水泥加固淤泥土力學與抗海水腐蝕性能研究*

陰琪翔，侯明姣，程強強，張夢缽

（江蘇建筑職業技術學院 建筑建造學院，江蘇 徐州 221116）

江浙地區存在大量的湖泊和海洋環境，軟土分布廣泛，其內部結構復雜多樣、含水率高、孔隙比大、力學強度小，難以滿足地基承載要求，易引發建筑結構的地基失穩、破壞開裂、工程造價高等問題[1-3]。水泥加固淤泥土可以有效改善軟土地層的力學性能，提升地基的承載能力，并且施工工藝簡單、成本可控，是目前解決軟土地層施工的重要方法之一[4-6]。

眾多學者在水泥加固淤泥土方面開展了大量的研究工作。吳燕開等[7]針對海相淤泥土開展了不同氯鹽濃度的侵蝕實驗，分析了氯鹽濃度對水泥加固淤泥土力學特性的影響規律；周本濤等[8]研究了水泥摻量以及凍融循環對水泥加固淤泥土力學特性的影響規律；劉宜昭等[9]分析了水泥加固土的Pb2+、Zn2+等重金屬的隔離能力，給出了有效隔離的水泥加固土厚度；陳庚等[10]針對水泥加固淤泥土的拌合均勻度展開研究，給出了有效的量化方法和測試手段；陳剛等[11]開展了水泥加固淤泥土的力學特性測試和Cl-運移規律研究，探討了Cl-侵蝕時間對力學性能的影響規律。然而，目前在水泥加固淤泥土的抗海水腐蝕方面的研究較少，江浙地區的臨海軟土工程施工缺乏理論支撐。因此，本文制備了不同水泥摻量的水泥加固淤泥土試件，開展了不同海水試劑干濕循環后的力學性能測試，分析了單軸抗壓強度、內聚力和內摩擦角隨水泥摻量和干濕循環次數的變化規律。本文的研究成果可為水泥加固淤泥土的工程使用提供理論支撐。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器

實驗材料有淤泥土、水泥、攪拌水和人工海水試劑。

（1）淤泥土 淤泥土取自徐州銅山區某基坑3～5m 處，XRD 測試結果顯示，其主要礦物成分由長石、石英、伊利石和蒙脫石組成，淤泥土的基本物理力學性質見表1。

表1 淤泥土的基本物理力學性質Tab.1 Basic physical and mechanical properties of silty soils

（2）水泥 水泥選用徐州潤發水泥制品有限公司的P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，其主要化學成分見表2。

表2 水泥的主要化學成分（%）Tab.2 The main chemical composition of cement

（3）攪拌水 攪拌水選用普通自來水。

（4）人工海水試劑 人工海水試劑選取上海光語生物科技有限公司的海水試劑，其主要物質含量見表3。

表3 人工海水試劑的主要物質含量Tab.3 The main substance content of artificial seawater reagent

（5）儀器 DHG-3000AE 型立式鼓風干燥箱（蘇州峻航電器設備有限公司）；門式三軸試驗系統（長春朝陽儀器廠）。

1.2 實驗方法

1.2.1 試件的制備 首先，將原狀淤泥土放入烘干箱（立式鼓風干燥箱DHG-3000AE）烘干；然后，將干淤泥土和水泥按照一定質量比（水泥摻量分別為4%、8%、12%、16%和20%）放入攪拌機充分攪拌均勻后，將淤泥土含水率為51.4%的攪拌水分多次加入攪拌機攪拌均勻；最后，將水泥加固淤泥土分3 次倒入模具中，每次振搗2～3min，恒溫恒濕養護3～5d后脫模，繼續恒溫恒濕養護28d。

1.2.2 干濕循環實驗 將養護28d 的水泥加固淤泥土在人工海水溶劑中浸泡8h 后，自然干燥40h，即2d 為一個干濕周期。分別開展各類配比加固土0、2、5、8、12、18 次的干濕循環實驗。

1.2.3 力學特性測試 將經過不同干濕循環次數后的不同水泥摻量的水泥加固淤泥土分別進行單軸抗壓強度、內聚力和內摩擦角測試（門式三軸試驗系統），分析水泥摻量以及海水侵蝕對水泥加固淤泥土力學性能的影響規律。

2 結果與討論

2.1 水泥摻量對淤泥土力學性能的影響

2.1.1 抗壓強度 向淤泥土中摻加不同質量的水泥并養護28d 后，其抗壓強度分布曲線見圖1。

圖1 水泥摻量對淤泥土抗壓強度的影響Fig.1 Effect of the cement content on the compressive strength of silty soils

由圖1 可見，水泥摻量分別為4%、8%、12%、16%和20%時，水泥加固淤泥土的無側限單軸抗壓強度分別為0.31、1.09、1.62、2.59 和3.48MPa。由這種變化趨勢上看，隨著水泥摻量（w）的增大，水泥加固淤泥土的無側限單軸抗壓強度Rc呈現線性增長特征：Rc=-0.534+0.196w，即水泥摻量每增加1%，其值增長約為0.196MPa。出現這種變化現象的原因在于，水泥水化反應不僅可以消耗掉淤泥土中大量的孔隙自由水，而且水化反應產生的高硬性物質可以填充在淤泥土孔隙中，增強土顆粒間的相互作用，進而增加淤泥土的密實性和骨架體系強度；水泥摻量越大，這種提升作用就越明顯，相應的加固淤泥土抗壓性能就越好。

2.1.2 內聚力 不同水泥摻量下淤泥加固土養護28d 后的內聚力變化曲線見圖2。

圖2 水泥摻量對淤泥土內聚力的影響Fig.2 Effect of the cement content on the cohesion of silty soils

由圖2 可見，未摻加水泥時，淤泥土的內聚力很小，僅為0.006MPa。而摻加4%、8%、12%、16%和20%的水泥后，淤泥土的內聚力則分別增加至0.102、0.354、0.515、0.722 和0.921MPa。由此可知，隨著水泥摻量w 的增大，淤泥加固土的內聚力c 也呈近線性增大：c=-0.034+0.047w，即水泥摻量每增加1%，其值增長約0.047MPa。出現這種變化現象的原因在于，水泥摻量越大，水泥水化反應產物就越多，淤泥加固土的孔隙率就越小，其密實性和顆粒黏結性也越高，相應的內聚力也越大。

2.1.3 內摩擦角 不同水泥摻量下淤泥加固土養護28d 后的內摩擦角變化曲線見圖3。

圖3 水泥摻量對淤泥土內摩擦角的影響Fig.3 Effect of the cement content on the internal friction angle of silty soils

由圖3 可見，未摻加水泥時，淤泥土的內摩擦角很小，僅為4.9°。而摻加4%、8%、12%、16%和20%的水泥后，淤泥土的內摩擦角就分別增加至12.1°、18.3°、24.0°、27.9°和30.8°。由此可見，隨著水泥摻量w 的增大，淤泥加固土的內摩擦角φ 呈指數衰減式增大：φ=-40.94e-w/19.44+45.68，即水泥摻量達到一定值后，淤泥加固土的內摩擦角就基本保持不變。出現這種變化的原因在于，水泥水化產物填充在淤泥土孔隙中能夠增強土體顆粒相互間的摩擦系數，提高淤泥加固土的內摩擦角，但當水泥摻量達到一定值后，淤泥土孔隙中將完全被水泥水化產物所填充，土體顆粒間摩擦系數就基本保持穩定，此時再增加水泥摻量對淤泥加固土內摩擦角影響不大。

2.2 水泥加固淤泥土抗海水腐蝕性能分析

2.2.1 抗壓強度變化規律 隨著海水干濕循環次數的增加，不同水泥摻量下加固淤泥土的抗壓強度變化情況見圖4、5。

圖4 海水干濕循環次數對淤泥土抗壓強度的影響Fig.4 Effect of different dry-wet cycles of seawater on the compressive strength of silty soils

由圖4 可見，隨著海水干濕循環次數的增加，不同水泥摻量下加固淤泥土的抗壓強度均呈現不斷變小的變化規律，但其減小的幅度卻越來越小，以水泥摻量為12%為例，其抗壓強度在前2 次海水干濕循環后減小了0.29MPa（相當于每次干濕循環后減小0.145MPa），在第5 次至第8 次海水干濕循環后減小了0.16MPa（相當于每次干濕循環后減小0.053MPa），在第12 次至第18 次海水干濕循環后減小了0.20MPa（相當于每次干濕循環后減小0.033MPa）。出現這種變化的原因在于，海水中的Cl-、S以及Mg2+等侵蝕性離子會在干濕循環過程中通過加固淤泥中的導水孔隙通道與水泥水化產物反應生成膨脹性物質CaCl2·6H2O，破壞加固土顆粒間的粘結作用，導致加固土抗壓強度逐漸下降，初期水泥水化產物越多，加固土抗壓強度在干濕循環過程中下降就越明顯。

由圖5 可見，水泥摻量越大，加固淤泥土在整個干濕循環過程中抗壓強度損失值就越小，以海水干濕循環次數為18 次為例，4%、8%、12%、16%和20%水泥摻量的加固土抗壓強度損失率分別為67.7%、64.2%、61.1%、57.9%以及54.5%。原因在于，水泥摻量越大，加固淤泥土的孔隙率就越小，海水中的侵蝕性離子就越難通過加固土中的導水孔隙通道進入加固淤泥土內部與水泥水化產物發生反應?？梢?，水泥摻量的增大能夠提高加固淤泥土的抗海水腐蝕能力。

圖5 海水干濕循環次數對淤泥土抗壓強度損失率的影響Fig.5 Effect of different dry-wet cycles of seawater on the loss rate of compressive strength of silty soils

2.2.2 內聚力變化規律 隨著海水干濕循環次數的增加，不同水泥摻量下加固淤泥土的內聚力變化情況見圖6。

圖6 海水干濕循環次數對淤泥土內聚力的影響Fig.6 Effect of different times of wet and dry sea water cycles on the cohesion of silty soils

由于海水干濕循環過程中，海水中的侵蝕性離子會進入加固淤泥土中與水泥水化產物生成膨脹性腐蝕產物，破壞加固淤泥土中由水泥水化產物與土組成的承載體系結構，導致加固淤泥土內聚力隨海水干濕循環次數的增加而不斷減小。當干濕循環次數為8 次時，4%、8%、12%、16%和20%水泥摻量下加固土內聚力分別為0.069、0.227、0.351、0.521 和0.685MPa，比未受海水腐蝕前減小了32.3%、35.9%、31.8%、27.9%以及25.6%。當干濕循環次數為18 次時，4%、8%、12%、16%和20%水泥摻量下加固土內聚力分別為0.040、0.124、0.245、0.388 和0.505MPa，比未受海水腐蝕前減小了60.8%、65.0%、52.4%、46.3%以及45.2%。這說明，水泥摻量的增大可以增強加固淤泥土的耐久性，提高它的抗Cl-腐蝕性能。

2.2.3 內摩擦角變化規律 隨著海水干濕循環次數的增加，不同水泥摻量下加固淤泥土的內摩擦角變化情況見圖7。

圖7 海水干濕循環次數對淤泥土內摩擦角的影響Fig.7 Effect of different times of wet and dry sea water cycles on the internal friction angle of silty soil

由圖7 可見，隨著海水干濕循環次數的增大，加固淤泥土中的腐蝕性物質會不斷增多，其孔隙率也將不斷增大，導致不同水泥摻量下加固淤泥土內摩擦角呈現逐漸減小的變化趨勢。當干濕循環次數為8 次時，4%、8%、12%、16%和20%水泥摻量下加固土內摩擦角分別為10.0°、15.1°、17.7°、20.1°和24.0°，比未受海水腐蝕前減小了17.4%、17.5%、26.3%、28.0%以及22.1%。當干濕循環次數為18 次時，4%、8%、12%、16%和20%水泥摻量下加固土內摩擦角分別為7.8°、11.8°、15.5°、18.4°和19.2°，比未受海水腐蝕前減小了35.5%、35.5%、35.4%、34.1%以及37.7%。這說明海水腐蝕作用對加固淤泥土內摩擦角的影響相比內聚力要弱，水泥摻量的增大對海水干濕循環作用下加固土內摩擦角的損失比率影響不大。

3 結論

（1）隨著水泥摻量的增大，水泥加固淤泥土的無側限單軸抗壓強度和內聚力呈線性增長特征：水泥摻量每增加1%，水泥加固淤泥土抗壓強度和內聚力將分別增長0.196MPa 和0.047MPa。

（2）隨著水泥摻量的增大，淤泥加固土的內摩擦角呈指數衰減式增大，當水泥摻量達到一定值后，淤泥加固土的內摩擦角就基本保持不變。

（3）隨著海水干濕循環次數的增加，不同水泥摻量下加固淤泥土的抗壓強度、內聚力和內摩擦角均呈現不斷變小的變化規律，但其減小的幅度卻越來越小。

（4）水泥摻量越大，加固淤泥土在整個海水干濕循環過程中的抗壓強度和內聚力損失值就越小，說明水泥摻量的增大能夠有效提高加固淤泥土的抗海水腐蝕能力。