夏正兵

(江苏城市职业学院建筑工程学院,南通 226006)

0 引 言

水泥土是水泥和土搅拌后相互结合的产物,将水泥作为固化剂,从而提高了土的强度,起到了加固的作用。此外,水泥土搅拌桩法是处理地基的一种方法,此方法在施工时方便快捷,效果好,在工程中得到了广泛的应用。在国内外,有关水泥土的研究已广泛进行。水泥土无侧限抗压强度的影响因素有多种,比如土的性质、水泥的种类、水泥的含量、养护龄期和含水量等。然而水泥土用于工程应用中会受到环境的影响,有关环境侵蚀对水泥土的力学性质也已研究较多。A.Weise等[1]研究了淡水、海水对水泥处理软黏土强度的影响,并探讨了强度变化的机理;CHEN等[2]研究了水泥土中渗透时间对水泥土剪切强度和抗压强度的影响,并研究了水泥土的渗透性质;N.Miura等[3]简述了原位技术,分析了高含水黏土强度的发展规律;宁宝宽等[4]通过室内试验研究表明,酸碱侵蚀对水泥的强度有影响;白晓红等[5]模拟了多种污染环境下水泥土的力学性质,并分析了龄期对水泥土抗压强度的影响;訾岩珂等[6]研究了硫酸铵对水泥土的侵蚀,分析了相应的荷载与位移的关系;陈中学等[7]探讨了水泥土无侧限抗压强度的主要影响因素;董晓强等[8]揭示了污染土对水泥土的影响,分析了水泥龄期、水泥类型和污染土类型对是泥土抗压强度的影响;韩鹏举等[9]通过在水泥土掺有不同含量的硫酸钠,分析了硫酸钠对水泥土固化过程的影响;赵程等[10]从压实水泥土的微观分析了密实度对水泥土强度的影响。

本文通过试验探究了水泥土在不同浓度硫酸根环境下无侧限抗压强度的变化,并根据硫酸镁溶液中水泥土抗压强度随龄期的变化及应力-应变关系曲线,分析了无侧限抗压强度与溶液浓度的关系,为水泥土的工程应用提供一定的技术参考资料。

1 试验方案

1.1 试验材料

黄土取自山西省吕梁市某工地,其物理性质见表1,其颗粒级配曲线见图1。水泥采用42.5级的普通硅酸盐水泥,其主要化学成分见表2。

表1黄土基本物理指标

Table 1The basic physical indicators of loess

图1 黄土的颗粒级配曲线Fig 1 Particle grading curve ofloess

1.2 试验方法

配制不同浓度的MgSO4溶液,分别为5 g/L、10 g/L 、20 g/L;同时配制了5种不同浓度的H2SO4溶液:2 g/L、4.5 g/L、9 g/L、18 g/L、22 g/L;清水为对照组。

表2水泥的主要化学成分

Table 2Main chemical composition of cement

1.3 试样制备

将黄土烘干、碾碎后过2 mm的筛,水泥掺量为黄土干重量的15%,材料配比表见表3。将混合料在搅拌机中搅拌均匀后,装入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的钢模中成型,放在振动台上振捣3 min,然后把表面刮平,24 h后拆模。

表3材料配比表

Table 3Material ratio

1.4 试验过程

将拆模后的试样放入配制好的溶液中养护,每个浓度下设置3个平行试样,达到龄期后采用WAW-2000 微机控制万能试验机(图2)测试无侧限抗压强度,加载速率为5 mm/min,测试结果取三者平均值,相对误差超过30%的舍弃。

图2 万能试验机Fig.2 Universal testing machine

2 结果与分析

2.1 清水养护试样的应力-应变曲线

清水养护(28 d)试样的荷载-位移曲线如图3所示。由图3可知,水泥土的应力应变曲线可以分为三个阶段。分析各阶段曲线与试样外观的变化可以发现,在初始阶段(位移小于1 mm),随位移的增大,荷载增大的幅度较缓,试样逐渐被挤压密实,接近弹性阶段;在持续加载阶段,随着位移增加,荷载增大较快,试样中的薄弱部位出现了小裂纹,试样中的孔隙减小,密实度提高,当荷载达到最大时,裂纹继续扩展,逐渐贯通;在软化阶段,试样中的裂纹继续扩展,宽度逐渐增大,试样结构发生了破坏,荷载随位移的增大下降较快。综上,水泥土的应力-应变曲线先接近线弹性变化后下降较快。

图3 清水养护试样强度-位移曲线关系Fig.3 Relationship between strength and displacement during fresh water

2.2 硫酸镁溶液养护试样抗压强度与应变的关系

三种浓度硫酸镁溶液养护(28 d)试样的无侧限抗压强度与轴向应变关系如图4所示。由图4可知,水泥土在三种不同硫酸镁溶液中的应力-应变曲线相似,但与图3中清水浸泡试样的曲线具有明显区别,具体表现在,硫酸镁溶液浸泡试样的破坏强度增加,并且在持续加载阶段的应变区间缩短。其中,浸泡在浓度为20 g/L硫酸镁溶液中的试样强度峰值最小,并且几乎不存在持续加载阶段;而在5 g/L和10 g/L浓度溶液中浸泡试样的强度-应变曲线几乎重叠,并且其破坏强度较高。

分析认为,一定浓度的硫酸盐对水泥的水化具有促进作用,可提高水泥土的强度;但当硫酸盐浓度较高时,又会使水泥的水化产物CSH分解,降低水泥的胶凝作用,从而使硫酸盐的增强作用减弱。

图4 硫酸镁溶液试样强度-位移曲线关系Fig4 Relationship between strength and displacement during magnesium sulfate solution

从图4中20 g/L硫酸镁溶液浸泡试样的强度-应变曲线还能看出,强度随应变呈接近线性增加后又呈近似线性下降,说明高浓度的硫酸镁可使水泥土的脆性增加。

2.3 无侧限抗压强度与硫酸浓度的关系

图5为养护28 d时无侧限抗压强度与硫酸浓度的关系。由图5可以看出,当硫酸浓度为9 g/L时,无侧限抗压强度达到2.6 MPa,当硫酸浓度为22 g/L时,无侧限抗压强度达到1.6 MPa。硫酸浓度为0的对照组强度最小,只有1.104 MPa。

图5 无侧限抗压强度与硫酸浓度的关系Fig 5 Relationship between unconfined compressive strength and sulfuric acid concentration

分析认为,在硫酸浸泡下,水泥发生水化反应生成了硅酸钙和铝酸钙,当硫酸侵蚀容易进入水泥土的孔隙中,生成了钙矾石(AFt)[11]。当硫酸浓度较低时,生成的少量钙矾石进入孔隙,提高了式样的密实度,所以强度会小幅提高;当硫酸浓度增大时,钙矾石产生较多,钙矾石会使得体积膨胀,造成式样的疏松,使得水泥土发生破坏,故而强度迅速下降。

2.4 无侧限抗压强度与硫酸镁浓度的关系

图6为图4中轴向应变为1.1%处不同浓度硫酸镁浸泡试样的无侧限抗压强度。从图6可以看出,无侧限抗压强度随硫酸镁溶液浓度的增大先增大后减小,与图5的变化规律是类似的。在镁离子的作用下无侧限抗压强度比硫酸作用下小,降低了水泥土的抗压性能。当硫酸镁的溶度为10 g/L时,水泥土的抗压强度为1.35 MPa左右,随着硫酸镁浓度的进一步增大,抗压强度降低。

图6 无侧限抗压强度与硫酸镁浓度的关系Fig.6 Relationship between unconfined compressive strength and magnesium sulfate concentration

拟合后发现,无侧限抗压强度与硫酸镁浓度成二次抛物线关系。公式如下:

qu=-0.002c2+0.045c+1.104

式中:qu为无侧限抗压强度,MPa;c为硫酸镁浓度,单位g/L。

2.5 养护龄期对无侧限抗压强度的影响

不同硫酸镁溶液侵蚀时间下的无侧限抗压强度测试结果见图7。由图7可知,无侧限抗压强度随龄期的增长先增大后减小,与清水浸泡试样对比得到,硫酸镁溶液浸泡使试样的无侧限抗压强度减小,清水浸泡试样无侧限抗压强度最大。

分析认为,随龄期的增长,水泥与土结合产生胶结作用,使得土体与水泥相互粘结。而加入硫酸镁后,硫酸镁腐蚀水泥的水化产物,造成强度降低。

图7 无侧限抗压强度与养护龄期的关系Fig.7 Relationship between unconfined compressive strength and erosion time

3 结 论

(1) 清水浸泡试样在初始阶段,随位移的增大,荷载增大幅度较缓,表现为弹性变形特征;硫酸镁浸泡试样无侧限抗压强度随应变的增加而增加较快且两者呈线性关系,浸泡在浓度为20 g/L硫酸镁溶液中发水泥土的抗压强度峰值最小。

(2) 随着硫酸镁浓度的增加,水泥土的抗压强度先增加、后减小,强度与硫酸镁浓度呈二次函数关系。

(3) 硫酸镁溶液浸泡使试样的无侧限抗压强度减小,清水浸泡试样无侧限抗压强度最大。