高含盐水泥土的力学特性及微观结构研究

邢皓枫, 张好, 李浩铭. 高含盐水泥土的力学特性及微观结构研究[J]. 水文地质工程地质, 2021, 48(3): 102-109. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202009037
引用本文: 邢皓枫, 张好, 李浩铭. 高含盐水泥土的力学特性及微观结构研究[J]. 水文地质工程地质, 2021, 48(3): 102-109. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202009037
XING Haofeng, ZHANG Hao, LI Haoming. Mechanical characteristics and microstructure of salt-rich cement-soil[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2021, 48(3): 102-109. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202009037
Citation: XING Haofeng, ZHANG Hao, LI Haoming. Mechanical characteristics and microstructure of salt-rich cement-soil[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2021, 48(3): 102-109. doi: 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202009037

高含盐水泥土的力学特性及微观结构研究

  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(41172247);中央高校基本科研业务费专项资金项目(22120180313)
详细信息
    作者简介: 邢皓枫(1969-),男,副教授,博士,主要从事软土地基处理及边坡支护研究。E-mail: hfxing@tongji.edu.cn
    通讯作者: 张好(1994-),男,博士研究生,主要从事软土地基处理及边坡支护研究。E-mail: zhhao0106@163.com
  • 中图分类号: TU411.6

Mechanical characteristics and microstructure of salt-rich cement-soil

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  • 为研究Mg2+、Cl ${\rm{SO}}_4^{2-} $ 三种可溶盐离子对高含盐水泥土强度的影响,通过室内不同龄期水泥土无侧限抗压强度试验,分析可溶盐离子含量变化对水泥土强度的影响及其变化规律,并利用X射线衍射(XRD)和环境扫描电镜(ESEM),研究可溶盐离子对高含盐水泥土的微观结构和化学组分的影响,从宏微观的角度揭示可溶盐离子与水泥土之间的作用机理。研究结果表明:Mg2+、Cl ${\rm{SO}}_4^{2-} $ 三种可溶盐离子对试块的强度有不同程度的负作用,且随可溶盐离子含量的增加,负作用越明显;造成这种现象的原因主要在于,高含量的可溶盐离子参与反应,消耗C-S-H和C-A-H凝胶,生成M-S-H、M-A-H和大量结晶物,M-S-H和M-A-H分散于C-S-H和C-A-H凝胶中,降低水泥土的胶结力,使得高含盐水泥土强度降低。

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  • 图 1  不同离子含量条件下对水泥土抗压强度

    Figure 1. 

    图 2  3种离子共存条件下试块的抗压强度

    Figure 2. 

    图 3  28 d试块ESEM照片对比

    Figure 3. 

    图 4  25#和27#试块XRD图谱

    Figure 4. 

    表 1  连云港软土的物理性质指标

    Table 1.  Physical properties of the Lianyungang soft soil

    物理性质指标 平均值 范围值
    含水率w/% 63.70 49.20~81.40
    密度ρ/(g·cm−3 1.68 1.56~1.79
    孔隙比e 1.87 1.43~2.19
    液限WL/% 44.60 42.70~47.10
    塑限WP/% 24.50 22.80~26.20
    液性指数IL 1.95 1.31~2.65
    塑性指数IP 20.10 19.70~21.60
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    表 2  连云港软土的力学性质指标

    Table 2.  Mechanical properties of the Lianyungang soft soil

    压缩系数α0.1−0.2/MPa−1 压缩模量Es/MPa 抗剪强度 渗透系数
    c/kPa φ/(°) kh/(m·s−1 k v/(m·s−1
    平均值 2.01 1.48 7.50 8.60 2.74e-9 3.29e-9
    范围值 1.03~2.74 1.16~2.35 6.10~11.30 7.40~9.90 1.43e-9~5.36e-9 1.40e-9~8.42e-9
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    表 3  连云港软土和上海软土化学分析结果[7]

    Table 3.  Results of the chemical analysis of two different soft soils

    测试项目 Ca2+/
    (mg·kg−1)
    Mg2+/
    (mg·kg−1)
    Cl/
    (mg·kg−1)
    /
    (mg·kg−1)
    /
    (mg·kg−1)
    pH值 CO2/
    (mg·kg−1)
    连云港软土 656 5990 2960 3140 1240 7.43 45.70
    上海软土 263 0 2128 79 963 7.74 150.80
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    表 4  普通硅酸盐水泥(P.O 32.5)的基本参数[15]

    Table 4.  Basic properties of ordinary portl and cement(P.O 32.5)

    类别 烧失量/% MgO/% SO3/% 初凝时间/min 终凝时间/min 7 d抗压强度/MPa 比表面积/(m2·kg−1)
    实测值 2.20 2.12 2.20 205 260 26.40 380
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    表 5  可溶性盐离子含量配比方案

    Table 5.  Experiment scheme of soluble salt ions

    序号 Mg2+/(g·kg−1 Cl/(g·kg−1 /(g·kg−1
    1# 2 0 0
    2# 4 0 0
    3# 6 0 0
    4# 8 0 0
    5# 10 0 0
    6# 0 1 0
    7# 0 2 0
    8# 0 3 0
    9# 0 4 0
    10# 0 5 0
    11# 0 0 1
    12# 0 0 2
    13# 0 0 3
    14# 0 0 4
    15# 0 0 5
    16# 2 1 1
    17# 2 3 5
    18# 2 5 5
    19# 6 1 3
    20# 6 3 5
    21# 6 5 1
    22# 10 1 5
    23# 10 3 1
    24# 10 5 3
    25# 0 0 0
    26# 6 3 3
    27# 10 5 5
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    表 6  16#~24#试块的抗压强度

    Table 6.  Strength of cement-soil samples 16# to 24# /MPa

    编号 龄期/d
    7 14 28 60 90 180 270 360
    16# 0.42 0.77 1.35 1.91 2.66 2.49 3.03 3.91
    17# 0.44 0.81 1.53 2.48 2.42 3.05 2.90 3.52
    18# 0.39 0.63 1.59 2.60 2.83 2.72 3.11 3.62
    19# 0.43 0.80 1.14 2.50 2.27 2.50 3.11 3.32
    20# 0.43 0.88 1.63 2.74 2.30 2.48 3.21 3.66
    21# 0.42 0.71 1.57 2.65 2.53 2.74 3.33 3.58
    22# 0.39 0.80 1.63 1.93 2.57 2.06 3.18 3.61
    23# 0.41 0.83 1.51 1.91 2.22 2.99 3.63 3.15
    24# 0.35 0.81 1.46 2.38 2.69 2.83 3.77 3.61
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    表 7  不同龄期条件下Mg2+、Cl ${\rm{SO}}_4^{2-} $ 的极差和方差计算结果

    Table 7.  Calculation results of the range and variance

    龄期/d 极差 方差 影响程度
    Mg2+ Cl Mg2+ Cl
    7 4.12e-2 3.55e-2 1.65e-2 2.72e-3 1.94e-3 4.44e-4 Mg2+>Cl>
    14 7.75e-2 1.21e-1 3.83e-2 1.01e-2 2.24e-2 2.82e-3 Cl>Mg2+>
    28 8.73e-2 1.87e-1 2.38e-1 1.14e-2 6.35e-2 8.57e-2 >Cl>Mg2+
    60 5.55e-1 4.26e-1 2.94e-1 4.64e-1 2.77e-1 1.59e-1 Mg2+>Cl>
    90 2.71e-1 3.63e-1 1.11e-1 1.10e-1 1.97e-1 2.15e-2 Cl>Mg2+>
    180 1.79e-1 4.86e-1 3.70e-1 5.09e-2 4.10e-1 2.41e-1 Cl> >Mg2+
    270 5.10e-1 2.94e-1 1.59e-1 3.96e-1 1.29e-1 3.85e-2 Mg2+>Cl>
    360 2.28e-1 1.74e-1 1.44e-1 8.35e-2 5.66e-2 2.15e-2 Mg2+>Cl>
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出版历程
收稿日期:  2020-09-15
修回日期:  2020-09-29
刊出日期:  2021-05-15

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