硫酸钠溶液对水泥土抗剪强度的影响试验

陈四利，张精禹，宁宝宽，杨雨林，魏 星，吴依涵

(沈阳工业大学建筑与土木工程学院，辽宁沈阳 110870)

由于水泥土材料来源广泛、性能良好、施工方便且价格低廉，在基坑挡土墙、防渗墙以及路基加固等工程中得到广泛应用［1］。然而，对于大多数地下水泥土工程来说，由于其直接与地下水等溶有腐蚀性介质的环境接触，如在地下水中常溶有一定浓度的Mg2+、Ca2+、SO2-4、Cl-、CO23-等离子，这些环境侵蚀溶液通过与水泥土发生物理-化学等相互作用，会导致水泥土材料的劣化甚至失效破坏，最终影响水泥土工程结构的安全性和耐久性。因此，开展有关水泥土在复杂环境中的力学特性方面的研究是非常必要的。近年来，国内外学者开展了大量的相关研究，如Kongsukprasert等［2-7］对水泥土的力学特性进行了试验和分析，而宁宝宽等［8-14］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)下进行了水泥土的试验，研究了不同环境对水泥土力学特性的腐蚀效应，获得了有益的结果。本文通过试验研究探讨硫酸钠溶液对水泥土抗剪强度的影响，分析不同浓度硫酸钠溶液、腐蚀时间对抗剪强度影响的变化规律。

1 试验方案

为分析复杂环境对水泥土力学特性的影响，设计了硫酸盐溶液腐蚀水泥土的室内试验。

1.1 水泥土的配合比

试验用原状土取自沈阳市某路基地的粉质黏土，该土在自然状态下呈软塑状态，其主要物理性质指标如下:含水量 27.0%，密度 1.92 t/m3，液限35.0%，塑限19.4%，塑性指数15.6，液性指数0.58。

选用强度等级为32.5的矿渣硅酸盐水泥，为了探讨细砂含量对水泥土抗剪强度的影响，掺入了一定比例的细砂，水泥土中水泥、粉质黏土、细砂和水的掺量质量比例为1∶5∶3.33∶1.82。

1.2 水泥土试样制备

将水泥、粉质黏土以及细砂置于搅拌机中均匀搅拌，搅拌均匀后装入直径60 mm、高40 mm的钢模中成型并编号，24 h后脱模，置于清水的器皿中养护，室内温度为22～28℃，水泥土试件养护60 d后待用。

1.3 硫酸钠溶液对水泥土的腐蚀效应试验

在不同器皿中分别配制0.1 mol/L、0.3 mol/L、0.5 mol/L硫酸钠溶液;将养护60 d后的水泥土试件放入配置好的硫酸钠溶液中进行腐蚀试验。水泥土试件与硫酸钠溶液之间的质量比大于2，腐蚀时试件不能相互接触。

1.4 水泥土试件的直剪试验

根据JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》的要求进行试件的直剪试验，主要仪器设备为ZJ型应变控制式直剪仪，并对腐蚀6 d、10 d、15 d后的水泥土试件进行无固结排水剪切试验。试验主要步骤如下:①装好试件，根据试验设计分别施加法向应力100 kPa、200 kPa、400 kPa;②施加法向荷载后，以1.2 mm/min的速率剪切土样;③剪切结束，按以下公式计算抗剪强度:

式中:τf为试样的抗剪强度，kPa;C为测力计校正系数，N/mm;R为剪切时测力计量表读数，mm;A0为剪切面面积，cm2。

2 试验结果及分析

2．1 腐蚀后试件直剪破坏特征

图1 0.3 mol/L硫酸钠溶液腐蚀的水泥土剪断后表面特征

水泥土试件在 0.1 mol/L、0.3 mol/L、0.5 mol/L硫酸钠溶液中分别经过6d、10 d、15 d腐蚀后，进行了相应的无固结排水剪切试验。由于腐蚀时间不同，试件剪断后的破裂特征略有不同，图1为0.3 mol/L硫酸钠溶液腐蚀的试件剪断后表面特征，可以看出，腐蚀6 d后的水泥土试件断裂面相对平整，只有细微的不整齐断裂现象，腐蚀10 d后的水泥土试件断裂面有明显的不整齐断裂现象，而腐蚀15 d后的水泥土试件断裂面有凸凹不平断裂现象。

2.2 应力对水泥土抗剪强度的影响

图2为不同浓度硫酸钠溶液、腐蚀时间分别为6 d、10 d和15 d时抗剪强度随法向应力的变化情况，可以看出，对于在不同浓度硫酸钠溶液中腐蚀的试件，随着法向应力的增大，其抗剪强度逐步增大，且其变化呈线性规律，可用直线拟合。

图2中的回归直线与横坐标的夹角即为内摩擦角，与纵坐标的截距即为黏聚力。从拟合直线可以看出，同一种浓度硫酸钠溶液、不同腐蚀时间所对应的抗剪强度变化拟合直线的斜率变化不大(图2(a)由于试验误差等原因略有变化)，对同一种浓度硫酸钠溶液，其水泥土的内摩擦角随腐蚀时间变化不大，但对黏聚力影响较大。

2.3 腐蚀时间对水泥土抗剪强度的影响

图3为水泥土抗剪强度随腐蚀时间变化情况，可见，不论何种浓度硫酸钠溶液，随着腐蚀时间的增加，水泥土抗剪强度逐步降低，即对同一种浓度硫酸钠溶液，随着腐蚀时间的增加，对水泥土的抗剪强度的腐蚀效应增大。

2.4 硫酸钠溶液浓度对水泥土抗剪强度的影响

图4为硫酸钠溶液浓度对抗剪强度的影响，可以看出，不同硫酸钠溶液浓度对水泥土抗剪强度产生不同的影响，随着硫酸钠溶液浓度的增大，水泥土抗剪强度逐步降低。

图2 水泥土抗剪强度随法向应力的变化

图3 水泥土抗剪强度随腐蚀时间的变化

图4 水泥土抗剪强度随硫酸钠溶液浓度的变化

3 结论

a．水泥土的抗剪强度随着硫酸钠溶液浓度的增加而逐步降低，相应内摩擦角和黏聚力也逐步降低。

b．硫酸钠溶液浓度不变时，水泥土抗剪强度随着硫酸钠溶液腐蚀时间的增加而逐步降低，黏聚力也逐步降低，腐蚀对黏聚力影响较大，而对内摩擦角影响很小。

［1］龚晓南.复合地基设计和施工指南［M］.北京:人民交通出版社，2003:1-20.

［2］KONGSUKPRASERT L.TATSUOKA F，TAKAHASHI H.Effects of curing period and stress conditions on the strength and deformation characteristics of cement-mixed soil［J］.Soils and Foundations，2007，47(3):577-596.

［3］童小东，龚晓南，蒋永生.水泥土的弹塑性损伤试验研究［J］.土木工程学报，2002，35(4):82-85.(TONG Xiaodong， GONG Xiaonan， JIANG Yongsheng.Experimental study on elasto plastic damage of cemented soil［J］.China Civil Engineering Journal，2002，35(4):82-85.(in Chinese))

［4］郝巨涛.水泥土材料力学特性的探讨［J］.岩土工程学报，1991，13(3):53-59.(HAO Jutao.The discuss of mechanical properties of cemented soil［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1991，13(3):53-59.(in Chinese))

［5］王军，丁光亚，潘林有，等.静三轴试验中水泥土力学特性及本构模型研究［J］.岩土力学，2010，31(5):1407-1412.(WANG Jun，DING Guangya，PAN Linyou，et al.Study of mechanics behavior and constitutive model of cemented soil under static triaxial tests［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31(5):1407-1412.(in Chinese))

［6］梁仁望，张明，白晓红.水泥土的力学性能试验研究［J］.岩 土 力 学，2001，22(2):211-213.(LIANG Renwang，ZHANG Ming， BAI Xiaohong.Analysis of laboratory test results of cemented soil［J］.Rock and Soil Mechanics，2001，22(2):211-213.(in Chinese))

［7］艾志伟，邓通发.水泥土强度的影响因素研究进展［J］.公路，2014(1):195-199.(AI Zhiwei，DENG Tongfa.Research progress of influence factors on strength of cement soil［J］.Highway，2014(1):195-199.(in Chinese))

［8］宁宝宽，陈四利，刘斌，等.环境侵蚀下水泥土的力学效应试验研究［J］.岩土力学，2005，26(4):600-603.(NING Baokuan， CHEN Sili， LIU Bin， etal.Experimental study of cemented soil under environmental erosion［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26(4):600-603.(in Chinese))

［9］宁宝宽，陈四利，丁梧秀，等.环境侵蚀下水泥土的强度及细观破裂过程分析［J］.岩土力学，2009，30(8):2215-2219.(NING Baokuan，CHEN Sili，DING Wuxiu，et al.Analysis of meso-fracture process of cemented soil under environmental erosion ［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30(8):2215-2219.(in Chinese))

［10］宁宝宽，刘斌，陈四利.环境侵蚀对水泥土桩承载力影响的试验及分析［J］.东北大学学报:自然科学版，2005，26(1):95-98.(NING Baokuan，LIU Bin，CHEN Sili.Bearing capacity study of cement-mixed soil pile under environmental erosion［J］.Journal of Northeastern University:Natural Science，2005，26(1):95-98.(in Chinese))

［11］陈四利，宁宝宽.岩土材料的环境效应［M］.北京:冶金工业出版社，2010:17-69.

［12］陈四利，史建军，于涛，等.冻融循环对水泥土力学特性的影响［J］.应用基础与工程科学学报，2014，22(2):343-349.(CHEN Sili，SHI Jianjun，YU Tao，et al.Effect of freezing-thawing cycle on the mechanical behaviors of cemented soil［J］. JournalofBasic Science and Engineering，2014，22(2):343-349.(in Chinese))

［13］刘新，张文博，齐园园，等.硫酸钠对水泥土强度影响的机理分析［J］.中国科技论文，2014，9(3):347-350.(LIU Xin， ZHANG Wenbo， QI Yuanyuan， et al.Mechanism of analysis of the effects of sodium sulfate on the strength of cement soil［J］.China Sciencepaper，2014，9(3):347-350.(in Chinese))

［14］白晓红，赵永强，韩鹏举，等.污染环境对水泥土力学特性影响的试验研究［J］.岩土工程学报，2007，29(8):1260-1263.(BAI Xiaohong，ZHAO Yongqiang，HAN Pengju，et al.Experimental study on mechanical property of cemented soil under environmental contaminations［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007，29(8):1260-1263.(in Chinese))