陳四利　楊雨林　張精禹

摘要：由于多數(shù)地下水泥土工程直接與地下腐蝕性介質(zhì)環(huán)境接觸，必將導致水泥土材料的逐步劣化甚至失效破壞。以某市區(qū)工地附近明渠排放的污水作為侵蝕性介質(zhì)，制作了不同水泥摻量的水泥土試件，通過對比試驗，研究了污水環(huán)境和清水環(huán)境下不同水泥摻量、不同齡期的水泥土抗壓強度和抗剪強度。結(jié)果表明，在污水或清水環(huán)境下，相同水泥摻量水泥土30 d齡期的抗壓強度幾乎相等，隨著齡期的增加其抗壓強度均逐步增大，但污水環(huán)境下其抗壓強度增長的幅度明顯小于清水環(huán)境，90 d后清水環(huán)境的水泥土抗壓強度不再增長，而污水環(huán)境的抗壓強度開始降低；污水環(huán)境和清水環(huán)境下的水泥土內(nèi)摩擦角和黏聚力隨齡期、水泥摻量的增加均逐步增大，污水環(huán)境下齡期90 d后的內(nèi)摩擦角和黏聚力均開始降低。

關(guān)鍵詞：水泥土；污水；水泥摻量；抗壓強度；抗剪強度

中圖分類號：TU411.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）04-0112-06

Abstract：The majority of underground cemented soil projects contact with underground corrosive medium environment directly， which will lead to the deterioration of cemented soil material gradually or even failure. The discharged polluted water from the open channel near construction site is used as a kind of corrosive medium to produce test pieces of cemented soil with different cement content. In both polluted water environment and clean water environment， the compressive strength and shear strength of cemented soil with different cement content and different ages are compared. The results show that when the age is 30 days， compressive strength of cemented soil with the same cement content is almost the same in polluted water environment and clean water environment. Compressive strength of cemented soil gradually increases with the increase of the age. However， the increase extent of compressive strength in polluted water environment is significantly less than that in clean water environment. After 90 days， compressive strength of cemented soil no longer increases in clean water environment， and compressive strength begins to decrease in polluted water environment. The internal friction angle and the cohesion of cemented soil gradually increase with the increase of the age and cement content in polluted water environment and clean water environment. The internal friction angle and the cohesion begin to decrease in polluted water environment after 90 days.

Key words： cemented soil； polluted water； cement content； compressive strength； shear strength

由于水泥土施工工藝簡單、工期短、價格低廉、性能良好等特點，在建筑地基加固、基坑擋土墻及基坑止水帷幕等工程中得到廣泛應用[1]。學者們對水泥土在自然環(huán)境的力學性質(zhì)研究較多，也取得了一定的研究結(jié)果[2-6]。眾所周知，地下結(jié)構(gòu)的損壞多數(shù)與地下水的侵蝕有關(guān)，生活污水、工業(yè)污水等侵蝕性介質(zhì)融入地下水中，地下水以及土質(zhì)屢遭不同程度的污染，必將導致與污染環(huán)境接觸的水泥土工程質(zhì)量逐步劣化甚至失效破壞。比如在侵蝕性地下水地層中進行水泥土樁施工時，不僅要重視地下水對水泥土樁使用安全性的影響，而且在水泥土樁施工時地下水的侵入也要引起足夠的重視。由于不同腐蝕介質(zhì)的地下水對建筑材料有不同程度的影響，因此，有關(guān)這方面的課題越來越引起眾多學者的關(guān)注，如劉恩軍[7]介紹了侵蝕性地下水對地下結(jié)構(gòu)工程的影響、評價標準及其防治措施。寧寶寬等[8-10]探討了環(huán)境侵蝕下水泥土的力學效應、細觀破裂過程以及水泥土樁承載力的影響。陳四利等[11-13]進行了化學侵蝕下水泥土的無側(cè)限抗壓強度試驗、滲透時間以及凍融循環(huán)對水泥土影響的試驗研究。然而，在實際工程中，地下侵蝕環(huán)境不是單一的化學成分，是多種腐蝕介質(zhì)的共同作用。為此，筆者根據(jù)工程實際情況，考慮多種腐蝕性介質(zhì)的影響，如污水環(huán)境下水泥土力學特性的腐蝕效應，為水泥土工程的安全性和耐久性設計和應用提供技術(shù)參數(shù)。

根據(jù)工程實際情況，設計了污水環(huán)境下水泥土抗壓與抗剪試驗，研究了污水對水泥土的抗壓強度、內(nèi)摩擦角和黏聚力的影響規(guī)律。

1 試驗方案及試件制備

1.1 試驗材料和試樣制備

試驗采用強度等級為42.5的礦渣硅酸鹽水泥，其質(zhì)量符合國家建材標準。試驗所用土為取自沈陽市某地的粉質(zhì)黏土，經(jīng)過風干、碾壓，并且通過5 mm篩，主要的物理力學性質(zhì)指標如表1所示。

水泥土試件中的水泥摻量采取3種配制形式，即水泥摻量分別為9%、12%、15%；3種配合比試驗，土、水泥、水（清水或污水）質(zhì)量比分別為1∶0.09∶018，1∶0.12∶0.24，1∶0.15∶0.3。3種配合比均分別用清水攪拌和污水攪拌，將攪拌后水泥土分別裝入70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm鋼模為抗壓試驗試件和直徑60 mm、高20 mm的環(huán)刀中為抗剪試驗試件，靜置24 h脫模，清水攪拌的試件置于清水中養(yǎng)護（簡稱清水環(huán)境），污水攪拌的試件置于污水中養(yǎng)護（簡稱污水環(huán)境），水的溫度為（20±1）℃，分別養(yǎng)護至30、60、90、120 d待用。試件養(yǎng)護情況如圖1所示。

1.2 試驗方案

根據(jù)《JGJT 233—2011水泥土配合比設計規(guī)程》的要求以及試驗設計的要求，進行水泥土試件抗壓強度試驗和直剪試驗，主要儀器設備有YAW-300B型全自動壓力試驗機和ZJ型應變控制式直剪儀。

對養(yǎng)護齡期為30、60、90、120 d的試件進行抗壓試驗和抗剪試驗，獲取抗壓強度和抗剪強度相關(guān)參數(shù)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 污水對水泥土抗壓強度的影響

在污水環(huán)境和清水環(huán)境下，隨著水泥摻量的增大，其水泥土抗壓強度均逐步增大，而且污水環(huán)境和清水環(huán)境下的水泥土抗壓強度變化趨勢也基本相同，如圖2所示。

如圖3所示，污水環(huán)境和清水環(huán)境在齡期30 d處的抗壓強度基本相等，說明小于齡期30 d的抗壓強度其環(huán)境影響不大，隨著齡期的增加其清水環(huán)境下的水泥土抗壓強度逐步增大，90 d后幾乎不再增長。而污水環(huán)境下的水泥土抗壓強度雖然也逐步增大，但增大的幅度明顯小于清水環(huán)境，而且90 d后其抗壓強度又開始降低。齡期120 d且水泥摻量為9%、12%和15%時的清水養(yǎng)護抗壓強度分別為393、4.61和4.97 MPa，而污水養(yǎng)護分別降至297、4.01和4.53 MPa。

2.2 污水對水泥土抗剪強度的影響

不同齡期、不同水泥摻量條件下水泥土抗剪強度與法向應力的關(guān)系規(guī)律如圖4所示。從圖中可以看出，清水和污水中養(yǎng)護，水泥土抗剪強度隨著法向應力的增加而增大，回歸分析可知，其變化呈線性關(guān)系。同時還可以看出，在相同齡期、相同水泥摻量下，清水環(huán)境的抗剪強度大于污水環(huán)境的抗剪強度，而且兩條回歸曲線幾乎平行，也說明污水環(huán)境致使黏聚力弱化，影響較大，內(nèi)摩擦角與清水環(huán)境幾乎相同，影響較小。

由圖5可知，在污水環(huán)境和清水環(huán)境下水泥土內(nèi)摩擦角隨齡期、水泥摻量的增加而增大，齡期90 d后，內(nèi)摩擦角變化不大，且略有降低的趨勢。同時，水泥摻量相同，污水養(yǎng)護下的內(nèi)摩擦角比清水養(yǎng)護下的內(nèi)摩擦角均略有降低，且降低幅度非常小，說明水泥摻量相同情況下，污水環(huán)境對內(nèi)摩擦角的影響小。由圖6可知，在污水環(huán)境和清水環(huán)境下水泥土黏聚力隨齡期、水泥摻量的增加而增大，齡期90 d后，清水環(huán)境下的黏聚力幾乎沒有增加，而污水環(huán)境下的黏聚力呈下降趨勢。對于不同齡期和不同水泥摻量，污水養(yǎng)護下的黏聚力比清水養(yǎng)護下的黏聚力均有降低，且降低幅度較大。說明水泥摻量相同情況下，污水環(huán)境對黏聚力的影響較大。

2.3 污水環(huán)境影響機理初步分析

土的礦物成分主要有SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3及少量云母和可溶鹽。水泥主要水化反應是硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣。污水含有多種離子如表2所示。無機物及微生物，化學成分復雜，用污水制作養(yǎng)護水泥土，污水中離子會和水泥離子發(fā)生復雜的化學反應，會阻礙水泥的水化反應，同時和水泥水化后的產(chǎn)物發(fā)生反應，從而影響水泥土的強度。例如Mg2+、Zn2+、Fe3+都會和Ca（OH）2反應，消耗Ca（OH）2應而阻礙了水泥的水化反應。Mg2+和SO2-4導致C-S-H開始分解生成M-S-H（水化硅酸鎂），M-S-H的黏性很差，且強度不高。主要化學方程式如下：

另一方面，水泥顆粒可以吸附在比表面積大的土顆粒周圍，不斷凝結(jié)成一個整體，也可以產(chǎn)生相當數(shù)量的硅氧四面體和鋁氫氧八面體生成片或網(wǎng)狀[11]。但由于Cl - 的作用使水泥土引起蜂窩狀孔洞使水泥顆粒不能更好吸附在土顆粒周圍從而影響強度。

3 結(jié) 論

對水泥土進行了污水制作養(yǎng)護與清水制作養(yǎng)護對比試驗，分析了不同水泥摻量、不同齡期對水泥土抗壓強度、抗剪強度的影響，得到如下的結(jié)論：

1）在污水環(huán)境和清水環(huán)境下，齡期小于30 d的水泥土抗壓強度幾乎相等，隨著齡期的增加其清水環(huán)境下的水泥土抗壓強度逐步增大，90 d后幾乎不再增長。而污水環(huán)境下的水泥土抗壓強度雖然也逐步增大，但增大的幅度明顯小于清水環(huán)境，而且90 d后其抗壓強度不再增長，開始降低。

2）不同水泥摻量和不同齡期的水泥土抗剪強度隨著法向應力的增加而增大，試驗結(jié)果表明，其抗剪強度變化呈線性關(guān)系，污水環(huán)境的抗剪強度明顯小于清水環(huán)境的抗剪強度，而且兩條曲線幾乎平行，也說明污水環(huán)境致使黏聚力弱化，影響較大，內(nèi)摩擦角與清水環(huán)境幾乎相同，影響較小。

3）污水環(huán)境和清水環(huán)境下水泥土內(nèi)摩擦角隨齡期、水泥摻量的增加而增大，在齡期90 d后，內(nèi)摩擦角變化不大，且略有降低的趨勢。污水環(huán)境下的內(nèi)摩擦角比清水環(huán)境下的內(nèi)摩擦角均略有降低，且降低幅度非常小。

4）污水環(huán)境和清水環(huán)境下水泥土黏聚力隨齡期、水泥摻量的增加而增大，在齡期90 d后，清水環(huán)境下的黏聚力幾乎沒有增加，而污水環(huán)境下的黏聚力呈下降趨勢。污水環(huán)境下的黏聚力比清水環(huán)境下的黏聚力均有降低，且降低幅度較大。說明水泥摻量相同情況下，污水環(huán)境對黏聚力的影響較大。

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（編輯 胡英奎）