表下约0.5m 深处的含盐水.水泥采用东岳水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰（FA）采用一级粉煤灰，矿渣微粉（GGBS）质量符合DB 31／T35《混凝土和砂浆用粒化高炉矿渣微粉》规定.按照JTJ 057—1994《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》制作试件.

2.2 试验方案

试验采用养护室养护与盐水浸泡养护2种养护方式，其中养护室养护模拟黄河三角洲地下水位以上的地下环境，盐水浸泡养护模拟黄河三角洲地下水位以下的地下环境.水泥土强度试验方案如表2所示，其中正常水泥土试件是原位土料经3次水洗，用水泥加固后浸泡在淡水中进行养护，其他试件均在盐水中养护.在未改性水泥土中，水泥占土的质量分数为17.58%，改性时，将粉煤灰、矿渣微粉等质量替代水泥.

表2 水泥土强度试验方案Table 2 Soil－cement strength test project

3 室内强度试验结果及分析

3.1 水泥土劣化规律分析

3.1.1 抗拉强度

图3为正常水泥土与含盐水泥土在不同养护环境下抗拉强度随龄期的变化曲线.由图3可见，在养护室环境下，含盐水泥土与正常水泥土抗拉强度差异不大，说明盐对水泥土抗拉强度的影响不是很明显.在浸泡环境下，28，180d龄期含盐水泥土分别与正常水泥土抗拉强度相同，90d龄期含盐水泥土抗拉强度大于正常水泥土.总的来说，盐分的存在并没有使水泥土的抗拉强度降低.同时，养护环境对水泥土抗拉强度的影响较小，2种养护环境下水泥土的抗拉强度相差不大.

图3 水泥土抗拉强度随龄期的变化曲线Fig.3 Variation curves of tensile strength with time

3.1.2 抗压强度

图4为正常水泥土与含盐水泥土在不同养护环境下抗压强度随龄期的变化曲线.由图4可见，在养护室环境下，含盐水泥土初期抗压强度低于正常水泥土，90d龄期时两者基本相同，但是，180d龄期时，含盐水泥土抗压强度高于正常水泥土.这是由于水泥土在养护室经正常水化作用后，水中的盐析出并填充在水泥土的孔隙中使水泥土密实，从而使抗压强度得到提高，而这一过程需要一定的时间，所以在后期这种密实作用才发挥出来.

图4 水泥土抗压强度随龄期的变化曲线Fig.4 Variation curves of compressive strength with time

与养护室养护环境相比，在浸泡环境下，含盐水泥土的抗压强度一直低于正常水泥土，并且在90d龄期后，含盐水泥土的抗压强度增长较小.研究［8］表明，正常水泥土试件无侧限抗压强度随龄期的对数近似线性增长，其5a龄期的强度约为28d龄期的2～5倍.对浸泡于盐水中的含盐水泥土试件，由于盐水的作用，盐与水泥水化产物发生反应，反应产物强度低，且体积膨胀，使水泥土从表层剥落劣化，导致强度下降.在浸泡条件下，90，180d龄期的含盐水泥土抗压强度相对正常水泥土分别下降了18.5%，21.6%.由此可见，在地下水位以下，水泥土搅拌桩长期被盐水浸泡，其表层会逐渐劣化，导致抗压强度越来越低，从而使水泥土桩体乃至复合地基的承载力降低.

3.2 粉煤灰抑制含盐水泥土劣化效应分析

图5为不同粉煤灰掺量的水泥土在不同养护环境下抗压强度随龄期的变化曲线.由图5可见，含盐水泥土抗压强度总体上随着粉煤灰掺量的增大而逐渐降低.在养护室环境下，水泥土抗压强度随着龄期的延长而增大，但增大的速率要小于在盐水中浸泡的水泥土.在盐水浸泡环境下，当粉煤灰掺量为40%时，水泥土后期抗压强度增大速率最快，180d龄期其抗压强度已接近全水泥固化的情况.这说明添加粉煤灰有利于盐水环境下水泥土后期强度的增长，从而提高了含盐水泥土后期抗腐蚀与抗劣化的能力.

图5 不同粉煤灰掺量水泥土抗压强度随龄期的变化曲线Fig.5 Variation curves of compressive strength of fly－ash modified soil－cement with time

粉煤灰属于活性混合材料，与水拌和后不发生水化及凝结硬化，但在氢氧化钙饱和溶液中，会发生显著的水化反应，即火山灰反应，使游离消石灰减少或消除，可提高水化硅酸钙胶凝物质的质量，从而使强度得以大幅提高.然而，火山灰反应在时间上滞后于水泥的主体水化反应.同时，由于粉煤灰本身的活性以及早期生成物的强度都不及水泥，所以掺加粉煤灰后水泥土的早期强度低于只掺加水泥的水泥土.不过，随着粉煤灰与水、土颗粒反应的进行，其后期强度会逐渐提高.

用粉煤灰替换部分水泥，既减少了水泥用量，又减少了水泥土受腐蚀的内部因素.粉煤灰中的SiO2和Al2O3在水泥土孔隙中与水泥的水化产物发生反应，其生成物填充、分割原来的大孔隙，使孔隙细化，从而降低水泥土的渗透性，阻碍侵蚀性介质的侵入，可有效提高水泥土的抗腐蚀性.

3.3 矿渣微粉抑制含盐水泥土劣化效应分析

为了弥补粉煤灰早期强度的不足，在水泥土中掺加了矿渣微粉.图6为不同矿渣微粉掺量的水泥土在不同养护环境下抗压强度随龄期的变化曲线.由图6可见，含盐水泥土抗压强度随着矿渣微粉掺量的增加而增加，当矿渣微粉替代40%水泥后，其抗压强度显著提高.特别是在浸泡养护条件下，当矿渣微粉掺量达到40%时，其抗压强度与正常水泥土相当.所以，为了防止水泥土劣化，工程中建议用粉煤灰和矿渣微粉等质量替代60%的水泥，而且矿渣微粉的掺量不小于40%.

采用矿渣微粉取代部分水泥能够有效减轻腐蚀，是因为添加矿渣微粉后减少了水泥的用量，从而减少了易腐蚀成分（氢氧化钙和铝酸三钙）的含量，使水泥土“低钙”.另外，矿渣微粉中含有活性成分，在碱性环境中会产生二次反应，这也可降低氢氧化钙的含量，提高水泥土的抗腐蚀性能.矿渣微粉抗腐蚀的机理和粉煤灰抗腐蚀的机理类似.

4 水泥土SEM 分析

将水泥土密封养护7d，置于盐水中浸泡21d后，采用日立扫描电子显微镜对改性和未改性水泥土的微观结构进行了SEM 分析，结果见图7.由图7可见，水泥土未改性前内部孔隙较大，呈颗粒状结构，有较多针棒状的钙矾石晶体穿插在土颗粒间.用粉煤灰改性后，水泥土内部孔隙较小，呈卷状结构，针棒状的钙矾石较少，这有利于后期强度的保持.在粉煤灰掺量不变的情况下，用矿渣微粉代替部分水泥后，水泥土内部孔隙更小，卷状物叠合紧密，钙矾石生成明显减少，水泥土强度提高.

5 水泥土XRD分析

将水泥土密封养护7d，置于盐水中浸泡21d后，采用DPMAX2550X 射线衍射仪对不同水泥土进行了XRD 分析，水泥土中各组分晶体的含量如表3所示，其XRD 图谱见图8.由表3可以看出，水泥土改性后，对强度有利的C－S－H和C－A－H 增多，说明粉煤灰和矿渣微粉对水泥土的劣化起到了显著的抑制效应.

表3 水泥土中的主要化学及矿物组成Table 3 Component（by mass）of the soil－cement %

图8 不同水泥土X 射线衍射图谱Fig.8 X－ray diffraction patterns of different soil－cement

6 结论

（1）黄河三角洲地下盐水对水泥土有显著的腐蚀效应.与正常水泥土相比，90，180d盐水浸泡水泥土的抗压强度分别降低了18.5%，21.6%.

（2）粉煤灰的掺加对水泥土的早期强度不利，但会使其后期强度持续增加.

（3）矿渣微粉对水泥土强度有很明显的提升作用.同时，矿渣微粉有很强的抗腐蚀作用，能有效抑制盐水区水泥土劣化，是水泥土理想的改性剂.

（4）在黄河三角洲高含盐地下水环境下，为了防治水泥土搅拌桩承载性能劣化，可用粉煤灰和矿渣微粉等质量代替60%的水泥，且矿渣微粉掺量不小于40%.

［1］TERASHI M.Fundamental properties of lime and cement treated soil（3rd report）［J］.Report of the Port and Harbour Research Institute，1983，22（1）：69－96.

［2］SAITOH S.Experimental study of engineering properties of cement improved ground by deep mixing method［D］.Tokyo：Nihon University，1988.

［3］黄新.水化产物钙矾石在软土地基加固中的增强作用［J］.硅酸盐学报，2000，28（4）：299－302.HUANG Xin.Strength enhancement effect of ettringite in soil stabilization［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2000，28（4）：299－302.（in Chinese）

［4］陈四利，宁宝宽，刘一芳，等.化学侵蚀下水泥土的无侧限抗压强度试验［J］.新型建筑材料，2006（6）：40－42.CHEN Si－li，NING Bao－kuan，LIU Yi－fang，et al.Compressive strength test of soil cement without lateral confinement under chemical corrosion［J］.New Building Materials，2006（6）：40－42.（in Chinese）

［5］邢皓枫，徐超，叶观宝，等.可溶盐离子对高含盐水泥土强度影响的机理分析［J］.中国公路学报，2008，21（6）：26－30.XIN Hao－feng，XU Chao，YE Guan－bao，et al.Mechanism analysis of influence of soluble salt ions on strength of saltrich cement－soil［J］.China Journal of Highway and Transport，2008，21（6）：26－30.（in Chinese）

［6］储诚富，洪振舜，刘松玉.用似水灰比对水泥土无侧限抗压强度的预测［J］.岩土力学，2005，26（4）：37－42.CHU Cheng－fu，HONG Zhen－shun，LIU Song－yu.Prediction of unconfined compressive strength of cemented soils with quasi－water－cement ratio［J］.Rock and Mechanics，2005，26（4）：37－42.（in Chinese）

［7］叶观宝，陈望春，徐超，等.水泥土添加剂的室内试验［J］.中国公路学报，2006，19（5）：12－17.YE Guan－bao，CHEN Wang－chun，XU Chao，et al.Test on additive of cement－soil in laboratory［J］.China Journal of Highway and Transport，2006，19（5）：12－17.（in Chinese）

［8］刘松玉，钱国超，章定文.粉喷桩复合地基理论与工程应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，2006：68.LIU Song－yu，QIAN Guo－chao，ZHANG Ding－wen.The principle and application of dry jet mixing composite foundation［M］.Beijing：China Architecture and Building Press，2006：68.（in Chinese）