水泥土劣化深度-时间关系预测

刘 浩，杨俊杰，王 曼，李斯臣，武亚磊，王晓倩

(1.中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100； 3.青岛中蓝投资有限公司即墨分公司，山东 青岛 266100)

1 研究背景

水泥土是软土地基加固处理较为广泛采用的材料之一，但是，长期处于滨海相软土、盐渍土和污染环境等腐蚀场地中的水泥土材料，与混凝土、钢材等建筑材料一样，不可避免地受到腐蚀介质的持续作用而发生劣化，劣化导致水泥土强度降低，严重影响水泥土结构的使用寿命[1-5]。水泥土劣化是由表及里强度随时间衰减的过程，准确预测劣化深度与时间的关系对于水泥土结构全寿命设计具有一定的理论和工程应用价值。

2 水泥土劣化问题分类、劣化深度定义及劣化深度预测研究现状与分析

2.1 水泥土劣化问题分类及劣化深度定义

杨俊杰等[6-8]根据工程背景，将水泥土等加固体的劣化问题分成2类，并提出了相应的室内模拟方法(图1)。

图1 水泥土劣化问题及研究方法(基于文献[5]修改)Fig.1 Classification and research methods of cementsoil degradation (revised from literature [5])

在非腐蚀场地形成的加固体，后因场地受到污染而发生的劣化问题属于第1类，被污染场地的形成除了工业、农业及生活污染源外，酸雨、盐渍化、潮汐及海水侵入等均可导致场地污染。如图1左列所示，第1类劣化问题，可采用先将加固体标准养护一定时间后再与腐蚀环境接触的方式进行模拟。在污染场地、滨海场地等腐蚀场地形成的加固体，其形成强度的同时即受到腐蚀介质的侵蚀，这类劣化问题属于第2类，如图1右列所示。为了与实际情况相符，采用在加固体形成后不经标准养护立即使其与腐蚀环境接触的方式进行模拟。现场养护则可综合如水动力条件、温度变化、潮汐作用等诸多因素的影响。

对于达到劣化龄期的加固体实施微型贯入试验，得到贯入阻力与贯入深度的关系曲线，由此定义劣化深度。

图2 贯入阻力曲线示意图及劣化深度定义Fig.2 Schematic diagram ofpenetration resistance curveand definition of deteriora-tion depth

如图2所示，微型贯入试验得到的是贯入阻力(N)，将贯入阻力除以探头平面投影面积，称之为比贯入阻力(kPa)，由此得到横坐标为比贯入阻力、纵坐标为贯入深度的贯入阻力曲线。开始时比贯入阻力有一部分几乎为0，说明水泥土发生了完全劣化；贯入一定深度后，曲线开始出现拐点，随后比贯入阻力随贯入深度直线增加；再次出现拐点后，比贯入阻力随贯入深度变化不大，说明此时达到水泥土的未劣化区，将趋于稳定的比贯入阻力定义为贯入强度。

将比贯入阻力近似直线增长的部分拟合直线，以直线与纵坐标的交点为界限，界限以浅部分为劣化区，以深部分为未劣化区。劣化区分为比贯入阻力(强度)几乎为0的完全劣化层和比贯入阻力(强度)随深度增加的劣化过渡层。将劣化区、完全劣化层和劣化过渡层的深度分别称为劣化深度(D)、完全劣化深度(Dc)和劣化过渡层深度(Dt)，则有D=Dc+Dt。未劣化区的贯入强度可近似看成标准养护时的水泥土强度。

2.2 水泥土劣化深度预测研究现状与分析

2.2.1 第1类劣化问题的劣化深度-时间关系

Hayashi等[9-10]通过式(1)对水泥土的长期劣化深度进行了预测。

D=αtβ。

(1)

式中：D为劣化时间t时的劣化深度(mm)；α、β均为常数。根据前期学者的研究推断，α约为劣化1 a后的劣化深度，β平均值约为0.5。此时，该预测式与Ikegami等[11]预测公式相同。

Hara等[1]根据室内试验得到长期劣化深度的关系式，即

(2)

式中：dn为劣化深度(mm)；A为劣化系数。

Miao[12]分析不同浓度海水条件下水泥土劣化深度的试验结果，提出可以通过短期内较高浓度海水条件下水泥土的劣化深度来预测较低海水浓度条件下水泥土的长期劣化深度，得到水泥土劣化深度的预测函数，即

dcsw=alnb-aln(t+b) 。

(3)

式中：dcsw为在相应海水浓度下的劣化深度(mm)；a为由水泥土初始条件决定的常数；b为由海水浓度决定的变量。

王晓倩等[7]同样提出了幂函数预测式，可根据28 d劣化深度推测长期劣化深度,即

D=D28(t/28)A。

(4)

式中：D为水泥土劣化深度(mm);D28为28 d劣化深度(mm);t为劣化时间(d);A为待定常数。

王晓倩等[7]利用Hara等[1]和Miao[12]及本人试验结果讨论了式(4)中A的取值。

Hara等[1]采用的原土为含水量为237.2%的Ariake Clay，水泥掺量分别为50、70、100 kg/m3，标准养护时间为28 d,得到的A为0.51。Miao[12]同样采用Ariake Clay，水泥掺入比为10%，标准养护1 d,得到的A为0.79。

王晓倩等[7]采用的是高岭土，塑限和17 mm液限分别为33.2%和72.1%，水泥掺入比为15%，灰水比为0.289，制样后分别标准养护0、1、28、90 d，再置于海水中分别浸泡28、90、180 d。王晓倩等认为，水泥土初始强度越高，劣化速度越慢，A取值越小。与第1类劣化(初始强度为0)A取0.5～0.7[8]相比，具有初始强度的第2类劣化的A可取0.2～0.8。

2.2.2 第2类劣化问题的劣化深度-时间关系

Ikegami等[11]研究了日本横滨港大黑码头现场水泥土的长期劣化深度，总结出劣化深度经验公式为

D=A(t*)0.5。

(5)

式中：D为劣化深度(mm)；A为1 a后的劣化深度(mm)；t*为时间t与1 a的比值。

闫楠[13]研究了海水及原土养护条件下水泥土劣化深度随时间的变化规律，分别建立了水泥土在海水及原土养护条件下的劣化深度预测经验公式，海水养护条件下,有

dn=ln(a+bt) 。

(6)

式中：dn为劣化深度(mm)；a，b为与水泥土掺入比相关的常数；t为养护时间或浸泡时间(d)。

原土养护条件下，有

dn=m+ntc。

(7)

式中m、n、c均为常数。

杨俊杰等[8]研究了现场养护的滨海相软土水泥土的劣化深度随时间的演化规律，并提出了根据90 d劣化深度推测长期劣化深度的预测式，即

D=D90(t/90)A。

(8)

式中：D90为90 d劣化深度(mm)；A为待定常数。

基于长达3.5 a(1 260 d)的现场试验数据，建议A的取值范围为0.5～0.7。

2.2.3 存在的问题及本文的研究内容

水泥土的初始强度对场地环境变化引起的水泥土劣化深度具有一定的影响：一方面，影响规律有待进一步的数据积累；另一方面，在劣化深度-时间关系预测为幂函数形式时初始强度的影响如何体现，有待进一步讨论。

如上所述，劣化水泥土由强度几乎为0的完全劣化层、强度随深度增加的劣化过渡层以及强度可看成与同龄期标准养护水泥土相同的未劣化区共3部分组成。在预测劣化水泥土强度时，不仅需要知道这3部分的强度，还需要知道劣化深度(D)、完全劣化深度(Dc)和劣化过渡层深度(Dt)。然而，无论是第1类劣化问题还是第2类劣化问题，均只给出了劣化深度(D)预测方法，未进一步给出完全劣化深度(Dc)和劣化过渡层深度(Dt)预测方法。

在幂函数形式的劣化深度预测式中，系数为某一短期劣化深度，该系数很可能是一个含有原土性质、固化剂掺量、初始强度、劣化环境等因素影响的综合参数，而式中指数的取值趋于一致。因此，幂函数形式可能是实用性强的劣化深度预测式，其他函数形式的预测式则含有多个拟合参数。

需要说明的是，上述研究中劣化深度确定方法不尽相同，但所得结果相差不大且趋势相同。

本文以山东潍坊港海相软土为试验用土，采用不同水泥掺入比和不同标准养护时间得到具有不同初始强度的水泥土，研究不同初始强度下水泥土劣化特性，据此提出劣化深度、完全劣化深度和劣化过渡层深度的预测方法；并利用现场腐蚀试验(最长腐蚀时间达到1 800 d)予以验证，为水泥土结构全寿命设计提供理论依据，具有一定的实用价值。

3 不同初始强度对水泥土劣化深度的影响

3.1 试验概况

影响水泥土劣化的因素有原土性质、水泥掺量、水泥土初始强度、劣化环境，本文通过改变水泥掺入比和标准养护龄期制备不同初始强度的水泥土，研究初始强度对劣化程度的影响。

试验用土取自山东省潍坊市渤海莱州湾南岸潍坊港港口内海底。去除软土中的石块、水草等杂质后搅拌均匀，图3为预处理后的土样。

图3 预处理后的土样Fig.3 Soil samples after pretreatment

试验用土的物理性质和主要离子浓度分别如表1和表2所示。根据塑性图可知试验用土为低液限粉土。

表1 试验用土物理性质Table 1 Physical properties of test soil

表2 试验用土主要离子浓度Table 2 Main ion concentrations of test soil

表3 试样制备方案Table 3 Scheme of sample preparation

试验用水泥为潍坊鲁元建材有限公司生产的42.5号普通硅酸盐水泥。水泥掺入比及标准养护时间如表3试验制备方案所示。采用海水浸泡，浸泡时间如表3所示。

按照试样制备方案将预处理后的潍坊港海相软土与水泥搅拌均匀制备水泥土，然后分3次装入内径85 mm、内高105 mm的500 mL塑料烧杯中。每次装填时轻微振动烧杯以减少气泡，并振实20次(共振实60次)，装至烧杯顶部抹平。然后采用制样搅拌机对烧杯中水泥土进行搅拌，上下搅拌来回各3次，每次30 s，搅拌完后刮平表面，制样时间控制在5 min之内。制备的水泥土试样如图4所示。将制备的水泥土试样标准养护至设定龄期。达到龄期后，放入塑料桶内进行海水浸泡，如图5所示。对达到设定浸泡时间的试样实施微型贯入试验。微型贯入仪为应变控制式，贯入速度设为2 mm/min，探头直径为3.4 mm。

图4 制备的水泥土试样Fig.4 Cement soil sample prepared for test

图5 海水浸泡中的水泥土试样Fig.5 Cement soil sample immersed in seawater

3.2 不同初始强度对水泥土劣化深度影响

图6—图8分别为海水浸泡28、90、180 d的微型贯入试验结果。其中，图8(a)中标准养护时间0 h的试样贯入曲线在劣化过渡层呈现出波动现象，可能是水泥土试样内部不均性导致的。其它不同水泥掺入比、不同标准养护时间，劣化水泥土的贯入阻力曲线性状均与图2的贯入阻力曲线示意图相同，表明水泥土初始强度对劣化水泥土贯入阻力曲线性状无明显影响。

图6 海水浸泡28 d微型贯入试验结果Fig.6 Result of micro-penetration test results of sample immersed in seawater for 28 days

图7 海水浸泡90 d微型贯入试验结果Fig.7 Result of micro-penetration test results of sample immersed in seawater for 90 days

图8 海水浸泡180 d微型贯入试验结果Fig.8 Result of micro-penetration test results of sample immersed in seawater for 180 days

根据劣化深度定义确定各种条件下的劣化深度D、完全劣化深度Dc和劣化过渡层深度Dt。图9为劣化深度与标准养护时间、水泥掺入比的关系。

如图9所示，劣化深度D、完全劣化深度Dc和劣化过渡层深度Dt随标准养护时间的增加和水泥掺入比的增大而减小，表明水泥土初始强度越大，劣化深度越小。

图9 劣化深度与标准养护时间、水泥掺入比的关系Fig.9 Relations of deterioration depth against cementratio and standard curing time

4 水泥土劣化深度-时间关系预测

如第2.2.3节所述，幂函数形式可能是实用性强的劣化深度预测式。因此，本文利用式(9)对试验得到的劣化深度D、完全劣化深度Dc和劣化过渡层深度Dt与时间的关系进行拟合，即

(9)

式中：D90、Dc90、Dt90分别为90 d劣化龄期的劣化深度(mm)、完全劣化深度(mm)、劣化过渡层深度(mm)；t为劣化时间(d)；A为待定常数。

图10 第1类劣化问题的劣化深度计算结果与室内劣化试验结果对比Fig.10 Comparison of degradation depth between calculation results and indoor test results for the first type ofdegradation problem

图11 第2类劣化问题的劣化深度计算结果与室内劣化试验结果对比Fig.11 Comparison of degradation depth between calculation results and indoor test results for the secondtype of degradation problem

图12 第2类劣化问题的劣化深度计算结果与现场劣化试验结果对比(水泥掺入比15%)Fig.12 Comparison of degradation depth betweencalculation results and field degradation test resultsat cement ratio of 15% for the second type ofdegradation problem

图10、图11分别为第1类劣化问题、第2类劣化问题的劣化深度计算结果与室内劣化试验结果的对比，图12为第2类劣化问题的劣化深度计算结果与现场劣化试验结果的对比。由图10—图12可知，无论是第1类劣化问题还是第2类劣化问题，或是室内劣化试验还是现场劣化试验，当A取0.6时，劣化深度、完全劣化深度及劣化过渡层深度的计算结果均与试验结果在数值和趋势上有较好的一致性。因此，只需知道90 d劣化深度即可预测相应的长龄期劣化深度。

5 结 论

实施了水泥土室内劣化试验，建立了水泥土的劣化深度、完全劣化深度和劣化过渡层深度与时间的幂函数关系式，主要得出以下结论：

(1) 水泥土初始强度对劣化水泥土贯入阻力曲线性状无明显影响；水泥土劣化深度、完全劣化深度和劣化过渡层深度随水泥土初始强度增大而减小。

(2) 劣化深度-时间关系预测式(幂函数)中，系数分别为90 d劣化龄期的水泥土劣化深度、完全劣化深度和劣化过渡层深度，指数A取值与劣化类型、室内劣化试验或现场劣化试验无关，均可取0.6。