污水环境对水泥土渗透性能影响的试验研究

陈四利，杨雨林，周 辉，胡大伟

（1.沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，辽宁 沈阳 110870；2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071）

1 引 言

由于水泥土施工工艺简单、工期短、价格低廉而且还有低渗透和高强度的特点，目前，它不仅用于地基加固、基坑支护中的挡墙、大体积稳定土以及路基垫层，而且还被用于基坑工程中的防渗止水帷幕[1]。近些年，关于水泥土的渗透性我国学者进行了许多的研究。大多数学者采用标准环境制作养护水泥土进行渗透试验，研究龄期、水泥掺量比及添加剂对水泥土渗透性的影响[2-4]。陈四利等[5]研究了水泥土在冻融情况下力学和渗透特性。袁荣宏等[6]主要研究水泥土渗透系数随围压变化的试验。董凯赫[7]采用正交试验的方法分析渗透系数在水泥掺量、膨润土掺量、粉煤灰掺量影响下的变化规律。庞文台等[8]对复合水泥土进行了抗渗性能的试验研究。众所周知，水泥土防渗工程多数与地下水接触，然而，地下水大多含有腐蚀性介质具有侵蚀性，会导致水泥土防渗性能的降低甚至失效。在侵蚀性地下水地层中不仅要重视水泥土的使用安全性，还要重视水泥土施工制作时，地下水对水泥土的影响，特别是需要利用场地地下水直接成桩的粉喷水泥土的施工工艺，地下水的污染状况对成桩质量具有较大影响。现在许多学者越来越关注有关这方面的研究，如宁宝宽等[9-11]，陈四利等[12]，刘新等[13]，白晓红等[14]学者对水泥土在特定化学污染环境（不同化学溶液、不同浓度以及不同pH 值等）下的力学性质展开了有益的研究。然而，对腐蚀环境下水泥土的渗透性的研究还鲜有报道。众所周知，在实际工程中地下侵蚀环境不是单一的化学成分，是多种腐蚀介质的共同作用。因此，本文根据工程实际情况，考虑多种腐蚀性介质的影响，如污水环境下水泥土渗透特性的腐蚀效应，探讨水泥土渗透系数变化规律，对水泥土的渗透理论研究和对采用水泥土施工或加固的岩土工程都具有积极的意义。

为分析复杂环境对水泥土渗透性的影响，本文设计了水泥土配合比，并将水泥土试件分别置于污水和清水环境中养护，利用水泥土渗透仪进行水泥土的渗透试验。

2 试验方案及试件制备

2.1 试验材料和试样制备

试验采用强度等级为42.5 的普通硅酸盐水泥，其质量符合国家建材标准。试验所用土为沈阳市某地的粉质黏土，经过风干，碾压，并且通过2.0 mm筛，主要的物理力学性质指标如表1 所示。

表1 试验用土样主要物理性质指标Table 1 Main physical properties of soil specimen

清水采用自来水，污水取自沈阳某工程工地附近，该场地地下水受到了工业废水和生活污水的渗漏影响，污水检测后其主要化学成分如表2 所示，其pH 值为6.5。

表2 污水的化学成分Table 2 Chemical compositions of sewage

水泥土试件中的水泥掺量采取3 种配制形式，即水泥掺量分别为9%、12%、15% 3 种配合比试验，土、水泥、水（清水或污水）质量比分别为1 :0.09 :0.18，1 :0.12 :0.24，1 :0.15 :0.3。根据《水泥土配合比设计规程》[15]的要求，渗透试验试件采用截头圆锥行试模，尺寸为上口内径为70 mm，下口内径为80 mm，高度为30 mm。制备24 组，每组3 个试件，共计72 个试件。

这里需要说明的是，3 种配合比均分别用清水搅拌和污水搅拌，将他们充分搅拌后，装入试模中静置 24 h 脱模，清水搅拌的试件置于清水中养护（简称清水环境），污水搅拌的试件置于污水中养护（简称污水环境），室内温度约为16～26 ℃，分别养护至 30、60、90 和120 d 待用。试件养护情况如图1(a)所示。

2.2 试验方案

根据《水泥土配合比设计规程》[15]和试验设计的要求，进行水泥土试件渗透试验，主要仪器设备有水泥土渗透仪（YXSS-25 型）。如图1(b)所示。

对养护龄期为30、60、90、120 d 的试件进行渗透试验（试验温度为20 ℃）以获取渗透的相关参数。

图1 水泥土试件养护和渗透仪Fig.1 Curing of cemented soil specimens and penetration apparatus

3 试验结果及分析

3.1 水泥掺量对水泥土渗透性的影响

根据在污水和清水环境下不同水泥掺量、不同龄期水泥土渗透系数的变化规律，在水温T ℃时水泥土的渗透系数kT按下列计算：

式中：kT为水温T ℃时水泥土渗透系数（cm/s），精确至0.01×10-ncm/s；t为时间间隔（s）；A为试件中部横截面（cm2）；h为渗径，即试件高度（cm）；V为经时间间隔t 渗出的水量（mL）；i为水力梯度；p为施加的渗透压力（MPa）；γw为水的重度（N/cm3），取0.009 8 N/cm3。

如图2 所示，4 种龄期（30、60、90 和120 d），在清水环境下水泥土渗透系数随水泥掺量的增加而降低，水泥掺量为9%～12%区间的水泥土渗透系数降低幅度大于水泥掺量为12%～15%区间的水泥土渗透系数的降低幅度。污水和清水环境下的水泥土渗透系数变化趋势基本相同，但清水环境渗透系数明显小于污水环境的渗透系数。龄期120 d 时，水泥掺量为9%、12%和15%时的清水环境渗透系数分别为4×10-9、0.95×10-9和0.57×10-9cm/s，而污水环境渗透系数分别升至11.33×10-9、3.9×10-9和2.23×10-9cm/s。9%水泥掺量时污水环境渗透系数相对清水环境渗透系数增加7×10-9cm/s，12%水泥掺量时污水环境渗透系数相对清水环境渗透系数增加3×10-9cm/s，15%水泥掺量时污水环境渗透系数相对清水环境渗透系数增加1.66×10-9cm/s。

图2 水泥土在不同龄期渗透系数随水泥掺量的变化规律Fig.2 Permeability variations of cemented soil with cement content at different curing ages

上述分析表明，在清水和污水环境下增加水泥掺量都可以大量降低水泥土的渗透系数，但水泥掺量越大时，水泥土掺量的增加对水泥土的渗透系数影响越小。在不同龄期和不同水泥掺量下，污水环境对水泥土产生侵蚀作用，致使污水环境下水泥土的渗透系数大于清水环境下水泥土的渗透系数。水泥土的渗透系数随着水泥掺量的增加可以减缓污水环境对水泥土的腐蚀效应。

3.2 龄期对水泥土渗透系数的影响

图3 污水与清水环境水泥土渗透系数随龄期的变化规律Fig.3 Permeability variations of cemented soil in sewage and clean water environments with different curing ages

如图3 所示，3 种水泥掺量（9%、12%和15%），清水和污水环境在龄期60 d 前的渗透系数都是逐渐减小的，清水环境减小幅度略大于污水环境，结果表明，小于龄期60 d 污水环境对水泥土渗透系数的影响不大，随着龄期的增加其清水环境下的水泥土渗透系数逐渐减小，但减小幅度不大，逐步趋于平缓。而污水环境下随着龄期的增加，60 d 后水泥土渗透系数逐步增大，而且增大幅度越来越大。水泥掺量15%时龄期30、60、90 和120 d 时的清水养护渗透系数分别为 1.19×10-9、0.59×10-9、0.57×10-9和0.57×10-9cm/s，而污水养护分别升至1.6×10-9、1.4×10-9、1.51×10-9和2.93×10-9cm/s。龄期30 d的水泥土污水渗透系数上升了0.41×10-9cm/s，龄期 60 d 的水泥土污水渗透系数上升 0.81×10-9cm/s，龄期90 d 的水泥土污水渗透系数上升0.94×10-9cm/s，龄期120 d 的水泥土污水渗透系数上升2.36×10-9cm/s。

3.3 污水对水泥土腐蚀的渗透模型

如图4 所示，在清水环境下对于9%、12%和15%水泥掺量的水泥土随着龄期的增加，其水泥土的渗透系数均呈幂数减小，利用回归方法可得清水环境下水泥土渗透系数随龄期的回归方程分别为

式中：在清水环境下，kq9、kq12、kq15分别为水泥掺量9%、12%、15%的渗透系数（10-9cm/s）；t为龄期（d）；R2为相关系数。

图4 清水环境下水泥土渗透系数的变化规律Fig.4 Permeability variations of cemented soil in clean water environment

根据式（3）～（5）可得清水环境下水泥土的渗透系数随水泥掺量和龄期两个因素的回归方程为

式中：kq为清水环境下水泥土的渗透系数（10-9cm/s）；x为水泥掺量。

如图5 所示，在污水环境下对于9%、12%和15%水泥掺量的水泥土随着龄期的增加其水泥土的渗透系数均呈幂数减小，利用回归方法可得污水环境下水泥土渗透系数随龄期的回归方程分别为

式中：在污水环境下，kw9、kw12、kw15分别为水泥掺量9%、12%、15%的渗透系数（10-9cm/s）。

根据以上分析可知，对于污水环境下水泥土的渗透系数受到水泥掺量、龄期的影响，随着龄期的增加，水泥土的渗透系数均逐步增大。根据式（7）～（9）可得污水环境下水泥土的渗透系数随水泥掺量和龄期两个因素的回归方程为

式中：kw为污水环境下水泥土的渗透系数（10-9cm/s）。

图5 污水环境下60 d 之后水泥土渗透系数的变化规律Fig.5 Permeability variations of cemented soil in sewage environment after 60 days

3.4 水泥土渗透前的化学成分分析

在满足《土壤环境监测技术规范》[16]的要求下，分别切取渗透前试件的清水和污水环境0、90 和120 d 的3 种水泥掺入比水泥土试件上的土样，选择面朝下方的土样，将切下来的土样分别装入不同的塑料袋中密封。然后将取出的土样晒干压碎，取出100 g 土样并加入50 ml 蒸馏水，浸泡一段时间后，在震荡仪上震荡2 h，再用离心机把溶液离心1 h，用孔径为0.22 μm 的滤膜过滤掉废渣，用化学滴定法测定滤液中 Ca2+，Mg2+，Cl-，的浓度。

图6为不同水泥掺量水泥土中钙离子含量随龄期的变化规律，不论是清水还是污水环境，随着龄期的增加，水泥土中钙离子的含量越高、水泥掺量越多水泥土中的钙离子也越多，其影响也越大。图中数据表明，清水环境下水泥土中钙离子含量大于污水环境下水泥土中钙离子含量，这是因为污水环境下污水中部分离子会与水泥中钙离子发生反应，会阻碍水泥的水化水解反应，同时又与水泥水化后的产物发生二次反应，从而影响水泥土中的钙离子含量。

图6 不同水泥掺量下钙离子随龄期的变化规律Fig.6 Variations of Ca2+ concentration with curing age at different cement contents

图7为不同水泥掺量水泥土中镁离子含量随龄期的变化规律，无论是清水还是污水环境，同龄期（0、90 和 120 d）的水泥土随着水泥掺量的增大，其水泥土中镁离子的含量也增大。在清水环境下水泥土中的镁离子的含量随着龄期的增加而逐步减小，而污水环境下水泥土中的镁离子的含量随着龄期（个别龄期的数据测试失败）的增加而略有增大。对比分析可知，污水环境下水泥土中镁离子含量大于清水环境下镁离子含量。

图8为不同水泥掺量水泥土中硫酸根离子含量随龄期的变化规律。无论是清水还是污水环境，同龄期水泥土随着水泥掺量的增大，其水泥土中硫酸根离子的含量也增大。在清水环境下水泥土中硫酸根离子的含量随着龄期的增加而逐步减小，而污水环境下水泥土中硫酸根离子的含量随着龄期的增加而逐步增大。污水环境下水泥土中硫酸根离子含量大于清水环境下水泥土中硫酸根离子含量。这表明在养护和拌制时污水中的硫酸根离子对水泥土具有腐蚀作用。污水环境中含有，就会与水泥水化水解产物铝酸三钙发生反应，会生成钙矾石结晶，反应化学式为

图7 不同水泥掺量下镁离子随龄期的变化规律Fig.7 Variations of Mg2+ concentration with curing age at different cement contents

在污水环境下，水泥土水化初期，水化物中含有一定数量的钙矾石，当钙矾石带有结晶水时，其体积会增大，这样导致水泥土中的孔隙减少，提高了水泥土的强度和抗渗性。这也解释了为什么污水环境下水泥土在前30 d的强度和清水环境下水泥土强度几乎相等[17]。但随着水泥土水化时间的增加（>30 d），在水泥土中的含量充足的情况下，长时间的发生化学反应，钙矾石会大量的增加，水泥土体积不断地膨胀，导致水泥土开裂产生裂缝，从而降低水泥土的强度和抗渗性，试验结果表明，随着龄期的增加，污水环境下水泥土的强度和抗渗性越来越小。

图8 不同水泥掺量下硫酸根离子随龄期的变化规律Fig.8 Variations of SO42- concentration with curing age at different cement contents

图9为不同水泥掺量水泥土中氯离子含量随龄期的变化规律。试验数据表明，污水环境下水泥土中氯离子的含量大于清水环境下水泥土中氯离子含量。氯离子的含量随着龄期变化与硫酸根离子的含量变化规律相同。这表明在养护和拌制时污水中的氯离子对水泥土具有腐蚀作用。氯离子与水泥土反应化学式主要为

氯离子Cl-与CaO·Al2O3·6H2O发生化学反应生成无胶凝作用的水化铝酸钙，导致水泥土中的钙离子含量降低，致使氢氧化铝减少，抑制了钙矾石的增加。反应生成的疏松的水化铝酸钙包裹在反应物表面，阻碍水化物与氢氧化钙的反应，生成的胶凝物减少，从而影响水泥土的抗渗性。

图9 3 种水泥掺量下不同离子随龄期的变化规律Fig.9 Variations of Cl- concentration with curing age at different cement contents

4 结 论

（1）无论是清水还是污水环境，水泥土的渗透系数随着水泥掺量的增加而逐步减小，污水和清水环境下的水泥土渗透系数变化趋势基本相同，但清水环境渗透系数明显小于污水环境的渗透系数。

（2）当龄期 <60 d 时，无论是清水还是污水环境，水泥土的渗透系数均逐步减小，污水环境的渗透系数大于清水环境的渗透系数。当龄期 >60 d 时，随着龄期的增加其清水环境下的水泥土渗透系数逐渐减小，而污水环境下随着龄期的增加，其水泥土渗透系数逐步增大。

（3）根据试验数据，分别建立了清水环境和污水环境下水泥土的渗透系数随水泥掺量和养护龄期两个因素的回归曲线方程。

（4）分析主要离子含量表明，清水或污水环境随着水泥掺量增加，水泥土中的Ca2+，Mg2+，离子含量均增大，而且污水的Mg2+，离子含量增大的幅度大于清水的增长幅度。清水环境中的Mg2+，Cl-，离子含量逐步减小。而污水环境随着龄期增加Ca2+，Mg2+，Cl-，离子含量逐步增大，污水对水泥土产生腐蚀作用。

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