海水侵蚀作用对水泥土抗拉强度劣化影响研究

范泽忠

（福建省万联混凝土有限公司，福建 南平 353000）

0 引言

近些年，由于水泥土具有可就地取材、抗渗性能良好、一定的力学强度以及耐久性，使得水泥土在道路工程、水利工程以及建筑工程等领域被广泛应用。国内外学者针对水泥土的力学性能的研究也越来越多，分别从水泥掺量［1］、龄期［2-3］、含水率［4-5］、土质［6-7］等因素来进行研究，然而沿海工程建设中水泥土常常面临着海水侵蚀环境的影响，因此海水侵蚀环境下水泥土的力学性能受到人们的广泛关注。侵蚀环境下水泥土的力学性能会发生劣化，国内外学者对其在侵蚀环境下的力学性能展开研究。Xing等［8］通过开展无侧限抗压强度试验和扫描电镜等微观试验，研究了软土中Cl-、Mg2+、SO42-与水化反应产物之间的反应，结果表明：当Mg2+，Cl-和SO42-共存与水泥土中时，它们抑制水泥水化产物的形成，降低这些水化产物的胶凝性能并破坏水泥土的结构，导致强度降低；刘泉声等［9］通过配制多种不同浓度的单组分的化学溶液来模拟海水侵蚀环境，将制备的水泥土试块置于侵蚀溶液中进行浸泡，得出相同浓度下，MgCl2溶液对水泥土的强度影响更大；Xing等［10］将水泥土浸泡在不同离子的侵蚀溶液中，研究各个离子对水泥土强度的影响，发现SO42-主要作用于水泥水化反应的前期，Mg2+主要作用于水泥水化反应的后期，Cl-则参与了水泥水化反应的全部过程；Mardani［11］等研究了硫酸盐侵蚀和冻融作用对水泥加固高岭土强度和渗透性能的影响，推测硫酸盐侵蚀降低了水泥稳定黏土的抗冻融性能；Pham等［12］研究了海洋环境中硫酸盐对水泥土桩的破坏作用，发现海洋环境对水泥土的侵蚀会降低水泥土桩的强度，劣化水泥土桩的力学性能；袁伟［13］使用海相软土制作水泥土，将水泥土浸泡在自制海水溶液中，研究浸泡时间对水泥土抗压强度和渗透系数的影响，得出海水的侵蚀作用会劣化水泥土内部结构，降低其强度。

综上所述，国内外学者们不仅系统地研究了水泥掺量、龄期、土质等对水泥土力学性能的影响，还研究了侵蚀离子种类、侵蚀时间以及侵蚀溶液浓度等侵蚀环境对水泥土力学性能的劣化。随着国家对海洋资源的开发与利用，水泥土会大量运用于海洋工程建设中，需要探究海水侵蚀作用对水泥土强度的劣化影响，且水泥土这种脆性材料多以受拉破坏为主，因此笔者进行了水泥土在清水和海水环境下的无侧限抗拉强度试验研究。

1 试验方案

1.1 原材料

试验所用外掺料为电炉镍铁渣粉和粒化高炉矿渣复掺后所形成的复合外掺料，两者比例为2∶1，该复合外掺料以下均简称为镍铁渣粉，这两种矿物掺和料的主要化学成分如表1所示。通过高活性矿粉能够使镍铁渣粉得到激活，使其对土体固化的效用以及绿色环保和低成本的特点更有效的得到发挥。试验所用的土料为淤泥，取自福州市闽侯县某项目基坑内，该淤泥的基本物理力学指标如表2所示。为了保证试验结果的准确性，拌和所用水均为净水机提纯过后的纯净水。与镍铁渣粉复掺的水泥为P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，该水泥质量符合国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）的相关规定。配制侵蚀环境所用的海水是根据制盐工业手册［14］所要求的海水成分进行配置，其化学成分组成如表3所示。

表1 复合料的化学成分

表2 淤泥基本物理力学指标

表3 海水化学成分组成

1.2 试验方案

本试验采用劈裂抗拉试验方法，目的是研究镍铁渣粉掺量和养护条件对其抗拉强度的影响。劈裂抗拉试验中设计了0%、30%、45%、60%四个水平的镍铁渣粉取代比（即取代同质量水泥的比率），对比分析不同掺量对镍铁渣粉水泥土抗拉强度的影响。另外，本试验采用28 d的龄期，以此达到既能简化试验方案又能保证满足试验要求的目的。其中，本试验中水胶比为0.5，胶凝材料掺入比为15%，清水环境下试件标记为试件A，海水环境下试件标记为试件B，编号后的数字表示镍铁渣粉掺量。具体试验方案如表4所示。

表4 劈裂抗拉验方案

1.3 试验步骤

采用MTS landmark 370.25试验机进行间接劈裂试验，本试验的试件采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试块，具体试验步骤如下。①从标准养护室的水箱中取出养护到期的水泥土试样，将试样表面擦拭干净，测量尺寸，检查外观，在试样中部画出劈裂面位置线，劈裂面垂直于试件成型的顶面，测量精度为1 mm。②将劈裂模具放到承压台钢板的中心，几何对中校正，放妥试件和木质垫条，其方向垂直于试件成型时的顶面，如图1所示。③对镍铁渣粉水泥土试件以100 N/s的加载速度匀速加载至试件发生破坏，并记录试验数据。

图1 试件放置示意图

2 试验结果与分析

2.1 试验结果处理

试验根据公式（1）计算水泥土的劈裂间接抗拉强度。

式中：Rt为水泥土的抗拉强度，MPa；Pmax为试件破坏时的最大荷载值，N；ɑ为试件的边长，mm，本试验中为70.7 mm。

2.2 试验结果分析

根据试验设计方案表4和式（1）分别对在不同养护条件和不同镍铁渣粉掺量的3个镍铁渣粉水泥土试样进行劈裂间接抗拉强度试验并计算其结果。具体结果如表5所示。

表5 不同掺量镍铁渣粉水泥土的抗拉强度

根据表5中的试验数据，绘制出镍铁渣粉水泥土在清水环境和海水环境下28 d的抗拉强度随镍铁渣粉掺量变化的关系曲线图，如图2所示。

图2 水泥土的抗拉强度与镍铁渣粉掺量的关系曲线

由表1和图2可知，清水环境和海水环境下镍铁渣粉水泥土的抗拉强度曲线的变化趋势基本一致，抗拉强度曲线随着镍铁渣粉掺量的增加先上升后下降，与其抗压强度曲线的变化规律保持一致。清水环境养护下，四组不同掺量镍铁渣粉水泥土抗拉强度分别为0.30 MPa、0.32 MPa、0.38 MPa、0.31 MPa，水泥土抗拉强度A-30比A-0增加7.25%，A-45比A-30增加15.64%，A-60比A-45减少 了15.85%。海水环境养护下，四组不同掺量镍铁渣粉水泥土的抗拉强度分别为0.28 MPa、0.31 MPa、0.34 MPa、0.29 MPa，水泥土抗拉强度B-30比B-0增加了8.2%，B-45比B-30增加了10.43%，B-60比B-45下降了14.68%。这表明水泥土中加入镍铁渣粉能提升抗拉强度，这是因为28 d龄期的镍铁渣粉水泥土内部水化反应充分，镍铁渣粉的活性被激活［15］，生成的物质在提升水泥土抗压强度的同时也在提升其抗拉强度。但掺入过量的镍铁渣粉会不利于水泥土的抗拉强度，因为掺入过量掺入镍铁渣粉，水泥水化反应减弱［16］，仍有一定量的镍铁渣粉活性无法激活，仅仅发挥微集料的填充作用，无法发生类似火山灰效应，则无法提升水泥土的抗拉强度。因此镍铁渣粉存在一个最优掺量值，从强度增长效果来看，最优掺量值为45%。

另外，在相同掺量下，海水浸泡下的镍铁渣粉水泥土抗拉强度始终低于清水环境，相关研究表明［17-19］：海水中的侵蚀离子侵入水泥土的表面和内部，参与水化反应生成不利于抗拉强度的物质，如F盐和钙矾石，这些物质在水泥土内部孔隙不断累积膨胀，产生膨胀应力，造成微小裂纹，这些小裂纹使海水进一步侵入水泥土的内部，降低水泥土的抗拉强度。而掺入一定量的镍铁渣粉水泥土可以提升水泥土的抗拉强度，有利于抵抗海水的侵蚀作用，因为根据童生豪［17］和石哓梦［19］的研究，镍铁渣粉本身具有耐久性，同时发挥着微集料填充作用和类似火山灰效应，填充水泥土的孔隙，提升其密实度，从而抵抗海水进一步侵入水泥土的内部，减弱海水的侵蚀作用。

2.3 水泥土的受拉破坏性状

在28 d龄期时，矿粉对镍铁渣粉的活性激发能力大大增强了，在矿粉的激活下镍铁渣粉参与类似水泥的水化反应的能力逐渐显现出来，生成的水化产物充分填充了镍铁渣粉水泥土的孔隙，将土颗粒更加紧密胶结在一起，从而使水泥土内部的致密性和整体性有所加强［20］。因此，从图3和图4可以看出，28 d时劈裂抗拉强度试验中镍铁渣粉水泥土的劈裂破坏形式主要为显著的突发性的脆性破坏，破坏时从试件中间劈开，劈裂面与受拉力方向基本保持垂直，从而呈现一个完整的剪切面，这与文献［21］中所研究的结果保持一致。另外，从图3和图4中还可以看出，在整体上，镍铁渣粉掺入前与掺入后，水泥土试件在劈裂破坏形式上差别并不大，海洋环境与清水环境镍铁渣粉水泥土破坏形式也相差不大，只是海水环境的镍铁渣粉水泥土破裂面略微平整。

图3 是否掺有镍铁渣粉水泥土的劈裂破坏对比

图4 清水环境与海水环境劈裂破坏对比

3 结论

通过开展劈裂间接抗拉试验，研究不同镍铁渣粉掺量、不同养护环境（清水与海水）对水泥土的抗拉强度、表观侵蚀以及破坏性状的影响。

①清水环境和海水环境水泥土中掺入适量的镍铁渣粉，由于其活性被激活，且能发挥较好的微集料填充作用，能明显提升水泥土的抗拉强度；但掺量的增大到一定程度，其抗拉强度随掺量增加呈先增大后减小的趋势，因此可得到最优镍铁渣粉掺量为45%。

②海水浸泡下的水泥土抗拉强度始终低于清水环境，这表明海水中的侵蚀离子侵入水泥土内，生成不利于强度的F盐等物质，由膨胀力造成细小裂缝，降低水泥土的抗拉强度。

③破坏时从试件中间劈开，劈裂面与受拉力方向基本保持垂直，在两种养护条件下水泥土试件均表现为脆性破坏。