鋼渣粉水泥固化淤泥土氯鹽侵蝕下力學性能及機理研究

吳燕開,李文艷,郭肖陽,馬艷慧,苗盛瑤

(山東科技大學 土木工程與建筑學院,青島 266590)

現今,因海洋湖泊工程逐漸增加,而淤泥具有含水率高、強度低等特點,淤泥處理成為海洋湖泊工程建設中的首要任務。

氯鹽侵蝕下的工程易腐蝕易損壞,因此進行氯鹽侵蝕研究對于解決實際工程具有十分重要的意義。本文以青島淤泥土為基礎,使用水泥和鋼渣粉進行固化,研究固化土在不同濃度的NaCl溶液侵蝕下的物理力學特性及微觀結構,并探討其內部氯離子遷移規律。

1 試驗材料及制備

1.1 試驗材料

1.1.1 淤泥土

試驗用土為青島市膠州灣海相淤泥質土,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,其基本物理參數詳見表1。淤泥土體具有高含水率、低承載能力等特點。

表1 淤泥土基本物理參數

試驗中將淤泥土體放置于室外進行自然條件下的風干,待晾曬完成進行磨制,將土體磨制成粒徑為2 mm以下,留取存放,待制備試樣時使用。

1.1.2 固化及侵蝕材料

試驗采用諸城市某水泥有限公司生產的P·O32.5,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,Fe2O3,SO3等。采用石家莊市某煉鋼廠廢渣經濕式磁選法處理的鋼渣微粉,黑色粉末,顆粒圓潤,其主要礦物成分為C2S,C3S,MgO,Fe2O3,Al2O3,MnO等,粒徑可達到300目左右。采用天津市某化學品開發有限公司生產的NaOH,分析純,NaOH的含量不少于96.0%。試驗中配置溶液采用由天津市某化工有限公司生產的氯化鈉(NaCl),分析純,含量高于99.5%。

1.2 試驗制備

制備試樣時,將磨好的淤泥土過2 mm篩后稱取一定的質量放入攪拌器中,按照純水泥固化淤泥土(水泥15%)和鋼渣粉聯合水泥固化淤泥土(水泥10%和鋼渣粉10%)分別進行混合并攪拌均勻。取稱量好的NaOH(約為土樣質量的0.6%)加入一定量的水中,用玻璃棒充分攪拌,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,在振動臺上振搗密實后將其表面刮平,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準養護箱(溫度(20±1)℃,濕度≥90%)中分別養護7,28 d,從養護箱取出后使用防水材料密封5個面,然后放到盛有相應侵蝕溶液的侵蝕箱中進行單面侵蝕,每個箱中放6個試樣,同一類試樣放在同一個侵蝕箱中,侵蝕時間分別為7,30,60,90 d。

侵蝕溶液主要分為4種:蒸餾水、1倍海水濃度(即侵蝕溶液氯離子含量是海水中氯離子含量的1倍)、3倍海水濃度和5倍海水濃度,本文提到的海水中氯鹽的含量約為1.9%。侵蝕溶液的配比如表2所示,將稱量好的NaCl放入1 L的蒸餾水中。

表2 侵蝕溶液配比

1.3 試驗方法

1.3.1 質量變化率和含水量試驗

質量變化率試驗按以下步驟進行:①將養護好的試樣取出并稱取其質量,記為m0,放入侵蝕溶液進行侵蝕;②侵蝕完成后取出并稱取其質量,記為m1;③質量變化率按式(1)計算:

(1)

式中:δm為質量變化率;m0為侵蝕前質量,g;m1為侵蝕后質量,g。

含水量試驗按以下步驟完成:①將侵蝕完成的試樣用錘子砸碎,取一塊試樣內部的固化土樣,用托盤天平稱取其質量,記為M1;②將稱取完質量的土樣放入烘干箱,在105.8 ℃下進行烘干;③24 h后將烘干箱關閉,待烘干箱內溫度晾至室溫,取出土樣,稱取其質量,記為M0;④含水量按式(2)計算:

(2)

式中:ω為含水量;M1為試樣烘干前質量,g;M0為試樣烘干后質量,g。

1.3.2 無側限抗壓強度(UCS)試驗

無側限抗壓強度試驗是在不施加側邊壓力的條件下對試樣進行的軸向壓力試驗,試驗所用儀器為萬能試驗機,最大承載量為300 kN。試驗操作如下:①將試樣侵蝕足夠天數后取出靜置一段時間,蒸發掉表面多余的溶液。②將靜置好的試樣放置在萬能試驗機的測量平臺上,按操作手柄下移按鍵,使上平臺與試樣上表面臨近接觸。③開始測試,壓制試樣的實時數據顯示在電腦屏幕上。④壓制試樣完成,記錄數據。

1.3.3 氯離子濃度測定試驗

氯離子濃度快速測定儀采用離子選擇電極法(ISE法),可快速測定混凝土、砂、石子、外加劑等水溶性物質的氯離子含量,氯離子濃度量測范圍10-5～10-1mol/L。氯離子濃度測定試驗步驟如下:①將待測氯離子的試樣用錘子敲碎,并取40 g左右土樣,將土樣放入烘干箱(105.8 ℃左右)烘干2 h,取出后用研磨器磨成粉末狀,過0.65 mm篩,取出20 g放入200 mL蒸餾水中浸泡24 h。②取出電極在蒸餾水中浸泡10 min,然后在0.001 mol/L的氯化鈉溶液中浸泡2 h進行電極的活化。③打開電源,依次測定0.0001,0.001,0.01和0.1 mol/L的氯化鈉溶液,用于標定。④將試樣浸泡液倒入燒杯中,測定其氯離子濃度。

1.3.4 掃描電鏡(SEM)試驗

掃描電子顯微鏡(簡稱掃描電鏡或SEM)可定性分析固化土侵蝕后的微觀結構與水化反應產物的形態特征。進行電鏡掃描試驗的步驟主要是:①制作試樣,將在無側限抗壓強度試驗中破壞的試塊用小刀切割取樣,取試塊破壞面附近的一部分土體,將其打磨成一長寬約0.5 cm,厚約2 mm的扁平試塊;②進行噴鉑處理,將制取好的扁平試塊用導電膠整齊地貼在樣品座上,放入高壓噴射涂布機中進行噴鉑處理;③保存微觀圖像,將進行噴鉑處理之后的試塊安裝在電鏡掃描試驗儀上,使用電鏡軟件操作掃描電鏡儀器選取一個樣本對不同位置和放大倍數進行微觀圖像的獲取,并選取特別的區域對其進行能譜分析試驗分析其內部成分。

2 試驗結果分析

2.1 質量變化率

圖1是不同氯鹽侵蝕濃度下各侵蝕時間的質量變化率。

分析圖1中曲線,隨著侵蝕濃度的增加,各試樣的質量變化率整體呈上升趨勢,但水泥土和鋼渣粉水泥土的增長趨勢是不同的。圖1(a)中,隨著侵蝕濃度的增加,除養護60 d試樣之外,其余水泥土的質量變化率先降低后增加,養護60 d時的水泥土試樣隨著侵蝕濃度的增加,質量變化率出現先增加后降低再增加的現象,但圖1(b)中,隨著侵蝕濃度的增加,鋼渣粉水泥土的質量變化率一直呈增長趨勢。養護28 d的水泥土試樣(圖1(c))的質量變化率增長較穩定,但養護28 d的鋼渣粉水泥土試樣(圖1(d))的變化幅度較大,最大增長了6.09%。不論是養護7 d還是28 d的試樣,鋼渣粉水泥土的質量變化率均高于水泥土。在不同侵蝕時間下,養護28 d試樣的質量變化率相差較大,養護7 d試樣的質量變化率則相對緊湊,變化幅度較小。

因水泥、鋼渣粉所含的C3S,C2S等主要化學成分結合吸收水分發生水化反應,質量變化率整體呈增長趨勢。因水泥早期水化較快,鋼渣粉早期水化較慢,水泥在侵蝕前結合水產生的膠凝材料較多,相對于鋼渣粉剩余的水化材料較少,侵蝕后增長幅度較鋼渣粉低,所以鋼渣粉水泥土試樣的質量變化率高于水泥土試樣。但同材料的固化土養護28 d試樣的質量變化率普遍高于養護7 d試樣,可能有以下原因:①氯鹽侵蝕下,進入的氯離子可與膠凝材料發生反應,降低孔隙中膠凝材料的含量,增大孔隙,通過滲流作用使水進一步深入試樣,產生充分的水化反應;②7 d試樣雖沒有28 d試樣水化完全,但氯鹽的滲入,阻礙了水化材料發生水化反應。對于養護28 d的鋼渣粉水泥土,不同濃度侵蝕試樣在侵蝕90 d的質量變化率降低明顯,應與材料表面部分觸碰脫落有關。

2.2 含水量

隨著侵蝕濃度的增加,從圖2可以看出,各試樣的含水量整體呈減少趨勢,但水泥土試樣的含水量變化折線相對穩定,鋼渣粉水泥土試樣的變化折線變化范圍較大,受侵蝕濃度變化影響較大。一般侵蝕時間越長,試樣的含水量就越高,試樣內部水分進入較多。

綜上分析,隨著氯鹽侵蝕濃度的增加,各試樣的質量變化率逐漸增加,但含水量卻逐漸減少。隨著氯鹽侵蝕濃度增加,因濃度差氯離子不斷進入試樣內部深處,試樣內部水相對流出試樣,以平衡濃度差,直至達到濃度的相對平衡,侵蝕濃度越高,試樣內部氯離子進入越多,水分流出越多,含水量降低,因氯離子可與試樣內部膠凝材料發生反應,將自由氯離子轉化為結合氯離子,試樣質量變化率則隨著侵蝕濃度的增加而逐漸增加。

2.3 無側限抗壓強度

圖3是在不同侵蝕濃度下養護7和28 d的水泥土試樣和鋼渣粉水泥土試樣的無側限抗壓強度。隨著侵蝕溶液濃度的增加,養護7 d的鋼渣粉水泥土試樣在侵蝕60 d時的強度折線變化幅度較大,而養護7 d的水泥土試樣在侵蝕60 d時的強度折線變化幅度不大,相對平穩。分析其原因,水泥土試樣的水化較為完全,產生的膠凝材料較多,試樣內部結構密實,孔隙較少,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,而且過多的摻入鋼渣粉也可能改變其內部,降低試樣內部的密實性。同時,在1倍侵蝕濃度下,隨著侵蝕時間的增加,氯離子不斷進入試樣內部,與膠凝材料反應,降低了試樣內部的黏結能力,使得養護28 d試樣的強度呈現出先增加后降低的趨勢;而養護7 d試樣的強度一直增加可能與鋼渣粉的不完全水化有關,鋼渣粉逐漸水化,且水化速率高于氯離子的侵蝕速率。說明在侵蝕短期內,氯鹽的侵蝕作用還沒有得到充分的表現。隨著侵蝕濃度的增加,養護28 d的鋼渣粉水泥土強度表現出先增加后降低的趨勢,可能因氯鹽侵蝕作用較小,鋼渣粉水化還在持續進行中,所以在短時間內侵蝕的試樣強度還表現為上升趨勢,待水化效果產生的強度低于侵蝕作用減小的強度,試樣強度則表現為降低趨勢。由圖3對比可知水泥土試樣的無側限抗壓強度明顯高于鋼渣粉水泥土試樣的強度,養護28 d試樣強度高于養護7 d試樣的強度,這與水泥和鋼渣粉的水化效果有關。因水泥土的水化固結效果要比鋼渣粉水泥土的好,雖然加入NaOH作為激發劑對其水化效果進行激發,但摻入鋼渣粉固化淤泥土的效果遠低于單摻水泥固化淤泥土,因為鋼渣粉水泥土試樣不能遇到干燥環境,經過干燥環境再到侵蝕溶液后的鋼渣粉水泥土試樣會出現裂紋,若是在干燥時間放得太久,裂紋會加深,鋼渣粉水泥土表面會發生剝落,最后試樣結構發生破壞。

3 氯離子遷移規律分析

3.1 1 cm處氯離子濃度分析

圖4是取自不同侵蝕濃度和侵蝕時間下距試樣侵蝕表面1 cm處的樣本測定的氯離子濃度。由圖4可以發現,在5倍海水濃度的氯鹽侵蝕下氯離子濃度最大,降低氯鹽侵蝕倍數,試樣內部氯離子濃度則呈現減小趨勢,到蒸餾水侵蝕下試樣內部的氯離子濃度最小。這說明隨著侵蝕濃度的增加,試樣內部的氯離子濃度逐漸增加。對比鋼渣粉水泥土試樣,水泥土試樣的氯離子濃度相對較低;對比養護7 d試樣,養護28 d試樣的氯離子濃度相對較低。對比除養護28 d的水泥土試樣的氯離子濃度圖,其他3種有一處不同,即低濃度下侵蝕90 d試樣的氯離子濃度低于侵蝕60 d試樣的氯離子濃度,但隨著氯鹽侵蝕濃度的增加,侵蝕90 d試樣的氯離子濃度開始高于侵蝕60 d試樣的氯離子濃度。隨著侵蝕濃度的增加,鋼渣粉水泥土試樣的氯離子濃度折線較陡,數值增長較快,說明鋼渣粉水泥土試樣抵抗氯鹽侵蝕的能力不如水泥土試樣。

3.2 不同深度處氯離子濃度分析

以養護28 d侵蝕60 d的水泥土為例(圖5),蒸餾水侵蝕下的水泥土試樣內部氯離子濃度隨著侵蝕深度的增加而增加,在1倍、3倍和5倍海水濃度侵蝕下的水泥土試樣的氯離子濃度隨著侵蝕深度的增加而降低。該現象與濃度差有關,因試驗用土為海相淤泥土,試樣內部本身存在著一定濃度的氯離子,在不含氯鹽的蒸餾水的侵蝕下,試樣內部氯離子濃度高于外部濃度,外部水分滲入試樣內部,造成蒸餾水侵蝕下水泥土試樣內部氯離子濃度隨著侵蝕深度的增加而增加。因擴散作用外部氯鹽侵蝕下的氯離子逐漸進入試樣內部,通過孔隙依托孔隙水擴散和滲透到試樣的深層,最終在內部達到相對平衡狀態。在氯鹽侵蝕下的水泥土試樣隨著侵蝕濃度的增加,氯離子濃度逐漸增加,因侵蝕濃度越大,造成的濃度差就越大,氯鹽滲透和擴散進入試樣內部的含量就越多;且從1倍海水濃度侵蝕增加到3倍,再由3倍增加5倍時,氯離子濃度大約從0.03 mol/L增加到0.06 mol/L,再增加到0.099 mol/L,可看出內部氯離子濃度隨氯鹽侵蝕濃度倍數的增加而有一定的倍數增加。

將養護7,28 d的水泥土試樣和鋼渣粉水泥土試樣進行對比,如圖6所示。鋼渣粉水泥土試樣的氯離子濃度高于水泥土試樣的氯離子濃度,水泥土試樣在5倍海水濃度侵蝕下內部的氯離子濃度最大為0.099 mol/L,而鋼渣粉水泥土試樣最大為0.012 mol/L。這主要與鋼渣粉替代部分水泥有關,因水泥水化反應較好,生成的膠凝材料較多,很好地黏結了土顆粒,使其成為一個整體,提高了結構的穩定性,從而提高了固化土的強度;而鋼渣粉的水化效果低于水泥,鋼渣粉的加入一方面降低了水泥的含量,另一方面也增加了一部分無黏性顆粒,從而降低了內部水化膠凝材料的生成,鋼渣粉水泥土試樣的內部孔隙比水泥土試樣的多,所以其內部氯離子濃度較高。這也說明了養護7 d的鋼渣粉水泥土試樣內部的氯離子濃度是4種類型試樣中最高的。

3.3 試樣內部氯離子濃度與強度的關系

通過曲線擬合水泥和鋼渣粉水泥的淤泥土試樣在不同侵蝕濃度下無側限抗壓強度的變化趨勢,通過GaussAmp模型的模擬,確定在某個侵蝕濃度下氯離子濃度和無側限抗壓強度的關系。

對于海相淤泥土因侵蝕濃度不同,試樣內部氯離子濃度有很大的差距,不同試樣類型和侵蝕濃度對相同侵蝕時間的試樣內部氯離子濃度的影響差距很小,所以將養護7 d和28 d的水泥土和鋼渣粉水泥土試樣在不同侵蝕濃度下的變化曲線一同擬合。由前文分析可知,隨著侵蝕濃度的增加,試樣內部氯離子濃度逐漸增加,所以選取線性擬合方式,如圖7所示。

根據圖7所示,用C表示氯離子濃度,c表示侵蝕濃度倍數,在不同侵蝕濃度倍數下的試樣內部1 cm處的氯離子濃度擬合曲線為

C=0.0219c+0.00788

(3)

隨著侵蝕濃度的增加,試樣的無側限抗壓強度先增加后降低,所以選取GaussAmp對強度和侵蝕濃度關系進行擬合。相對于侵蝕濃度,因強度受水泥和鋼渣粉的影響較大,所以將不同侵蝕濃度下侵蝕90 d的強度擬合曲線分為水泥土和鋼渣粉水泥土無側限抗壓強度(UCS)擬合曲線,如圖8所示。

根據圖8(a)的擬合結果,水泥土試樣在不同侵蝕濃度下的UCS擬合曲線為

(4)

根據圖8(b)的擬合結果,鋼渣粉水泥土試樣在不同侵蝕濃度下的UCS擬合曲線為

(5)

為消去變量侵蝕濃度倍數c將式(3)轉化為

c=45.662C-0.35982

(6)

后將其分別帶入水泥土和鋼渣粉水泥土的UCS擬合曲線式(4)和式(5),得

水泥土:

(7)

鋼渣粉水泥土:

(8)

由線性函數擬合的氯離子濃度和GaussAmp模型擬合的無側限抗壓強度換算出氯離子濃度與強度的關系。將水泥土和鋼渣粉水泥土試樣的實測氯離子濃度分別帶入上面的UCS擬合曲線(式(7)(8))中得出的不同氯離子濃度下的UCS的擬合值與實測值,如表3所示,相對誤差較小,符合擬合要求。

表3 侵蝕90 d的UCS擬合結果

通過曲線擬合水泥土和鋼渣粉水泥土的試樣在不同侵蝕濃度下氯離子濃度和無側限抗壓強度得到的關系函數,確定某個未知的氯離子侵蝕濃度下的無側限抗壓強度。綜上分析無側限抗壓強度隨氯離子濃度的增加先增加后降低。

4 微觀結構及機理

以養護28 d侵蝕90 d的鋼渣粉水泥土試樣為例,放大8000倍的SEM圖如圖9所示。圖9(a)為蒸餾水侵蝕下的鋼渣粉水泥土試樣,在較高的放大倍數下,內部結構排列緊密,土顆粒表面包裹著較多的水化膠凝材料,以團狀或絮狀物存在,并相互黏結形成團聚體,存在著多個團聚體但未形成一個整體,各團聚體之間存在較小的孔隙。圖9(b)為1倍海水濃度侵蝕下的鋼渣粉水泥土試樣,與圖(a)對比發現,團聚體依然存在,但團聚體的體積相對減小,且團聚體之間出現較多的零碎的團狀物。內部結構之間的孔隙增多,孔徑略有增大。小的團聚物可能與生成的Ca(OH)2有關,因鋼渣粉水泥土試樣中摻入有NaOH催化劑,用于催化鋼渣粉在早期發生水化反應,但NaOH屬于強堿性物質,試樣內部環境處于高堿性環境,可與內部的CaCl2生成無黏結性的Ca(OH)2沉淀;也可能因為在氯鹽的侵蝕下,團聚物中的水化膠凝材料與氯離子反應生成無黏結性的Fiedel’s鹽,團聚物的體積減小,變成較小的團狀或絮狀物。

圖9 養護28 d侵蝕90 d鋼渣粉水泥土試樣的8000倍SEM圖

圖9(c)和(d)分別是3倍和5倍海水濃度侵蝕下的鋼渣粉水泥土試樣,觀察兩圖發現,內部結構相對于侵蝕濃度較低的試樣較為疏松,無法看出其膠凝材料的狀態,因鋼渣粉水泥土試樣內部結構表面密密麻麻地附著小顆粒的物質,通過進行XRD試驗分析發現全是NaCl結晶體,如圖10所示。在高濃度氯鹽侵蝕下,試樣內外濃度差過大,為平衡其內外的濃度差,大量的NaCl進入試樣內部,部分NaCl與水化膠凝材料反應生成Fiedel’s鹽,在侵蝕90 d后取出,進入室內環境在等待進行無側限抗壓、氯離子濃度測定和SEM試驗時,試樣內部水分減少,NaCl失水結晶,在試樣內部形成較多的小結晶體。同時解釋了高濃度下試樣的質量變化率較大和含水量相對較小的原因。

圖10 鋼渣粉水泥土內部小顆粒物質的XRD圖

隨著侵蝕濃度的增加,鋼渣粉水泥固化土的強度及抗氯鹽侵蝕能力降低。如圖9所示,試樣蒸餾水侵蝕下鋼渣粉水泥土內部的膠凝材料C-S-H多于1倍海水濃度侵蝕下鋼渣粉水泥土內部的膠凝材料。隨著氯鹽侵蝕濃度的增加,試樣內部的水化膠凝材料C-S-H與氯離子發生反應,生成不具有黏結能力的Fiedel’s鹽,降低了試樣內部膠凝材料的含量,導致了試樣整體黏結能力的降低,造成了試樣強度降低。且隨著膠凝材料的減少,試樣內部孔隙增加,氯離子更易侵入試樣內部,抗氯鹽侵蝕能力逐漸降低,最后造成氯鹽侵蝕破壞。

5 結論

通過無側限抗壓試驗和氯離子濃度測定試驗,研究水泥土與鋼渣粉水泥土固化淤泥土在不同氯鹽侵蝕濃度下的強度和氯離子濃度變化規律,并結合微觀結構對其進行分析,得出以下結論:

1) 隨著侵蝕濃度的降低,各試樣的質量變化率整體呈下降趨勢,鋼渣粉水泥土的質量變化率高于水泥土。相對于養護28 d試樣,養護7 d試樣的質量變化率在不同侵蝕濃度下的變化幅度較小。隨著侵蝕濃度的增加,各試樣的含水量整體呈減少趨勢。

2) 隨著侵蝕濃度的增加,水泥土試樣的強度大體呈降低趨勢,鋼渣粉水泥土的強度則表現出先增加后降低的趨勢。水泥土試樣的無側限抗壓強度明顯高于鋼渣粉水泥土試樣的無側限抗壓強度。隨著侵蝕濃度的增加,試樣內部的水化膠凝材料C-S-H與氯離子發生反應,生成不具有黏結能力的Fiedel’s鹽,降低了試樣內部膠凝材料的含量,導致了試樣整體黏結能力的降低。且隨著膠凝材料的減少,試樣內部孔隙增加,氯離子更易侵入試樣內部,抗氯鹽侵蝕的能力逐漸降低,最后造成氯鹽侵蝕破壞。

3) 在相同侵蝕深度下,隨著侵蝕濃度的增加,試樣內部的氯離子濃度逐漸增加,養護28 d鋼渣粉水泥土試樣的氯離子濃度比養護7 d鋼渣粉水泥土試樣相對較低。在不同侵蝕深度下,除蒸餾水侵蝕下,其他3種侵蝕條件試樣的氯離子濃度隨著侵蝕深度的增加而降低。