史晋荣, 高彦斌
(1. 山西建工建筑工程检测有限公司, 山西 太原 030006; 2. 同济大学 地下建筑与工程系, 上海 200092)
氯化物侵蚀对水泥土力学性能影响的试验研究
史晋荣1, 高彦斌2
(1. 山西建工建筑工程检测有限公司, 山西 太原 030006; 2. 同济大学 地下建筑与工程系, 上海 200092)
摘要:针对目前氯化物侵蚀溶液对水泥土力学性能的影响较为复杂的现状, 基于氯化物对水泥土影响的机理设计了一种可模拟室外氯化物在水泥土内的离子环境进行试验. 该方法采用氯化钠和氯化镁溶液进行模拟试验分析, 溶液浓度分别采用0, 1.5, 3和6 g/L, 浸泡时间分别为7, 14和28 d, 在试验过程中不定期对溶液的各种离子浓度进行监测, 并测定不同浸泡时间下水泥土的抗压强度和变形. 试验结果表明, 钠离子对水泥土的强度和变形影响小, 而镁离子对水泥土的强度和变形影响较大.
关键词:水泥土; 氯离子; 钠离子; 镁离子; 抗压强度
0引言
水泥土是一种应用于地基中的固结体材料, 水泥土的主要成分包括水泥、 水和骨料(土). 水泥土具有施工方便、 价格低廉的显著特点而被广泛应用于沿海或隧道等软土地基中, 通常采用深层搅拌法和高压旋喷法进行施工[1-2]. 由于水泥土主要应用于地基中, 所处环境较为复杂, 尤其在沿海城市中应用较多, 地基中包含的氯离子等侵蚀性物质较多, 因此研究水泥土在氯离子侵蚀环境下的力学性能和耐久性极为必要. 岩土工程研究人员曾经对硫酸盐物质对水泥土的力学性能和导电性的影响进行研究[3-10], 但并未涉及镁离子对水泥土的影响进行研究. 本文主要通过试验模拟分析、 人工制作氯化钠和氯化镁溶液对水泥土进行不同时间的浸泡侵蚀, 以及对水泥土试件进行单轴受压试验, 分析研究氯离子对水泥土力学性能的影响和侵蚀机理[11-13].
1试验准备及试验过程
1.1水泥土配合比及原材料选用
水泥土所用砂土为普通工业粉细砂土, 砂土液限为25%, 塑限为20.1%, 塑性指数为8.9; 水泥土所用水泥为P.O42.5级普通硅酸盐水泥. 水泥土相对配合比为土∶水泥∶水=10∶2∶5(g).
1. 2溶液配制
根据GB50021-2001《岩土工程勘察规范》, 将浸泡水泥土的溶液主要配备为清水和不同浓度的氯离子等7种溶液, 其中氯化镁和氯化钠溶液的浓度见表 1 所示. 氯化镁试剂为潍坊新洁化工有限公司生产的高浓度氯化镁试剂,MgCl2纯度高于98%,pH值为5.0~6.5; 氯化钠试剂为北京康普汇维科技有限公司生产的纯度为99.5%的氯化钠,pH值为5.0~8.0. 浸泡水泥土的容器为自制玻璃容器, 每个玻璃容器可放置3个水泥土试件, 溶液高度为可浸没试件顶部30mm左右.
表 1 氯化镁和氯化钠浓度
1.3试件制作和养护
水泥土的水灰比为0.58, 将粉细砂土、 水泥、 水按1∶0.15∶0.67的比例进行配置, 统一采用水泥胶砂搅拌机进行搅拌, 搅拌完成后装入高100mm、 直径50mm的标准模具中. 其中水泥土入模时分为2次入模, 首先入模一半后在小型振动台上振捣90s后再进行后续入模, 入模完成后再振捣90s后最终将试件抹平, 待试件固结后进行拆模. 拆模后将水泥土试件置于标准养护(20±1 ℃, 90%湿度)28d后放入氯离子溶液中进行浸泡.
1.4溶液离子浓度监测
水泥土试件浸泡开始后对浸泡溶液进行两天一次的定期氯离子监测, 试件一共浸泡28d, 检测方法采用硝酸银滴定法; 而镁离子和钠离子则通过离子色谱法将所采集的溶液样本稀释100倍后进行测定.
1.5浸泡后试件的抗压强度试验
水泥土试件浸泡完成后对其进行单轴受压试验, 每组试件采用三个相同条件的平行试件进行抗压试验. 水泥土的变形通过位移计进行检测.
2试验结果及分析
2.1抗压试验结果及分析
在氯化钠溶液中浸泡后的试件经过抗压试验后得到的水泥土强度、 变形与氯化钠溶液的浓度关系如图 1 和图 2 所示.
图 1 氯化钠溶液浓度与水泥土抗压强度关系曲线图Fig.1 Relationship of sodium chloride solution concentration and cement soil compressive strength
图 2 氯化钠溶液浓度与水泥土变形关系曲线图Fig.2 Relationship of sodium chloride solution concentration and cement soil deformation history
由图 1 可知, 水泥土在氯化钠溶液中浸泡随着溶液浓度的增大水泥土的抗压强度也随之增加, 并且随着养护龄期的增长水泥土的抗压强度也随之增长. 同样, 水泥土的变形量同抗压强度有着相同的规律变化, 水泥土的变形量与氯化钠溶液浓度的变化关系如图 2 所示.
在氯化镁溶液中浸泡后的试件经过抗压试验后得到的水泥土强度、 变形与氯化钠溶液的浓度关系如图 3 和图 4 所示.
图 3 氯化镁溶液浓度与水泥土抗压强度关系曲线图Fig.3 Relationship of magnesium chloride solution concentration and cement soil compressive strength
图 4 氯化镁溶液浓度与水泥土变形关系曲线图Fig.4 Relationship of magnesium chloride solution concentration and cement soil deformation history
由图 3 可知, 水泥土在氯化镁溶液中浸泡后随着溶液浓度变化水泥土的抗压强度也随之变化, 当龄期为28d, 氯化镁溶液的浓度达到1.5g/L时, 水泥土的抗压强度为最高, 当氯化镁溶液的浓度超过1.5g/L后, 抗压强度随着氯化镁浓度的增加而降低. 而相比7d养护下, 水泥土的抗压强度随着氯化镁溶液浓度的增加先迅速增加而后保持缓慢增加状态. 水泥土的变形量同样也是随着氯化镁溶液浓度的增加而发生变化, 变化规律同抗压强度变化关系类似, 具体关系变化如图 4 所示.
2.2溶液离子浓度监测结果及分析
试验过程中三种不同浓度的氯化钠溶液的监测结果见图 5~图 7.
图 5 1.5 g/L浓度的氯化钠浸泡溶液离子浓度与水泥土浸泡时间关系图Fig.5 Relationship between ion concentration of 1.5 g/L sodium chloride solution and soaking time of cement soil
图 6 3 g/L浓度的氯化钠浸泡溶液离子浓度与水泥土浸泡时间关系图Fig.6 Relationship between ion concentration of 3 g/L sodium chloride solution and soaking time of cement soil
图 7 6 g/L浓度的氯化钠浸泡溶液离子浓度与水泥土浸泡时间关系图Fig.7 Relationship between ion concentration of 6 g/L sodium chloride solution and soaking time of cement soil
通过上述图表可知:在所有氯化钠溶液中, 当水泥土浸泡7d后氯离子浓度分别减少20.43%, 31.55%和33.33%; 当水泥土浸泡14d后氯离子浓度分别减少21.51%, 37.97%和60.00%; 当水泥土浸泡28d后氯离子分别损耗38.71%, 59.89%和 74.67%. 从三种不同时间的浸泡试件可知, 随着氯化钠溶液浓度的增加, 水泥土试件吸收的氯离子量也越多. 并且随着水泥土试件浸泡时间的延长, 水泥土消耗氯离子量也逐渐增加. 而水泥土7d消耗钠离子量为34.48%, 31.62%和38.3%; 14d消耗钠离子量为37.93%, 48.72% 和61.70%; 28d消耗钠离子量为62.07%, 65.81%和76.60%. 由上述数据对比可知水泥土吸收钠离子量远高于氯离子量, 这表明钠离子在溶液中的移动速度和活跃度远大于氯离子, 并且随着溶液浓度的增加, 离子迁移速度也随之增加; 而随着时间的增加, 水泥土吸收的离子量也增加, 溶液中剩余的离子量降低, 离子的移动速度也逐渐降低.
试验过程中三种不同浓度的氯化镁溶液的浓度监测结果见图 8~图 10.
图 8 1.5 g/L浓度的氯化镁浸泡溶液离子浓度与水泥土浸泡时间关系图Fig.8 Relationship between ion concentration of 1.5 g/L magnesium chloride solution and soaking time of cement soil
图 9 3 g/L浓度的氯化镁浸泡溶液离子浓度与水泥土浸泡时间关系图Fig.9 Relationship between ion concentration of 3 g/L magnesium chloride solution and soaking time of cement soil
图 10 6 g/L浓度的氯化镁浸泡溶液离子浓度与水泥土浸泡时间关系图Fig.10 Relationship between ion concentration of 6 g/L magnesium chloride solution and soaking time of cement soil
通过上述数据关系可知:在所有氯化镁溶液中, 当水泥土浸泡7d后氯离子量分别减少21.74%, 29.52%和23.06%; 当水泥土浸泡14d后氯离子分别损耗40.87%, 32.16%和33.48%; 当水泥土浸泡28d后氯离子分别损耗46.09%, 55.95%和49.00%. 从而可知, 水泥土在氯化镁溶液中吸收的氯离子量与氯化镁溶液中氯离子的浓度基本无关. 并且随着时间的推移, 水泥土单位时间内吸收的氯离子量也逐渐减少. 水泥土7d消耗镁离子量为18.33%, 26.67%和33.33%; 14d消耗钠离子量为40.28%, 32.80%和35.33%; 28d消耗钠离子量为41.67%, 34.67%和37.33%. 同样根据数据可知, 在氯化镁溶液中水泥土消耗镁离子量远高于氯离子量, 并且镁离子的消耗量也和氯化镁溶液的浓度基本无关, 同样水泥土单位时间内吸收的镁离子量也是随着时间的推移而逐渐减少. 因此, 在氯化镁溶液中, 镁离子的活跃度和运动速度也高于氯离子, 但是随着氯化镁溶液浓度的增加, 离子活跃度和运动速度并未提高, 而是随着时间的推移开始逐渐下降.
2.3水泥土在溶液内浸泡后的综合分析
1) 根据上述数据对比分析可知, 在氯离子溶液中, 钠离子的运动速度和活跃度远高于氯离子和镁离子. 在水泥土水化反应中水泥生成水化物C-S-H凝胶, 可吸附氯化钠溶液中的钠离子, 最后通过化学键结合于胶凝材料的反应物结构中. 而一般土体的外表面通常带有负电荷, 这些负电荷围绕土粒可形成电场, 吸附部分钠离子或镁离子等正离子在其周围以保证电离子平衡.
2) 从氯化钠溶液浸泡试验和强度试验可知, 当氯化钠溶液的浓度不同而浸泡时间相同时, 水泥土试件的抗压强度随着溶液浓度的增加而增加, 同样水泥土试件的变形也随着氯化钠溶液浓度的增加而增加. 水泥土试件的抗压强度随着氯化钠溶液浓度的增加而增加的主要原因是由于氯离子与水泥水化物生成CaCl2·6H2O结晶, 而这种结晶进入水泥土中可增加水泥土的吸附力和抗压强度. 通过对氯化钠溶液离子浓度的监测结果可知, 随着氯化钠溶液浓度的增加, 氯化钠溶液中的氯离子损失量也逐渐增加, 符合上述理论分析, 同样也符合化学反应中反应物质浓度的增高反应速率越快的理论.
3) 由氯化镁溶液浸泡试验和强度试验可知, 随着水泥土在氯化镁溶液中浸泡时间的增加, 水泥土的抗压强度和变形出现先增加后降低的趋势. 通过对比溶液中的镁离子和钠离子可知, 在氯化钠溶液中钠离子并未与水泥土进行化学反应, 因此对强度并未有较大影响, 而根据氯化镁溶液中浸泡的水泥土抗压强度测定和镁离子监测可知导致水泥土强度下降的原因是由于镁离子的存在所致.
水泥土在氯化镁溶液中强度降低主要是由于镁离子对水泥水化产物与氯离子生成CaCl2·6H2O结晶的过程的抑制作用. 从化学反应的原理中可知, 镁离子可与水泥水化反应形成松软无粘结力的氢氧化镁胶体, 由于氢氧化镁胶体的溶解度较低, 因此在水泥水化物的孔隙中沉积, 对水泥土的孔隙形成填充作用. 并且镁离子与水泥水化产物的氢氧化钙产生化学反应形成氢氧化镁, 使得溶液的pH值降低, 减少了水泥的重要水化产物硅酸钙和水化铝酸钙的产生, 从而导致水泥土的强度降低. 因此, 相比氯离子、 钠离子和镁离子可知其中镁离子对水泥土的影响较大、 侵蚀性较强, 在工程实际中应避免镁离子的出现而对水泥土的强度造成影响.
3结论
通过对上述试验分析可得以下结论:
1) 在氯化钠和氯化镁溶液中, 镁离子对水泥土的力学性能影响最大, 而钠离子对水泥土的力学性能影响最小.
2) 水泥土在氯化钠溶液中随着浸泡天数和氯化钠溶液浓度的增加其强度也随之增加; 而水泥土在氯化镁溶液中随着浸泡天数和氯化镁溶液浓度的增加强度先增加后降低.
3) 氯化镁溶液对水泥土侵蚀的机理是镁离子与水泥水化产物反应生成氢氧化镁胶体, 此胶体溶解度低, 沉积在水化产物孔隙中降低水泥土的力学性能.
4) 氯化镁对水泥土强度影响最大, 因此在施工时应避免在具有镁离子的土壤中进行水泥土施工.
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文章编号:1673-3193(2016)04-0430-06
收稿日期:2015-06-11
基金项目:教育部高等院校博士点基金项目
作者简介:史晋荣(1973- ), 男, 高级工程师, 硕士, 主要从事土木工程检测研究.
中图分类号:TU411
文献标识码:A
doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.04.020
Research of Chloride Erosion Effect on Cement SoilMechanicsPerformanceTest
SHI Jin-rong1, GAO Yan-bin2
(1. Shanxi Construction Engineering Detection Co., LTD, Taiyuan 030006, China;2.Dept.ofGeotechnicalEngineeringCollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)
Abstract:At present, the effect of chloride erosion solution on the mechanical behavior of cement soil is become complex, so the test, which can simulate ionic environment of chloride in cement soil, is designed based on the mechanism of chloride effect on soil. Sodium chloride and magnesium chloride were adopted in the simulation experiments. The concentration of the solution was 0, 1.5, 3 and 6 g/L, and the soak time was 7, 14 and 28 d respectively. The concentration of the solution was monitored unscheduled during the experiment, and the compressive strength and deformation of the cemented soil were measured at the same time. Experimental results show that sodium ions has minimal strength and deformation impact on the cement soil, and magnesium ions has the greatest influence on cement soil strength and deformation.
Key words:cement soil; chloride ion; sodium ions; magnesium ions; compressive strength