陳 剛，馬艷慧，郭肖陽，吳燕開

(1.中交一航局第四工程有限公司 江西 南昌 330103；2. 山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引言

隨著國家海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出，我國海岸工程建設(shè)逐漸增加，但海岸多分布不良地質(zhì)土體，特別是稀軟的淤泥。淤泥具有高含水率、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，淤泥處理成為海岸工程建設(shè)中的首要任務(wù)，因此對這一不良地質(zhì)體進(jìn)行加固處理。鋼渣作為煉鋼過程中的一種副產(chǎn)品，產(chǎn)量大，資源利用率低。但其內(nèi)部含有多種有用的成分，與水泥化學(xué)成分相似，多被用于二次資源綜合利用的材料，尤其在工程建設(shè)中使用廣泛。但海水中鹽對于固化土的侵蝕比較嚴(yán)重，且氯鹽在海水鹽比例含量最高，故主要研究關(guān)于海水氯鹽侵蝕固化淤泥土。

關(guān)于氯鹽對固化土的侵蝕研究，楊曉明[1]通過研究發(fā)現(xiàn)Cl-對齡期為7，28和60 d的水泥土強(qiáng)度都有顯著影響，XING等[2]通過模擬Cl-可溶鹽環(huán)境，研究了高濃度氯鹽對水泥固化土的強(qiáng)度影響，得出Cl-對水泥固化土的影響貫通于整個(gè)強(qiáng)度增長時(shí)期。徐超[3]加固濱海軟土?xí)r，發(fā)現(xiàn)使用礦渣水泥固化濱海軟土，能夠限制軟土中的氯鹽對水泥固化土的強(qiáng)度侵蝕。陳四利[4-5]通過氯鹽對水泥土的侵蝕研究，發(fā)現(xiàn)隨著氯鹽濃度的增加，水泥土的動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量逐漸降低。XIONG等[6]通過室內(nèi)抗壓強(qiáng)度和微觀試驗(yàn)研究了Cl-對水泥土的性能影響，結(jié)果表明水泥土的強(qiáng)度隨離子含量的增加而降低，且抑制了水泥水化產(chǎn)物的形成，降低了膠凝作用。

關(guān)于國內(nèi)外氯鹽對水泥混凝土的侵蝕作用研究，WANG等[7]研究了含粉煤灰(FA)/硅粉(SF)混凝土抗凍融和氯離子聯(lián)合攻擊的抗氯離子滲透能力(CPR)。試驗(yàn)前氯化鈉溶液浸泡41 d比自來水更具侵略性，得到凍融與氯離子侵蝕的相互作用加速了混凝土的變質(zhì)。WANG等[8]研究了氯離子腐蝕損傷鋼筋在硫酸鹽離子環(huán)境下鋼筋混凝土(RC)梁的基本力學(xué)行為。得出在氯離子和硫酸鹽腐蝕初期的力學(xué)變形性能得到了改善。這是由于微膨脹吐云石和硫酸石膏的填筑效果增強(qiáng)了混凝土強(qiáng)度，增強(qiáng)了鋼混凝土界面鍵的結(jié)合。ZHAO等[9]通過研究確定現(xiàn)澆混凝土受到硫酸鹽-氯離子聯(lián)合攻擊后的降解機(jī)理。得到現(xiàn)澆混凝土與硫酸鹽相比，硫酸鹽-氯聯(lián)合作用的損傷更嚴(yán)重，強(qiáng)度損失更大。共存的氯化物加速了硫酸鹽的擴(kuò)散和積累，特別是在早期階段。郭寅川等[10]通過混凝土的剝蝕量與動(dòng)彈性模量的損失來研究橋面板混凝土在氯鹽侵蝕和氣候嚴(yán)寒作用下的抗鹽凍性，發(fā)現(xiàn)混凝土表面砂漿層在氯鹽冰凍環(huán)境下加快了剝蝕速度。

關(guān)于鋼渣粉的摻入，黃毅等[11]研究了20多種鋼渣粉發(fā)現(xiàn)鋼渣粉的成分與水泥成分類似，可替代水泥用于工程之中。從改變物理特性方面，為提高鋼渣粉的水化效率，張朝暉等[12]將鋼渣粉磨細(xì)以增加其表面積，使其充分水化，提高膠凝性。朱李俊等[13]將鋼渣微粉結(jié)合水泥用于污染土體的固化，有效修復(fù)了金屬污染土。吳燕開等[14]發(fā)現(xiàn)鋼渣粉摻量為10%時(shí)，其水化效果較好，且鋼渣粉對水泥土強(qiáng)度的提高遠(yuǎn)不如水泥。胡銳[15]文中運(yùn)用激發(fā)劑氫氧化鈉激發(fā)鋼渣粉活性，提高其膠凝性及水泥土抗壓強(qiáng)度。鄧永峰[16]、趙余[17]將鋼渣中加入偏高嶺土結(jié)合水玻璃與水泥激發(fā)得到鋼渣型復(fù)合基材，用于軟土的固化，且發(fā)現(xiàn)鋼渣基復(fù)合材料摻量為20%時(shí)，軟土固化效果最好。李浩等[18]發(fā)現(xiàn)在固化劑摻量相同時(shí)，使用液態(tài)固化劑固化淤泥土的強(qiáng)度高于使用固態(tài)固化劑淤泥土強(qiáng)度。對于海相淤泥土的固化，需降低海水中鹽離子的侵蝕作用。潘世寧等[19]以粉煤灰水泥固化劑固化濱海相淤泥，吳雪婷等[20-21]則采用離子土固化劑(ISS)、水泥、堿化劑NaOH對海相淤泥進(jìn)行單摻、復(fù)摻、堿化復(fù)摻等不同方式的化學(xué)固化，王桂萱等[22]使用水泥熟料、高爐礦渣粉、石膏粉3種材料混合固化海相淤泥土，固化土強(qiáng)度得到提升，有效降低了海水中鹽離子的侵蝕。郭慶兵[23]發(fā)現(xiàn)在氯鹽的作用下，使得未水化完成的水化材料C2S或C3S先與石膏反應(yīng)生成AFt， AFt(單硫型水化硫鋁酸鈣又稱鈣礬石)與水化產(chǎn)物生成AFm(單硫型水化硫鋁酸鈣)，AFt,AFm與可Cl-生成Fridel’s鹽(F’s鹽)。

目前，對于鋼渣粉的研究很多，但關(guān)于氯鹽侵蝕下的鋼渣粉水泥固化淤泥土的研究較少。本研究以青島膠州灣淤泥為研究對象，摻入一定比例的水泥和鋼渣粉進(jìn)行固化，因鋼渣粉顆粒密實(shí)，不易水化，故加入NaOH作為激發(fā)劑，共同作用于淤泥土的固化。并對其進(jìn)行NaCl溶液侵蝕，研究侵蝕后固化土的宏微觀特性及其內(nèi)部氯離子的遷移規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與試樣制備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為青島市膠州灣海相淤泥質(zhì)土，淤泥土呈流塑狀，黑灰色，有刺鼻難聞氣味，里面夾雜著些許貝殼和石子(在磨土前已挑出)，埋深約為9～10 m，其基本物理參數(shù)詳見表1。淤泥土體具有高含水率、低承載能力等特點(diǎn)。試驗(yàn)中將淤泥土體放置于室外進(jìn)行自然條件下的風(fēng)干，待晾曬完成進(jìn)行磨制，將土體磨制成粒徑為2 mm以下，留取存放，待制備試樣時(shí)使用。測定淤泥質(zhì)土的液塑限使用的是錐式液塑限聯(lián)合測定儀，測定淤泥質(zhì)土的內(nèi)摩擦角與黏聚力使用的是美國某公司生產(chǎn)的Shear Trac-Ⅱ直剪儀。

表1 淤泥土基本物理參數(shù)Tab.1 Basic physical parameters of silty soil

試驗(yàn)采用諸城市某水泥有限公司生產(chǎn)的32.5#普通硅酸鹽水泥，灰色粉末狀，比表面積大于300 m2/kg，其主要礦物成分為：CaO，SiO2，Al2O3，MgO，F(xiàn)e2O3，SO3等；采用石家莊市某煉鋼廠煉鋼所棄廢渣經(jīng)濕式磁選法處理的鋼渣微粉，黑色粉末，顆粒圓潤，其主要礦物成分有C2S，C3S，MgO，F(xiàn)e2O3，Al2O3，MnO等，粒徑為300目左右。

試驗(yàn)采用天津市某精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司生產(chǎn)的NaOH，分析純，NaOH的含量不少于96.0%。試驗(yàn)中配置溶液采用天津市某三廠有限公司生產(chǎn)的氯化鈉(NaCl)，分析純，含量高于99.5%。

1.2 試樣的配比以及制備方法

1.2.1 試樣制備

制備試樣時(shí)，將磨好的淤泥土過2 mm篩后稱取一定的質(zhì)量放入攪拌器中，按照純水泥固化淤泥土(水泥15%)和鋼渣聯(lián)合水泥固化淤泥土(水泥10%和鋼渣10%)分別進(jìn)行混合并攪拌均勻。取稱量好的NaOH(約為土樣質(zhì)量的0.6%)加入一定量的水中，用玻璃棒充分?jǐn)嚢?，倒入攪拌器中攪拌成均勻的漿體。將攪拌好的漿體倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具中，在振動(dòng)臺(tái)上振搗密實(shí)后將其表面刮平，蓋上保鮮膜，在室溫下放置48 h后脫模。

將脫膜后的試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(溫度20±1 ℃，濕度≥90%)中分別養(yǎng)護(hù)7，28 d，從養(yǎng)護(hù)箱取出后使用防水材料密封5個(gè)面，然后放入到盛有相應(yīng)侵蝕溶液的侵蝕箱中進(jìn)行單面侵蝕，同一類型試塊在同一侵蝕時(shí)間下制作6塊平行試塊，放在同一個(gè)侵蝕箱中，侵蝕時(shí)間分別為7 d，30 d，60 d，90 d。待達(dá)到侵蝕時(shí)間后進(jìn)行試驗(yàn)，為減少誤差以6塊平行試塊結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

1.2.2 試樣侵蝕溶液

侵蝕溶液主要分為4種：蒸餾水，1倍NaCl溶液(1倍海水氯鹽含量)，3倍NaCl溶液和5倍NaCl溶液，1倍海水氯離子含量表示的是海水中氯鹽的含量約為1.9%。侵蝕溶液的配比如表2所示，然后將稱量好的NaCl放入1 kg的蒸餾水中。

表2 侵蝕溶液配比表Tab.2 Corrosion solution ratio table

1.2.3 試驗(yàn)方法

(1)質(zhì)量變化率

質(zhì)量變化率試驗(yàn)按以下步驟進(jìn)行：(1)將養(yǎng)護(hù)好的試樣取出并稱取其質(zhì)量，后放入侵蝕溶液進(jìn)行侵蝕；(2)侵蝕完成后取出并稱取其質(zhì)量；(3)質(zhì)量變化(m1-m0),見表3，表4；(4)質(zhì)量變化率按式(1)計(jì)算。

表3 鋼渣水泥土質(zhì)量變化表(單位:g)Tab.3 Quality change table of steel slag soil-cement(unit:g)

表4 水泥土質(zhì)量變化表(單位:g)Tab.4 Quality change table of soil-cement(unit:g)

δm=(m1-m0)/m0，

(1)

式中，m0為試樣侵蝕前質(zhì)量；m1為試驗(yàn)侵蝕后質(zhì)量。

(2)含水量

在干燥的實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)環(huán)境下，含水量試驗(yàn)按以下步驟完成：(1)將侵蝕完成的水泥土鋼渣試樣用錘子炸碎，取一塊試樣內(nèi)部的固化土樣，用托盤天平稱取其質(zhì)量，記為M1；(2)將稱取完質(zhì)量的土樣放入烘干箱，在105.8 ℃下進(jìn)行烘干；(3)24 h后將烘干箱關(guān)閉，待烘干箱內(nèi)溫度晾至室溫，取出土樣，稱取其質(zhì)量，記為M0；(4)將含水量按式(2)計(jì)算：

(2)

式中，M1為試樣烘干前質(zhì)量；M0為試樣烘干后質(zhì)量。

2 不同侵蝕時(shí)間下的物理力學(xué)特性

2.1 質(zhì)量變化率

質(zhì)量變化率可通過質(zhì)量的變化分析試樣在浸泡過程中的損耗，用于輔助分析試樣內(nèi)部的反應(yīng)情況。如圖1是養(yǎng)護(hù)7 d和28 d下水泥土試樣和鋼渣水泥土試樣在進(jìn)行不同侵蝕時(shí)間后的質(zhì)量變化率。

圖1 不同侵蝕時(shí)間下的質(zhì)量變化率Fig.1 Mass change rate under different erosion time

觀察水泥土試樣的質(zhì)量變化率圖發(fā)現(xiàn)，水泥土試樣在不同侵蝕濃度下的質(zhì)量總體上呈上升趨勢，最大值為6.63%。養(yǎng)護(hù)7 d后，1倍海水濃度和蒸餾水侵蝕下水泥土試樣的質(zhì)量變化率先降低后增加，且增加趨勢較大，蒸餾水侵蝕試樣的增加最大可達(dá)到2%；養(yǎng)護(hù)28 d水泥土試樣的質(zhì)量變化率先減小后增加，侵蝕90 d的質(zhì)量變化率均高于侵蝕7 d的，其最大質(zhì)量變化率是7 d的1.33倍。而觀察鋼渣水泥土試樣的質(zhì)量變化率圖發(fā)現(xiàn)，隨著侵蝕時(shí)間的增加，養(yǎng)護(hù)7 d試樣的質(zhì)量變化率先增加后減小，最大值為5.77%；對于蒸餾水侵蝕試樣，侵蝕90 d的質(zhì)量變化率低于侵蝕7 d的質(zhì)量變化率，侵蝕7 d的試塊為90 d的1.57倍；對于養(yǎng)護(hù)28 d的鋼渣水泥土試樣，隨著侵蝕時(shí)間的增加，其質(zhì)量變化率先增加后減小然后再增加，再侵蝕60 d到90 d階段中1倍海水濃度侵蝕試樣的質(zhì)量變化率增長幅度較大，增長可達(dá)8%，但其他三者的質(zhì)量變化率增長幅度相對較平穩(wěn)。鋼渣水泥土試樣的質(zhì)量變化率明顯高于水泥土試樣的質(zhì)量變化率，其最大質(zhì)量變化率是水泥土最大質(zhì)量變化率的1.78倍，但不論水泥土還是鋼渣水泥土，同類型侵蝕下，養(yǎng)護(hù)28 d試樣的質(zhì)量變化率普遍高于養(yǎng)護(hù)7 d試樣。除個(gè)別試樣有所降低，試樣的質(zhì)量變化率整體呈增長趨勢。

綜上分析，因水泥、鋼渣所含的C3S，C2S等主要材料結(jié)合吸收水分發(fā)生水化反應(yīng)，質(zhì)量變化率整體呈增長趨勢。因水泥早期水化較快，鋼渣早期水化較慢，水泥在侵蝕前結(jié)合水產(chǎn)生的膠凝材料較多，相對于鋼渣剩余的水化材料較少，侵蝕后增長幅度較鋼渣低，所以鋼渣水泥土試樣的質(zhì)量變化率高于水泥土試樣。但同材料的固化土養(yǎng)護(hù)28 d試樣的質(zhì)量變化率普遍高于養(yǎng)護(hù)7 d試樣，可能有以下原因：(1)氯鹽侵蝕下，氯離子的進(jìn)入可與膠凝材料發(fā)生反應(yīng)，降低孔隙中膠凝材料的含量，增大孔隙，使水進(jìn)一步深入試樣，產(chǎn)生充分的水化反應(yīng)；(2)7 d試樣雖沒有28 d試樣水化完全，但氯鹽的摻入，阻礙了水化材料發(fā)生水化反應(yīng)。對于養(yǎng)護(hù)7 d水泥土，蒸餾水侵蝕試樣在侵蝕30 d的質(zhì)量變化率降低明顯，應(yīng)與材料表面部分觸碰脫落有關(guān)。

2.2 含水量

含水量是表示試樣內(nèi)部水分含量的指標(biāo)，因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，不同的試樣含水量有一定的差別，含水量也可做為衡量試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)、試樣孔隙數(shù)量其中的一個(gè)影響因素，但其變化不能完全影響試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)與試樣所表現(xiàn)的性質(zhì)。因不同試樣具有一定的誤差，不能對含水量進(jìn)行絕對性的分析，可進(jìn)行不同侵蝕時(shí)間下的趨勢分析。

如圖2所示，隨著侵蝕時(shí)間的增加，含水量整體呈上升趨勢，以養(yǎng)護(hù)28 d的鋼渣水泥土試樣最為明顯，最大含水量變化率高達(dá)9.71%。隨著侵蝕時(shí)間的增加，水泥土試樣的含水量呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，而鋼渣水泥土試樣的含水量則呈現(xiàn)先降低后增加然后再降低的趨勢，鋼渣水泥土最大含水量為水泥土的1.15倍。這與鋼渣的加入有一定的關(guān)系，水泥土的早期水化比較充分可產(chǎn)生大量的膠凝材料固化淤泥土，鋼渣水化速度慢，內(nèi)部孔隙相對水泥土試樣較多，侵蝕溶液可以更多地侵入試樣內(nèi)部，可以提供后期的水化反應(yīng)。對于水泥土和鋼渣水泥土，養(yǎng)護(hù)7 d試樣的含水量變化速率相差最大可達(dá)9.17%和8.54%；而養(yǎng)護(hù)28 d水泥土試樣含水量的變化速率較慢，最大含水量變化速率僅有6.72%。因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)7 d試樣進(jìn)行的水化反應(yīng)不如養(yǎng)護(hù)28 d的充分，養(yǎng)護(hù)7 d的試樣內(nèi)部膠凝材料較少，孔隙較多，在同種侵蝕溶液下更易進(jìn)入試樣內(nèi)部，更易被氯鹽侵蝕，消耗C—S—H等膠凝材料，降低試樣內(nèi)部黏聚力，造成試樣破壞。對比其他3種，隨著侵蝕時(shí)間的增加，養(yǎng)護(hù)28 d的水泥土試樣的含水量折線最緩，侵蝕前后含水量的變化最小，主要因養(yǎng)護(hù)28 d水泥土試樣內(nèi)部水化較為充分，內(nèi)部孔隙含量較少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，同等氯鹽侵蝕下，養(yǎng)護(hù)28 d水泥土試樣中進(jìn)入的水分較少，且因水化較為充足，試樣內(nèi)部本身所具有的水分比其他3種都少。對比圖1的4張圖，水泥土試樣在蒸餾水侵蝕下，含水量較高，主要是因試樣內(nèi)部含有一定的鹽溶液，為減小內(nèi)外濃度差以達(dá)到濃度的相對平衡，外部水分經(jīng)擴(kuò)散、滲透逐漸進(jìn)入試樣內(nèi)部。

圖2 不同侵蝕時(shí)間下的含水量Fig.2 Water content under different erosion times

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖3是在不同侵蝕時(shí)間下養(yǎng)護(hù)7 d和28 d的水泥土試樣和鋼渣水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度圖，由圖可知，水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于鋼渣水泥土，其最大強(qiáng)度是鋼渣水泥土最大強(qiáng)度的2.34倍；隨著侵蝕時(shí)間的增加，養(yǎng)護(hù)7 d的水泥土和鋼渣水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度整體呈增長趨勢，最大強(qiáng)度分別為1.38 MPa和0.72 MPa，但在侵蝕早期有略微的下降，隨后強(qiáng)度逐漸上升，且水泥土試樣的上升速度要快于鋼渣水泥土。隨著侵蝕時(shí)間的增加，養(yǎng)護(hù)28 d試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度折線呈現(xiàn)出先增加后降低的形態(tài)，但鋼渣水泥土試樣的強(qiáng)度增長趨勢較大，而水泥土試樣的強(qiáng)度增加較為平穩(wěn)。

圖3 不同侵蝕時(shí)間下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.3 Unconfined compressive strength under different erosion times

分析其因，水泥土試樣的水化較為完全，產(chǎn)生的膠凝材料較多，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，孔隙較少，可具有較大的承載能力，雖然鋼渣粉加入較多且加入NaOH催化劑，但還不能取代水泥作為固化材料，改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低試樣內(nèi)部的密實(shí)性。同時(shí)，隨著侵蝕時(shí)間的增加，氯離子不斷進(jìn)入試樣內(nèi)部，與膠凝材料反應(yīng)，降低了試樣內(nèi)部的黏結(jié)能力，使得養(yǎng)護(hù)28 d試樣的強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢；而養(yǎng)護(hù)7 d試樣的強(qiáng)度不斷增加可能與鋼渣的不完全水化有關(guān)，隨著侵蝕時(shí)間的增加，鋼渣逐漸水化，且水化速率高于氯離子的侵蝕速率。

3 不同侵蝕時(shí)間下的氯離子變化規(guī)律

圖4是取自不同侵蝕時(shí)間下距試樣侵蝕表面1 cm 處樣本測定的氯離子濃度。對比鋼渣水泥土試樣，水泥土試樣內(nèi)部的氯離子濃度相對較低，水泥土的氯離子濃度最大為0.101 126 mol/L，鋼渣水泥土的氯離子濃度最大為0.154 211 mol/L，水泥土試樣較鋼渣水泥土試樣抗氯離子侵蝕能力較好，其最大氯離子濃度低于鋼渣水泥土1.52倍。養(yǎng)護(hù)28 d試樣的氯離子濃度低于養(yǎng)護(hù)7 d試樣，侵蝕90 d氯離子濃度最大差值為0.037 mol/L。隨著侵蝕時(shí)間增加，養(yǎng)護(hù)28 d試樣的氯離子變化曲線先上升后平穩(wěn)，養(yǎng)護(hù)7 d試樣氯離子變化曲線大多在上升階段，部分侵蝕濃度的氯離子變化曲線呈現(xiàn)先上升后平穩(wěn)的狀態(tài)。即隨著侵蝕時(shí)間增加，養(yǎng)護(hù)28 d試樣的氯離子濃度先增加后減少，養(yǎng)護(hù)7 d試樣的氯離子濃度一部分在增加階段，但也有一部分表現(xiàn)出平穩(wěn)的趨勢。蒸餾水侵蝕下試樣的氯離子濃度較為穩(wěn)定，波動(dòng)不大，因淤泥土中含有一定的氯鹽，所以蒸餾水侵蝕下試樣內(nèi)部也有氯離子的存在。

圖4 不同侵蝕時(shí)間下的氯離子濃度Fig.4 Chloride ion concentration under different erosion time

綜上分析，因試樣內(nèi)外存在著較大的濃度差，所以隨著侵蝕時(shí)間的增加，氯離子經(jīng)過擴(kuò)散逐漸進(jìn)入試樣內(nèi)部，部分氯離子結(jié)合內(nèi)部材料反應(yīng)呈現(xiàn)為固定狀態(tài)，在孔隙中的氯離子則呈現(xiàn)為自由狀態(tài)，與外界氯離子濃度形成動(dòng)態(tài)平衡，氯離子濃度相對穩(wěn)定。因水泥土試樣的水化較為充分，試樣內(nèi)部孔隙較少，氯離子更難進(jìn)入試樣內(nèi)部的更深層。

4 微觀機(jī)理

圖5是養(yǎng)護(hù)28 d后在1倍海水氯鹽濃度下侵蝕的水泥土試樣放大8 000倍得到的SEM圖。圖5(a)是在1倍海水氯鹽侵蝕7 d的水泥土試樣SEM圖，由圖5(a)可以看出水泥土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列緊密，各土顆粒之間由水化生成的膠凝材料緊緊地黏結(jié)在一起，內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的孔隙和縫隙較少，都被C-S-H等水化膠凝材料充實(shí)，結(jié)構(gòu)表面較為光滑，說明因侵蝕時(shí)間較短，水泥土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)受氯鹽侵蝕作用較弱，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體性較好。圖5(b) 中水泥土試樣經(jīng)歷1倍海水氯鹽侵蝕30 d后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍表現(xiàn)為排列密實(shí)，膠凝材料和土顆粒形成的團(tuán)聚體比圖5(a)的還緊密，內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的孔隙或縫隙更少，這可能與水泥的水化有關(guān)，在短時(shí)間內(nèi)，水泥的水化還在持續(xù)，水化生成的膠凝材料繼續(xù)填充內(nèi)部的孔隙和縫隙，也可能與氯鹽的進(jìn)入有關(guān)，氯鹽的進(jìn)入使得未水化完成的水化材料C2S或C3S與氯鹽反應(yīng)生成F’s鹽，用于填充孔隙。但相比于圖5(a)侵蝕30 d的水泥土試樣表面片狀的水化膠凝材料的體積變小，且出現(xiàn)小顆粒物質(zhì)，這些小顆粒物質(zhì)多數(shù)與氯離子有關(guān)，因氯鹽的侵蝕，氯離子與表面的水化材料反應(yīng)，最后形成無黏性的小顆粒，附著在黏性的膠凝材料上。

圖5 氯鹽侵蝕下養(yǎng)護(hù)28 d水泥土試樣的8 000×SEM圖Fig.5 8 000×SEM images of cement soil samples cured for 28 days under chloride erosion

再看圖5(c)中侵蝕60 d試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對密實(shí)，但開始出現(xiàn)明顯的孔隙，內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面受氯鹽侵蝕效果比較明顯，內(nèi)部團(tuán)聚體之間的黏結(jié)面積減少，黏聚力降低，孔隙的增大更有利于氯離子的侵蝕和移動(dòng)。圖5(d)中侵蝕90 d的水泥土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對前3種不同侵蝕時(shí)間的試樣較為疏松，內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的孔隙較多，土顆粒表面的黏聚物也相對變少，團(tuán)聚體表面多以小顆粒為主，且出現(xiàn)蜂窩狀，表面突兀不平，因?yàn)殚L時(shí)間的氯鹽侵蝕，從外部輸送了較多的氯鹽與水化產(chǎn)物的反應(yīng)，生成較多的不具有黏聚力的F′s鹽。綜上所述，隨著侵蝕時(shí)間的增加，氯鹽在水泥土試樣內(nèi)部的持續(xù)進(jìn)入，水泥水化作用逐漸降低，水化膠凝產(chǎn)物逐漸減少，生成低黏結(jié)性的F′s鹽，降低了試樣內(nèi)部黏結(jié)性，增加了其內(nèi)部的孔隙，使得氯離子進(jìn)入試樣內(nèi)部發(fā)生侵蝕，降低了試樣的承載能力，最后造成了試樣的破壞。

為更加清晰的看到水泥土試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將微觀電鏡圖放大至20 000倍，如圖6所示。對比4張圖，發(fā)現(xiàn)在20 000倍的電鏡下試樣可以更加清晰地看清內(nèi)部生成的棒狀或針狀的鈣礬石，圖6(a)中侵蝕7 d試樣所選取的視野中僅有為數(shù)不多的幾個(gè)針狀鈣礬石，而且相對于片狀的水化膠凝產(chǎn)物來說，其體積微乎其微，其他3圖中就可以清晰地看到較多的針狀和棒狀的鈣礬石。在圖6(b)中侵蝕30 d試樣中的鈣礬石含量較多，而且鈣礬石具有足夠的長度連接在不同的團(tuán)聚體之間，而且團(tuán)聚體之間的鈣礬石連接量比較稠密。在圖6(c)中侵蝕60 d試樣內(nèi)部具有較多的孔隙，而孔隙之間的鈣礬石含量也較多，多是針狀的鈣礬石，視野中有零星的幾個(gè)棒狀鈣礬石。最后觀察圖6(d)侵蝕90 d試樣，內(nèi)部多數(shù)的團(tuán)聚體之間的孔隙間距增大，孔隙之間長了許多針狀的鈣礬石，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列表現(xiàn)較為疏松。綜上所述，隨著氯鹽侵蝕時(shí)間的增加，水泥土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列變得相對疏松，因氯離子可與鈣礬石生成Friedel’s鹽，水化生成的鈣礬石數(shù)量也逐漸減少；隨著侵蝕時(shí)間的增加，氯鹽侵蝕下可嚴(yán)重破壞試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低其承載能力，最后導(dǎo)致試樣從某處裂縫破壞。

圖6 氯鹽侵蝕下養(yǎng)護(hù)28 d水泥土試樣的20 000×SEM圖Fig.6 20 000×SEM images of cement soil samples cured for 28 days under chloride erosion

5 結(jié)論

通過單摻水泥、復(fù)摻水泥和鋼渣對淤泥土進(jìn)行固化，從試樣的質(zhì)量變化率、含水量以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析氯離子的運(yùn)移規(guī)律。

(1)隨著侵蝕時(shí)間的增加，質(zhì)量變化率和含水量整體呈增長趨勢。養(yǎng)護(hù)28 d試樣的質(zhì)量變化率普遍高于養(yǎng)護(hù)7 d試樣，鋼渣水泥土試樣的質(zhì)量變化率明顯高于水泥土其最大質(zhì)量變化率是水泥土最大質(zhì)量變化率的1.78倍。隨著侵蝕時(shí)間的增加，水泥土和鋼渣水泥土養(yǎng)護(hù)7 d試樣的含水量變化速率較大，含水量數(shù)值相差最大的可達(dá)9.17%和8.54%；而養(yǎng)護(hù)28 d試樣的含水量變化線較為平緩，變化速率較慢。

(2)水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于鋼渣水泥土，其最大強(qiáng)度是鋼渣水泥土最大強(qiáng)度的2.34倍。隨著侵蝕時(shí)間的增加，養(yǎng)護(hù)7 d試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度整體呈增長趨勢，養(yǎng)護(hù)28 d試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度折線呈現(xiàn)出先增加后降低的形態(tài)。

(3)隨著侵蝕時(shí)間的增加，內(nèi)部氯離子濃度先增加后趨于穩(wěn)定。水泥土試樣較鋼渣水泥土試樣抗氯離子侵蝕能力較好，相較最大氯離子濃度鋼渣水泥土試樣高于水泥土1.52倍。