矿物掺合料在水泥土防腐蚀中的试验研究

沈建国，何 旸

(南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

0 引 言

在复合地基中使用水泥土可以有效提高地基承载力、稳定性和抗渗性，且施工成本低廉，具有良好的加固效果和经济效益。已有研究表明[1-5]，掺入适量矿物掺合料可以改善水泥土的孔隙结构，提高水泥土的密实度，进而提高水泥土的强度和抗渗性能。然而，目前关于腐蚀环境下掺有矿物掺合料的水泥土耐久性研究较少，尤其是大掺量掺合料对水泥土防腐蚀性能的影响更是不得而知，有待深入研究。

为了探究大掺量掺合料对水泥土防腐蚀性能的影响，本文以连云港徐圩新区的一复合地基为研究背景，开展了大掺量掺合料在复合地基水泥土防腐蚀中的试验研究，并为此类复合地基水泥土的胶凝材料设计提供参考。

1 研究背景

本研究的背景工程位于连云港市徐圩新区，离海岸线约5 km。根据勘探结果，此工程在勘探深度范围内的地基土主要由杂填土、粉质粘土、粉土、淤泥质粉质粘土及粉砂组成，表层存在约16 m厚的淤泥。为了确保工程结构的安全可靠，选用水泥搅拌桩、高压旋喷桩的复合地基方案对地基进行加固。

采用上述方案对地基进行加固时，水泥土形成的桩体易受到环境中侵蚀介质的腐蚀，进而影响复合地基的加固效果。为了确定环境中侵蚀介质的腐蚀强度，笔者对此工程的地下水水质和场地土易溶盐进行了分析，分析结果如表1所示。

表1 地下水水质和场地土易溶盐分析试验结果

根据表1中的分析结果，按《混凝土结构耐久性设计规范》[6](GB/T 50476-2008)和《铁路混凝土结构耐久性设计规范》[7](TB10005-2010)对此工程的环境作用等级进行评定，评定结果如表2所示。

表2 工程环境作用等级

由表2可知，此工程环境中氯盐、硫酸盐对水泥土的腐蚀将十分严重。综合考虑工程所处的腐蚀环境及成本因素，复合地基选用强度等级为42.5的抗硫酸盐硅酸盐水泥或者采用大掺量掺合料代替部分抗硫酸盐硅酸盐水泥。

为了确保上述复合地基方案的加固效果，本文开展了大掺量掺合料在复合地基水泥土防腐蚀中的试验研究。

2 试验材料及方案

2.1 水泥土材料及配比

水泥土设计以《水泥土配合比设计规程》[8](JGJ/T 233-2011)中水泥土搅拌法为基准，土体材料为工程现场淤泥质土，胶凝材料掺入比为18 %，水胶比为0.5。

针对水泥土所用胶凝材料，试验设计了8种胶凝材料方案，胶凝材料组分配比如表3所示。试验所用胶凝材料分别采用海螺牌P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，P·HSR 42.5级抗硫酸盐硅酸盐水泥；南京热电厂的Ⅱ级(F类)粉煤灰；唐山钢铁厂生产的S95级矿渣粉。

表3 胶凝材料组分配比

2.2 水泥土力学性能试验方案

参照《水泥胶砂强度检验方法》[9](ISO法)(GB/T 17671-1999)中试验方法，按表3中胶凝材料方案成型8组胶砂试件，测试胶砂试件7 d和28 d的抗折、抗压强度。

依据JGJ/T 233-2011中试验方法，按表3中胶凝材料方案成型8组水泥土试件，试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，测试水泥土30 d和60 d的无侧限抗压强度。

2.3 水泥土抗硫酸盐性能与水泥土强度试验方案

参照《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》[10](GB/T 749-2008)和《混凝土抗硫酸盐类侵蚀防腐剂》[11](JC/T 1011-2006)，对表3中各胶凝材料方案的抗蚀系数和膨胀系数进行评定。试验所用侵蚀溶液分别为5 %Na2SO4溶液和根据工程实际配制的模拟侵蚀溶液(以下简称模拟侵蚀溶液)，其中Cl-浓度为29 636 mg/L、SO42-浓度为2 786 mg/L。5 %Na2SO4溶液中的SO42-浓度约为模拟侵蚀溶液的12倍。

依据JGJ/T 233-2011中成型方法，按表3中的胶凝材料方案成型8组水泥土试件，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。试件标准养护28 d后，参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[12](GB/T 50082-2009)中抗硫酸盐侵蚀试验，评定水泥土试件的抗硫酸盐等级。试件标准养护28 d后，取出部分试件浸泡在侵蚀溶液中，其余试件则继续在养护室中养护。

在水泥土试件强度测试中，浸泡所用侵蚀溶液分别为5 %Na2SO4溶液和模拟侵蚀溶液。置于侵蚀溶液中的试件浸泡至30 d后取出，同时取出标准养护试件，测试不同养护条件下水泥土抗压强度。

3 试验结果与分析

3.1 大掺量掺合料水泥土力学性能

各胶凝材料方案的胶砂强度测试结果如表4所示。

表4 胶凝材料胶砂强度 MPa

由表4可知可知，LZ-K组的7 d胶砂抗折和抗压强度相对较高，而28 d相对较低。各组方案28 d胶砂抗压强度除LZ-F2组外，均高于LZ-K组。

各胶凝材料方案成型的水泥土30 d、60 d无侧限抗压强度如图1所示。

各组水泥土30 d的无侧限抗压强度均在3.0 MPa～4.9 MPa之间，LZ-G1组的强度最高，LZ-K组的强度较低。至60 d龄期后，各组水泥土的无侧限抗压强度在5.0 MPa～6.9 MPa之间，掺有矿物掺合料的各组抗压强度均大于LZ-K组，LZ-G1组的强度最高。

图1 水泥土无侧限抗压强度

胶砂强度与无侧限抗压强度的试验结果表明，采用矿物掺合料代替部分抗硫酸盐硅酸盐水泥后，试件的力学性能会有所提高，提高效果随养护时间的增加而增大。

3.2 大掺量掺合料水泥土抗硫酸盐性能

3.2.1 抗蚀系数

各胶凝材料方案的抗蚀系数如表5所示。

表5 胶凝材料抗蚀系数

依据文献[11]的规定，抗蚀系数K应大于0.85。由表5可知，除LZ-0组(模拟侵蚀溶液中)外，各方案的抗蚀系数系数K均大于0.85。LZ-F1组和LZ-H1组在两种侵蚀溶液中的抗蚀系数均大于LZ-K组。由上述结果可知，采用大掺量掺合料对胶凝材料抗蚀系数有一定的影响，但效果并不显著。

3.2.2 膨胀系数

各胶凝材料方案的膨胀系数如图2所示。依据文献[11]的规定，其膨胀系数E不应大于1.50。由图2可知，各方案的膨胀系数E均小于1.50，大掺量情况下胶凝材料在侵蚀溶液中的膨胀系数均小于LZ-K组。由此说明，采用大掺量掺合料代替部分抗硫酸盐硅酸盐水泥，可以有效降低胶凝材料的膨胀系数。

图2 各方案膨胀系数

3.2.3 抗硫酸盐等级

各组水泥土试件在不到10次浸烘循环后，均已破坏。因此，借鉴文献[12]的试验方法不能区分各方案抗硫酸盐侵蚀性能的优劣，无法评价大掺量掺合料对水泥土抗硫酸盐等级的影响，关于水泥土抗硫酸盐等级的试验方法有待进一步开发。

3.3 不同养护条件水泥土抗压强度

不同侵蚀溶液中浸泡30 d后的水泥土试件如图3所示。

图3 不同侵蚀溶液中浸泡30 d的水泥土试件

由图3可知，在高浓度硫酸盐(5 %Na2SO4)浸泡下，水泥土不到30 d就出现崩解破坏，而采用模拟侵蚀溶液浸泡，水泥土试件表观无明显变化。

由于5 %Na2SO4溶液中的试件已出现崩解破坏，试验只对模拟侵蚀溶液浸泡的试件进行抗压强度测试，不同养护条件下水泥土试件抗压强度对比如图4所示。

由图4可知，模拟侵蚀溶液浸泡后的试件抗压强度较标准养护方式无明显变化，个别组(LZ-K和LZ-G1)的强度值甚至还略有提高。由此说明，在背景工程环境中采用大掺量掺合料取代部分抗硫酸盐硅酸盐水泥，并不会引起水泥土抗压强度的明显下降。

图4 不同养护条件下水泥土试件抗压强度对比

水泥土在5 %Na2SO4溶液出现崩解破坏，而在模拟侵蚀溶液中抗压强度未出现明显下降，造成这一现象的主要原因[13]是：侵蚀溶液中的SO42-与水泥水化产物反应生成了钙矾石，钙矾石易在溶液中析出，可填补水泥土的孔隙，增加水泥土的抗压强度。当溶液中SO42-浓度过大时，反应生成的钙矾石过多，引起水泥土体积膨胀，当膨胀力大于水泥土的胶结力时，导致水泥土崩解破坏。

4 复合地基水泥土胶凝材料设计

将各胶凝材料方案的28 d胶砂强度、30 d水泥土强度、抗蚀系数以及膨胀系数试验结果进行汇总，并以LZ-K组为对照组进行比较，比较结果如表6所示。

表6 各胶凝材料方案试验结果汇总比较

表6中胶砂强度和水泥土强度栏，强度每增加或减少10 %为一个+或者-；抗蚀系数和膨胀系数仅定性判断较优+或较劣-。

由表6可知，LZ-0、LZ-G1、LZ-G2组的力学性能较好，但抗硫酸盐性能略有不足。相比之下，LZ-H1组(普通硅酸盐42.5水泥55 %+粉煤灰15 %+矿渣粉30 %)的各项性能均优于LZ-K组，其抗腐蚀性能优于抗硫酸盐硅酸盐水泥。因此，此类复合地基水泥土的胶凝材料设计可优先选用LZ-H1方案，能够明显提高水泥土的防腐蚀性能。

5 结 论

通过大掺量掺合料在复合地基水泥土防腐蚀中的试验研究，本文获得的结论主要如下：

(1)采用矿物掺合料代替部分抗硫酸盐硅酸盐水泥后，水泥土的力学性能会有所提高，提高效果随养护时间的增加而增大。

(2)硫酸盐腐蚀环境下，大掺量掺合料对胶凝材料抗蚀系数的影响并不明显，但可以有效降低胶凝材料的膨胀系数。大掺量掺合料水泥土在5 %Na2SO4溶液中浸泡30 d就会出现崩解破坏，而在模拟侵蚀溶液中抗压强度不会出现明显下降。

(3)对于腐蚀环境下的复合地基，水泥土可选用配比为“普通硅酸盐42.5水泥55 %+粉煤灰15 %+矿渣粉30 %”的胶凝材料方案，能明显提高水泥土的防腐蚀性能。