盐分侵蚀对水泥固化土力学特性的影响研究

张 丹， 吴振威， 宋苗苗， 徐桂中， 邱成春， 曹裕翔

(盐城工学院 土木工程学院，江苏 盐城 224051)

水泥作为最常用的固化剂，自上世纪80年代引入我国后，在软土地基处理、基坑围护等工程中得到广泛的应用。如连-盐高速公路软土地基处理[1]，港珠澳大桥连接线拱北隧道基底加固[2]。由于第四纪海侵、海水入侵等运动影响，沿海地区地下水盐分浓度普遍较高[3]。故当工程结构位于沿海地区时，不可避免地将遭受盐分侵蚀作用。因此，探究盐分对水泥固化土力学特性的影响，具有十分重要的工程意义。

学者们通过研究发现，当水泥固化材料处于盐分侵蚀环境时，容易出现强度衰减、压缩-渗透性增大等劣化现象[4,5]。大量的工程实践也表明，在地下水盐分浓度较高的地区，水泥加固材料会很快被腐蚀，在外界荷载作用下容易产生过大不均匀沉降、长期稳定性降低等工程问题[6,7]。王忠啸等[8]对我国黄河三角洲地区高速公路进行调查，指出海水侵蚀引起水泥土力学性状劣化，是产生大量车辙、裂缝、沉陷等道路病害的主要原因。显而易见，沿海地区盐分侵蚀将引起水泥固化疏浚泥力学性状劣化，容易导致各种工程灾变的发生，影响实际工程的长期安全运营。李丹丹[9]对氯盐侵蚀下固化土的工程特性做了研究，研究表明固化土强度随着氯离子浓度的升高而降低；王子帅[10]、傅小茜[11]等研究了硫酸盐侵蚀下水泥土的力学特性，并指出侵蚀作用与水泥的掺入比、侵蚀龄期等因素有关；史可健[12]通过对硫酸盐和氯盐共同侵蚀下固化土的力学特性研究，发现氯离子的存在不仅可以降低硫酸盐的侵蚀速度，一定程度上还可以提高固化土的抗压强度，减轻固化土的劣化程度；万志辉等[13]等指出海水侵蚀下，水泥土强度同时存在增长和侵蚀破坏两种作用；宁宝宽[14]对不同侵蚀条件下水泥土力学性能的演化进行了探讨,并且分析、建立其相应损伤本构模型；然而，大部分学者的研究只是针对一种盐分，少数学者做了两种盐分耦合的研究；对固化土在实际海水环境中劣化研究相对来说更少。

基于此，本文在试验室内不仅模拟了单一盐分侵蚀环境，还模拟了实际海水环境；通过无侧限试验研究了不同侵蚀环境下固化土的力学性能变化规律，以期为我国实际工程结构设计与施工提供技术支撑。

1 试验简介

1.1 试验材料

试验用土取自盐城市阜宁县，为了保证试验土样的均匀一致性，试验开始前将现场取回的淤泥土样进行晾干、粉碎、过筛，去除试验淤泥土样中如树枝、枯叶、石子等杂质，处理过后加入纯水在100 L密封桶内配置成一定含水率的淤泥泥浆，搅拌均匀备用。根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》测定试验用土液塑限、颗粒级配、比重等，结果如表1和图1所示。试验所用阜宁淤泥在塑性图上的位置如图2所示，根据规范GB/T 50145—2007《土的工程分类标准》可知，试验所用土样为高液限黏土。试验用土的黏土矿物成分组成委托中国科学院南京土壤研究所进行测试，试验结果如表2所示。

图1 土样级配曲线

图2 土样塑性图

表1 土样的基本物理性质

表2 土样的矿物成分

试验所用水泥为42.5普通硅酸盐水泥，出厂前由专门机构进行相关试验检测，28 d的抗折和抗压强度分别为9.2，50.3 MPa，其他各项指标均符合国家标准规范GB 175—2020要求。

试验中模拟侵蚀环境配制溶液所用的氯化钠(NaCl)，由天津市北辰方正试剂厂生产，纯度为分析纯，其中氯化钠(NaCl)含量大于99.5%；

试验中模拟侵蚀环境配制溶液所用的硫酸钠(Na2SO4)，由天津市登峰化学试剂厂生产，纯度为分析纯，其中氯化钠(Na2SO4)含量大于99%；试验中模拟侵蚀环境配制溶液所用的海盐，来自山东青岛东风盐场，为天然海水晒制而成，主要成分为氯化钠(NaCl)，还含有少量的氯化镁、硫酸钙等矿物成分，具体数值如表3所示。

表3 海盐化学成分

1.2 试样制备

为了避免原土样中盐分对试验结果的影响，制备试样前先对土样进行洗盐处理，然后统一配置成含水率为99%泥浆备用，固化土试样的水泥的掺量为50 kg/m3。

无侧限抗压强度试验的模具选用高度80 mm，直径40 mm的亚克力圆筒。制样前，先用凡士林均匀涂抹模具圆筒内壁及模具盖子内边缘，然后分三次填入搅拌均匀的固化土样，每次填入土样后，振动密实，最后将表面刮平。为了保证试验的准确性，每组制作三个平行试样。一批试样制备完成后，立即放入标准养护室养护24小时，脱模后放入相应配制好的溶液中，继续浸泡至相应龄期，取出做单轴无侧限抗压试验。

1.3 试样环境模拟

本次试验采用4种溶液浸泡试样：分别为清水浸泡、海盐浸泡、氯化钠浸泡、硫酸钠浸泡，其中，海盐、氯化钠、硫酸钠的浓度分别为30，50 g/L。清水采用蒸馏水，海盐、氯化钠、硫酸钠溶液14 d内，每天更换一次；15～30 d，每7 d更换一次；30 d后，每1个月更换一次。

1.4 试验方案

无侧限试验所用仪器为南京土壤仪器厂生产的YYW-2型应变控制式无侧限压力试验仪，无侧限强度值取三个平行样的平均值；试验方案如表4所示。

表4 无侧限抗压强度试验方案

2 试验结果

2.1 外观变化

图3所示为试样表观随浸泡龄期变化图，从图中可以看出浸泡时间3 d时，在浓度为50 g/L硫酸钠溶液中，试样表面已经出现细微的裂缝，其他浓度溶液浸泡的试样完整性较好。浸泡时间7 d时，30,50 g/L硫酸钠溶液中，试样表面均出现裂缝，而且50 g/L硫酸钠溶液中，试样表面已经出现贯穿整个试样高度的细长裂缝；其他溶液浸泡的试样表面无变化。浸泡时间28 d时，除了清水和30 g/L氯化钠溶液中的试样，其他溶液浸泡的试样表面均能直观看到不同程度的盐分侵蚀现象；浸泡时间90 d时，除了清水中的试样完整性较好，其他溶液浸泡的试样表面均有明显的盐分侵蚀现象，而且硫酸钠溶液浸泡的试样盐分侵蚀更严重。

图3 试样外观随浸泡时间变化

2.2 无侧限抗压强度

图4a,4b,4c所示为试样在同一种盐分不同浓度下无侧限抗压强度随浸泡龄期变化图，从图4a,4b,4c 3幅图分析可知：(1)在浸泡溶液为清水的环境下试样的强度随着龄期的增加而增加，前期水泥水化反应迅速，生成的水化产物多，强度提升较快，中后期水泥水化反应趋于稳定，强度增长缓慢，具体表现在3 d强度只有69 kPa，28 d达到127.9 kPa，90 d略微升高达到129 kPa。

(2)在三种侵蚀环境下，试样强度均随着盐分浓度的升高而降低。在30，50 g/L的氯化钠溶液中，试样浸泡28d的强度分别为65.81，50.98 kPa，相对于在清水中浸泡的试样强度分别降低了48.5%，60.1%；在30，50 g/L的硫酸钠溶液中，试样浸泡28d的强度分别为38.56，28.31 kPa，相对于在清水中浸泡的试样强度分别降低了69.8%，77.9%；在30，50 g/L的海盐溶液中，试样28 d的强度分别为49.73，31.45 kPa，相对于在清水中浸泡的试样强度分别降低了61.1%，75.4%，其他浸泡龄期，相对于清水中浸泡的试样强度，侵蚀环境中浸泡的试样强度均有不同程度的降低。

(3)侵蚀环境中浸泡试样强度先随浸泡时间的增加而增加，再随着浸泡时间的增加减小。需特别指出的是在50 g/L的硫酸钠溶液和海盐溶液中，浸泡试样3 d强度分别为40.64，44.16 kPa，浸泡7 d后，试样的强度分别为36.94，42.17 kPa，相对于其3 d的强度分别降低了9.1%和4.5%。

图4d，4e所示为试样在不同盐分相同浓度下无侧限抗压强度随浸泡龄期变化图。从4d，4e两幅图分析可知：同一浓度、浸泡龄期下，硫酸钠溶液浸泡下试样强度值最低；氯化钠溶液浸泡下试样的强度值最高；海盐溶液浸泡下试样强度值居于前两者之间；以28 d 浸泡龄期，30，50 g/L硫酸钠溶液浸泡下试样强度38.56，28.31 kPa为基准，30，50 g/L海盐溶液浸泡下试样强度分别提高了28.9%，11.1%，30，50 g/L氯化钠溶液浸泡下试样强度分别提高了70.6%，80.1%。表明硫酸钠溶液浸泡对本文的固化土试样侵蚀作用最强。

图4 无侧限抗压强度随浸泡龄期的变化

图5所示为试样浸泡28 d典型应力-应变曲线，图6为试样典型破坏模式。从图5可以看出固化土典型的单轴应力-应变曲线基本呈现出应变软化的特征，大致可以分为三个阶段[15]：第一阶段应力-应变曲线为直线段，颗粒未破损，变形在弹性范围；第二阶段，应力-应变曲线为非线性上升段，固化土逐渐损伤，曲线斜率开始减小，颗粒发生破损，颗粒变形不会恢复，表现为塑性变形，试样表面出现微裂纹；第三阶段阶段，应力-应变曲线为非线性下降段，固化土试样裂缝不断延伸发展逐渐贯通(如图6所示)。

图5 试样典型应力-应变曲线(28 d)

从图6可以看出：浸泡时间28 d时，清水、氯化钠和海盐溶液中试样破坏模式为剪切破坏，硫酸钠溶液中的试样为张裂破坏，原因是硫酸钠溶液对固化土侵蚀最严重，浸泡3 d时，试样表观已经开始出现细长的裂缝，中期由于试样表观裂缝及内部缺陷存在，使得试样在发生剪切破坏之前发生了张裂破坏[16]；浸泡时间90 d时，清水溶液中试样破坏模式为剪切破坏，氯化钠、硫酸钠和海盐溶液中的试样为张裂破坏，原因是在盐分长期的侵蚀下，固化土表观和内部均产生了不同程度的破坏，导致了张裂破坏发生在剪切破坏之前，而清水溶液中试样浸泡到90 d，试样表观也无明显变化，无侧限抗压强度仍在缓慢增长。

图6 试样典型破坏模式

3 机理分析

(1)水泥土强度提升的主要原因是水泥熟料矿物水化反应产生的C-S-H和C-A-H等水化产物之间相互搭接形成骨架[17,18]，并且胶结土颗粒形成整体。28 d时，水泥水化反应在已经达到60%以上；90 d时，水泥水化反应已经完成90%以上[19]，因此在清水环境中浸泡试样的强度在前期快速增长，28 d后强度增长速度变缓。

(2)在氯化钠溶液中浸泡的试样，在前期强度先随浸泡龄期增长的原因是Cl-含量较低，对固化土的侵蚀速度要弱于水泥水化反应的速度；中、后期水浸泡龄期降低的主要原因：当溶液中的Cl-浓度较高时，CaO·Al2O3,CaCl2,C-A-H反应生成F′s盐(反应式如式(1)所示)，F′s盐胶结强度比水泥水化产物低，并且会阻止黏土矿物的水化，降低水化产物的产生[9]。因此，在氯化钠溶液中浸泡的试样强度会低于在清水中浸泡的试样强度。

Ca(OH)2+2NaCl↔CaCl2+2NaOH

3CaO·Al2O3·6H2O+CaCl2+25H2O→

3CaO·Al2O3·CaCl2·31H2O(F′s盐)

(1)

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

(2)

(5)海盐中最主要的成分是氯化钠，还含有少量的硫酸盐。海盐溶液中浸泡的试样，强度出现降低的主要原因是前两者共同的作用的结果，在此不重复赘述。

4 结 论

(1)在清水和30 g/L氯化钠、海盐液中浸泡的试样，90 d试样表面基本无侵蚀现象；在50 g/L硫酸钠溶液中，3 d时试样表面已经出现裂缝；在30 g/L硫酸钠溶液中，7 d试样表面均出现裂缝；除了清水和30 g/L氯化钠、海盐液中浸泡的试样，90 d其他试样表面均有明显侵蚀现象。

(2)浸泡时间28 d时，清水、氯化钠和海盐溶液中试样破坏模式为剪切破坏，硫酸钠溶液中的试样为张裂破坏；浸泡时间90 d时，清水溶液中试样破坏模式为剪切破坏，氯化钠、硫酸钠和海盐溶液中的试样为张裂破坏。

(3)同一浓度、浸泡龄期下，硫酸钠溶液对固化土的侵蚀作用更强，海盐溶液次之，氯化钠溶液侵蚀作用最弱；但是，无论哪种溶液侵蚀，固化土的强度均出现大幅降低。

(4)固化土28 d典型的单轴应力-应变曲线基本呈现出应变软化的特征，海盐溶液中浸泡试样的峰值强度对应的应变要小于硫酸钠溶液中浸泡试样峰值强度对应的应变。