盐-冻耦合作用下水泥基风积沙改性土基坑填料的性能研究

2020-10-17王丽英骆文进王红梅李鑫鑫

硅酸盐通报 2020年9期

王丽英，骆文进，王红梅，李鑫鑫

(1.重庆建筑工程职业学院土木工程系，重庆 400072；2.重庆能源职业学院城市建设学院，重庆 402260； 3.重庆交通大学河海学院，重庆 400074)

0 引言

我国西北地区的地层中广泛分布着盐渍土，由于含盐地表径流影响下的盐分积累作用，使得相关地区土层中含有大量高浓度的硫酸盐[1-2]。并且，由于西北高寒地区存在极端低温的气候特点，使得基坑填料受到反复多次的硫酸盐-冻融循环耦合作用[3]。盐渍土对基坑中的填料具有腐蚀效应，其腐蚀程度不仅与材料自身的性质有关，也与西北气候条件有紧密联系[4]。前人的研究表明盐-冻耦合的破坏过程自材料表层开始逐渐向内渗透,导致基坑填料的矿物成分发生化学反应，严重降低了材料的力学性能[5-6]。

风积沙改性土是一种常见的基坑填料，其是在经过破碎后的散土料中，掺入一定质量比例的风积沙、水泥和水后，充分搅拌获得的混合填料，经过压实、养护使得混合料满足基础工程的承载能力要求[7]。另外，风积沙改性土也是一种潜伏在地表下的多孔材料，丰富的孔隙结构使其易受盐溶液的腐蚀作用[8]。盐-冻作用对基础工程材料造成了严重的腐蚀病害，使得相关地区时常出现基坑底部不均匀沉降和大变形的工程事故，从而对公路工程的安全性和经济性造成巨大损害[9]。在常年盐腐蚀和冻融循环的作用下，风积沙改性土的力学性质和微结构出现显著的损伤，对路面耐久性和稳定性产生严重危害，可能会导致公路服役年限的缩短[10]。因此，前人对基坑改性填料的承载性能与物理化学性质受硫酸盐腐蚀和冻融作用的影响开展了试验研究，取得了一些成果。例如：杨保存等[11]研究了盐渍土路基中水泥改性土受盐胀和冻胀两种作用下的路基变形特性，认为盐腐蚀和自由水冻结是导致水泥改性土发生开裂和膨胀的重要原因；薛慧君等[12]采用核磁共振扫描技术分析了风积沙改性混凝土在冻融过程中的孔隙演变特征，发现冻融作用使得材料的孔隙度和渗透率均增大；申向东等[13]开展不同浓度下风积沙改性试样的抗压试验，分析了盐浓度和冻融循环次数对试样渗透性能的影响特点。前人的研究一般只从力学特性或者变形特征的角度分析水泥改性土受盐腐蚀和冻融作用的影响特点，但是结合不同物理、化学和力学特性的综合分析较为少见，且对盐-冻耦合影响的物理机制认识深度不足。

因此，本文以外掺水泥的风积沙改性土填料为研究对象,利用浓度为3%的Na2SO4溶液进行盐-冻循环处理，通过记录不同盐-冻循环次数下的风积沙改性土试件的质量定量评价材料的损伤程度，根据XRD矿物成分分析研究改性土的化学成分变化规律，通过开展无侧限压缩试验对盐-冻作用下材料力学行为的衰变规律进行分析，最后进行压汞试验对材料的微观孔隙结构变化特点进行探测。文章旨在加深盐-冻循环作用对风积沙改性土性能影响规律的认识，并为相关地区基坑填料的设计、施工提供参考。

1 实验

1.1 原材料

水泥稳定土的基料采用粉质粘土，取自甘肃省河西内陆的盐渍土分布地区。该土体样品颜色呈黄褐色，土体含有大量粉土和粘土颗粒。使用德国布鲁克公司生产的高精度D8 Advance型X射线衍射仪和连续光源原子吸收光谱仪进行物相分析，结合X射线衍射法和光谱分析法判断土体矿物成分时，对小于0.075 mm的粒组进行全定量矿物成分分析。首先将粗土烘干、研磨，并过200目的细筛，然后对土壤开展自然沉降法提纯，采用光谱仪对粉质粘土样品进行能谱测试。由此综合确定了各矿物成分的含量。粉质粘土的主要矿物成分包括石英(24.2%)、高岭土(20.1%)、正长石(16.1%)、蒙脱石(14.1%)、伊利石(9.9%)、黑云母(8.1%)和斜长石(6.4%)。其它物理性质指标：天然含水率约为17.5%，天然密度为 1.91 g/cm3，渗透系数约为2.13×10-6cm/s。对土样采用筛分法开展颗粒级配曲线测定，结果如图1(a)所示，从颗粒级配曲线中发现该地区粉质粘土的不均匀系数Cu约为2.45，曲率系数Cc约为1.22，根据界限含水率试验的结果认为该土为高液限土，根据自由膨胀率的试验认为该土呈弱膨胀性。

风积沙颜色呈棕黄色，天然风积沙的含水率约为5.2%，密度为 2.12 g/cm3。对风积沙采用筛分法开展颗粒级配曲线测定，结果如图1(b)所示，从颗粒级配曲线中发现该地区风积沙粒径主要分布范围为0.5～0.025 mm，说明风积沙颗粒组成主要为砂粒和粉粒。同样的，先对风积沙开展自然沉降法提纯，然后通过X射线衍射法和光谱分析法确定不同矿物成分的含量。根据试验发现风积沙矿物成分包括石英(55.2%)、斜长石(18.6%)、角闪石(15.5%)、绿泥石(4.9%)、石榴石(3.5%)和其他微量矿物(2.3%)。

图1 粉质粘土与风积砂的颗粒级配曲线Fig.1 Grading curves of silty clay and drift-sand

水泥稳定土的凝胶材料采用甘肃省兰州市兴庄水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥，其颗粒的比表面积为325.2 m2/kg，经过28 d养护后的水泥立方体抗压强度实测值为43.2 MPa。拌和用的水采用实验室的自来水。

1.2 水泥稳定土的制备

采用干拌法制备水泥稳定土材料:首先按照1∶1的配比称量一定质量的粉质粘土与风积沙的烘干样，并将质量分数为5%的硅酸盐水泥掺入粉质粘土中进行干拌；再按照水固比(水和固体颗粒的质量比)为0.25的配比加水，并用砂浆搅拌机进行充分搅拌；搅拌后将水泥改性土的浆料倒入相应的制样模具中，并在温度(20±2) ℃、相对湿度>95%的恒温箱中进行2 d的标准养护后拆模；最后在室温条件下继续养护28 d。本实验制备了3个规格的标准圆柱体用于不同试验，其中φ61.8 mm×H20 mm的试样用于表观腐蚀程度观测，φ38 mm×H80 mm的试样用于无侧限压缩试验，φ10 mm×H20 mm的试样用于化学成分检测和压汞测试。

1.3 盐-冻循环处理

采用3%Na2SO4溶液对水泥基风积沙改性土试件进行冻融循环处理，方法如下：首先在室温25 ℃条件下，将试件浸没在Na2SO4溶液中浸泡2 h；然后擦干试件表面的水，并放置在-20 ℃的低温箱中冻结12 h；冻结完成后，再将试件放在室温25 ℃条件下的盐溶液中浸泡。如此反复，进行0～60次的硫酸盐腐蚀-冻融循环处理，并对经过0次、2次、4次、8次和12次硫酸盐-冻融循环处理后的样品进行损伤程度观测、矿物成分分析、无侧限抗压强度和微观结构测试。

2 结果

2.1 表观腐蚀程度和化学成分

将水泥基风积沙改性土试件置于3%Na2SO4溶液进行0～12次的硫酸盐腐蚀和冻融循环的处理，试验完成后观察试件的表观变化，结果如图2所示。图2清晰地显示了水泥基风积沙改性土试件在经过硫酸盐腐蚀后的表观变化。未经处理的试件表面较为光滑，颜色为黄褐色，且未见明显的裂缝和孔隙。对其进行2次硫酸盐腐蚀-冻融循环处理后，试样的表面出现了部分斑点状的白色腐蚀物，此为钙质化合物CaSO4。经过4次盐-冻循环处理后，改性土表面的腐蚀物进一步增大。经过8次盐-冻循环处理后，试件表面的斑点状腐蚀物数量进一步增多。经过12次盐-冻循环处理后，白色腐蚀物呈块状且覆盖面积明显扩大，说明水泥基风积沙改性土的腐蚀程度随硫酸盐化学反应和冻融循环的进行而明显加剧[14]。

图2 硫酸盐腐蚀-冻融循环后的试样的外观Fig.2 Appearance of samples after sulphate and freeze-thaw cycles

图3 腐蚀后试样的XRD谱Fig.3 XRD patterns of samples after corrosion

(1)

2.3 力学测试结果

研究采用应变控制式加载系统对水泥基风积沙改性土试件开展力学测试，在试验前加载速率为0.025 MPa/s，一共得到了五组不同盐-冻循环后的试样无侧限应力-应变曲线，结果如图4所示。从图4中可以看出,在不同硫酸盐腐蚀-冻融循环次数下，试件均为应变软化变形，且脆性破坏特征明显，根据变形特点可将应力-应变曲线分为压密、弹性变形和脆性破坏三个阶段。其中，压密阶段为开始加载后应力随应变增加缓慢上升的曲线段,弹性变形阶段为应力随应变直线上升的阶段,脆性破坏阶段为应力突降的阶段。

图4 不同循环次数试件的应力-应变关系曲线Fig.4 Stress-strain relationship curves of samples in different cycle numbers

从图4可以看出,不同盐-冻循环次数下水泥基风积沙改性土均存在明显的峰值应力点，该点的纵坐标为试件的无侧限抗压强度，记为UCS，该值大小表征了材料的承压性能。另外，通过应力-应变曲线在弹性变形阶段的斜率可以计算弹性模量E，该值可衡量材料抵抗弹性变形的能力。由计算得到的无侧限抗压强度UCS与弹性模量E如图5所示，可以看出0～2次的硫酸盐腐蚀-冻融循环处理对材料力学性能的损伤程度最大，经过8次循环作用后，试样的峰值强度指标几乎不变。

图5 力学性质指标与循环次数的关系曲线Fig.5 Relationship between cycle number and mechanical index

2.4 孔隙分布结果

采用压汞试验测定了水泥基风积沙改性土试样的孔径分布曲线，该结果反映了试样孔隙分布的规律。孔径分布曲线的纵坐标为单位质量的孔隙体积，该值与孔隙的含量呈正相关。横坐标为孔隙直径d，该值越大表明孔隙的尺寸越大[17]。本研究由压汞试验得到了0次、2次、4次、8次、12次盐-冻循环后的孔隙直径分布曲线，每组测试了3个试件，编号为1#、2#和3#。所得结果如图6所示，可以看出试件的孔径分布曲线形状为“单峰”分布特征。并且随着盐-冻循环次数的增加，孔径分布曲线的峰值逐渐提高，表明硫酸盐的腐蚀与冻融循环作用扩大了水泥基风积沙改性土的孔隙结构，改变了孔隙分布的特征。根据材料内部孔隙直径d值的大小将孔隙分为小孔(d<1 μm)、中孔(1 μm≤d<10 μm)与大孔(d≥10 μm)，即沿着横坐标轴方向自左向右分布着小孔、中孔和大孔。

图6 不同循环次数下试件的孔径分布曲线Fig.6 Pore size distribution curves of samples in different cycle numbers

由孔径分布曲线的结果将改性土中不同尺寸的孔隙归为小孔、中孔和大孔，三种尺寸的孔隙累积体积如图7所示。由图7可知，材料内部孔隙分布受硫酸盐腐蚀-冻融耦合循环作用的影响非常明显，随着循环次数的增加，三种尺寸孔隙的累积体积均呈上升趋势，且大孔的体积增加幅度尤其显著。说明硫酸盐腐蚀与冻融循环的耦合作用主要扩张了水泥基风积沙改性土的大孔隙。

图7 不同尺寸的孔隙分布直方图Fig.7 Histogram of pore distribution of samples with different sizes

3 现象分析

3.1 力学性能与孔隙体积的关系

不同试件单位质量的总孔隙体积(Va)表征了孔隙结构的发育程度，该值可以作为水泥基风积沙改性土内部结构损伤的定量参数。由试验结果计算得到不同试件的单位质量的总孔隙体积Va与强度指标UCS的关系如图8所示。从图8可以看出，随着内部孔隙体积的增加，无侧限抗压强度明显呈线性降低趋势，说明水泥基风积沙改性土的孔隙发育程度对力学性能有重要影响，且两者的相关性比较强。因此，可以根据孔隙分布的情况来近似地预测水泥基风积沙改性土的力学性能变化规律。

图8 孔隙体积与强度指标的关系Fig.8 Relationship between pore volume and strength index

3.2 腐蚀损伤的微观机理

结合扫描电子显微镜(SEM)的图像结果分析水泥基风积沙改性土力学性能和孔隙体积变化的原因，SEM照片如图9所示。可以看出初始状态的试样内部较为密实，砂粒和粘土颗粒在水泥胶结作用下形成致密整体，几乎看不到裂隙。经过4次盐-冻循环之后，水泥基风积沙改性土内部开始出现微裂隙，以不规则的多边形为主，表明溶液的渗入通道开始形成。而经过12次盐-冻循环后，试样的微裂隙相互连接，形成连通的裂隙通道。通过观察微观结构变化，认为随盐-冻循环次数的增加，试样内部结构变异最根本的表现就是孔隙分布发生改变，这主要是由材料中水泥胶结物受硫酸盐腐蚀而逐渐分解，并且冻融循环过程中的冻胀力对孔隙壁面存在扩张效应而导致的。两种效应同时耦合作用于试样时会使得试件内部的孔隙结构增大，从而降低了材料的致密程度，抗压强度也发生相应的衰减[18]。因此，本研究认为盐-冻循环耦合作用对水泥基风积沙改性土微观结构的损伤效应是其宏观力学性能削弱的根本原因。