中国沿海地区存在大量海相软土，沿海工程建设导致对海相软土的处理需求日益增大. 海相软土工程性质差，具有水的质量分数高、压缩性高、强度低和渗透性低等特点，受荷时容易引发一系列安全问题，因此常采用化学固化的方法对其进行改性处理. 固化海相软土易受海水、海浪和潮汐等作用，海水中Cl⁻、SO₄²⁻和Mg²⁺等离子具有较强的侵蚀性，导致固化软土的强度、稳定性和耐久性下降. 同时，随着对环境污染问题重视程度的加深，固化软土在酸雨、污水、垃圾渗滤液等侵蚀作用下的性能也越来越受到学者的关注.

为了模拟实际工程中固化土的侵蚀方式，侵蚀试验采用溶液全浸泡侵蚀、溶液半浸泡侵蚀和土中侵蚀3种，侵蚀液有海水、NaCl、MgSO₄、Na₂SO₄等，固化剂包括水泥和碱渣、矿渣、电石渣等废弃物. 由于固化土通常位于地下水位以下，侵蚀试验以溶液全浸泡侵蚀方式为主^[1-8]，这也是水泥基材料试验规程抗侵蚀试验规定的方法^[9]. 考虑到固化土实际上处于原土环境中，一些学者开展了土中侵蚀方式下的侵蚀试验研究^[10-13]，例如，Izuo等^[13] 开展大尺寸水泥土桩的长期原位侵蚀试验，认为水泥土强度劣化与Ca²⁺浸出及碳化密切相关. 当固化土位于地下水位以上时，会出现部分侵蚀现象，因此须开展半浸泡侵蚀条件下的固化土性质研究，Luo等^[14] 对水泥固化土和地聚物固化土的半浸泡侵蚀试验研究表明，液面以上试样受Na₂SO₄结晶侵蚀，半侵蚀方式下固化土强度下降，地聚物固化土的抗侵蚀能力优于水泥固化土的. 但对于不同侵蚀方式和侵蚀环境下固化土抗侵蚀性能的研究较为缺乏. 在半浸泡条件下砂浆和混凝土水泥基建筑材料抗侵蚀耐久性已有较多研究成果. 例如，朱健健等^[15]发现在5% Na₂SO₄溶液（Na₂SO₄质量分数为5%）中，砂浆试件未浸泡区受到物理和化学侵蚀，而在NaCl-Na₂SO₄混合溶液中，高浓度氯盐在试件表层形成NaCl结晶，抑制Na₂SO₄的物理侵蚀. 刘赞群等^[16]对水泥净浆试件在5% Na₂SO₄溶液中的半浸泡侵蚀试验研究发现，试件蒸发区的钙矾石和石膏质量分数显著多于浸泡区的，硫酸盐化学侵蚀是导致蒸发区破坏的主要原因. Najjar等^[17] 开展全浸泡和部分浸泡方式下压浆混凝土抗5%Na₂SO₄侵蚀性能的试验，从化学侵蚀和物理侵蚀角度探讨辅助性胶凝材料替代部分水泥时压浆混凝土的抗侵蚀性能. 砂浆和混凝土通常是水泥、骨料和水的混合物，固化软土则是水泥（或其他胶凝材料）、土和水的混合物. 固化软土中存在大量具有一定活性的黏土矿物，其孔径也大于砂浆和混凝土的. 虽然固化软土的强度远低于砂浆和混凝土，但都由胶凝材料的水化反应生成的水化产物产生胶结作用，其抗侵蚀性能具有一定的相似性. 砂浆和混凝土半浸泡侵蚀研究成果为固化软土研究提供了参考.

本研究针对固体废弃物（碱渣-矿渣-电石渣）和传统固化剂（水泥）固化海相软土，通过侵蚀模拟、强度及微观测试，探讨溶液全浸泡、溶液半浸泡、土中侵蚀3种侵蚀方式和Na₂SO₄、MgSO₄、海水3种侵蚀溶液对固化软土力学性质的影响规律及其机理. 研究可为揭示不同工况下固化海相软土的抗侵蚀性能和固体废弃物的资源化利用提供理论及技术支撑.

试验土样取自河北省唐山市曹妃甸工业区，呈灰褐色，软塑~流塑状态，土质较均匀，其基本物理指标见表1. 表中，w₀为水的质量分数，即水质量占干土质量的百分比；ρ_d为干密度；e为孔隙比；G_s为土粒比重；w_L为液限；w_P为塑限；I_L为液性指数；I_P为塑性指数. 土中主要含有SO₄²⁻、Cl⁻、Mg²⁺等侵蚀性离子，每千克土中各离子质量分别为1 381.5、628.0、30.6 mg. 场区地下水矿物化度较高，受海水影响较大，对混凝土结构具有强腐蚀性. 试验选用固化剂为碱渣、矿渣、电石渣和水泥. 其中，碱渣由碳酸钙、二水硫酸钙和氯化钠等组成，电石渣主要为氢氧化钙，两者可对矿渣起激发作用；矿渣主要由硅酸二钙、铝酸三钙和钙铝黄长石组成. 水泥采用P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥.

参考固化土抗侵蚀性研究常用的技术路线^[4-6,8]，采用“制备-养护-侵蚀-测试”的步骤开展试验（见图1）. 为了控制土样的初始水的质量分数，将软土在85 ℃烘干，以加快干燥速率并降低对土样成分和性质的影响；然后，将土碾碎、过1 mm筛后加入干土质量50%的自来水. 将土与固化剂混合均匀，密封静置24 h后制备试样. 采用分层击实法制样，将混合土分3层填入内径为39.1 mm、高为80 mm的模具中击实，击实功与标准轻型击实试验的相同. 在试样制备完成后将其放入温度为（20±5）℃、湿度为95%的养护箱内养护1 d后脱模，继续养护至28 d后开展侵蚀试验，同时制备试样养护56 d作为侵蚀试样的对照组.

侵蚀试验在温度为20℃、湿度为60%的恒温恒湿养护箱中进行. 碱渣、矿渣和电石渣的质量分数参考文献[8]和前期试验确定，分别为干土质量的20%、10%和4%，试样用S20G10表示；水泥与矿渣的质量分数相同（即10%），试样用C10表示. 侵蚀方式有溶液全浸泡、溶液半浸泡和土中侵蚀3种，侵蚀溶液有Na₂SO₄溶液、MgSO₄溶液和海水3种，3种溶液中溶质的质量分数分别为1.0%、1.0%、3.5%. Na₂SO₄和MgSO₄在土和地下水中普遍存在，其中Na₂SO₄结晶现象明显，对水泥基材料的物理侵蚀严重^[15-17]；MgSO₄对固化土的侵蚀性较强^[5,8]，Mg²⁺和SO₄²⁻是《岩土工程勘察规范》^[18]中水土腐蚀性重点评价的离子类型. 《工业建筑防腐设计规范》^[19]中规定，钠和镁的硫酸盐质量分数≥1.0%为强腐蚀性，故溶液质量分数选为1.0%. 所用海水由海水素配置，质量分数为3.5%，用以模拟天然海水，其pH为7.8~8.5，主要离子及相应质量浓度为Cl⁻（17 000 mg/L）、Na⁺（9 370 mg/L）、SO₄²⁻（ 2 273 mg/L）、Mg²⁺（1 240 mg/L）和Ca²⁺（420 mg/L）. 侵蚀龄期为28 d.

在溶液全浸泡侵蚀时，在容量为1 L的烧杯内从下向上依次放置透水石、滤纸和试样，轻轻倒入配置好的溶液至液面高于试样顶部20 mm；在半浸泡侵蚀时，倒入溶液至试样下部30 mm浸泡于溶液中. 在土中侵蚀时，用3种侵蚀溶液将高岭土调制至其液限的1.5倍^[11-12]，搅拌均匀后装入烧杯，将试样埋置于高岭土中. 在达到侵蚀龄期后取出试样，观察试样表面形态并称量质量后，进行无侧限抗压强度试验和微观测试.

无侧限抗压强度试验在微机控制电子万能试验机（WDW-10E）上进行，变形速率设为1 mm/min. 试验后取如图1所示取样点处试块进行XRD和SEM测试：试块经60 ℃烘干后并过75 μm筛后，采用日本理学公司的X射线衍射仪（MiniFlex600）进行XRD测试，扫描速度为5°/min，扫描范围5°~75°，测试结果用Jade软件分析矿物成分；试块经冻干法干燥并喷金处理后，采用高分辨场发射扫描电镜（Hitachi SU8010）进行SEM测试.

在不同侵蚀方式和侵蚀溶液作用下，侵蚀28 d后试样的外观见表2. 土中侵蚀试样由于被土包裹，无法观察外观的变化，因此只给出溶液全浸泡和半浸泡试样照片. 可以看出：

1）当侵蚀方式和侵蚀溶液相同时，试样C10表面出现明显的分层、断裂与脱落现象；试样S20G10外观较完整. C10中水泥质量分数与S20G10中矿渣质量分数相同，但后者还掺有碱渣和电石渣，可有效降低水的质量分数，固化效果较好，抗侵蚀能力也较强. 为了提高水泥固化软土的抗侵蚀能力，须增加固化剂质量分数进行研究.

2）当侵蚀方式相同、固化剂一定时，MgSO₄溶液对试样的侵蚀性最强，试样外观破坏最严重，海水侵蚀性最弱. 例如，在全浸泡方式下，MgSO₄溶液侵蚀使试样S20G10表面出现鼓包、粗糙不平，端部出现明显开裂，而Na₂SO₄溶液和海水侵蚀试样表面没有明显变化；在MgSO₄溶液侵蚀下试样C10表面出现裂隙，端部破损严重，Na₂SO₄溶液侵蚀试样表面也有明显裂缝，海水侵蚀试样表面较完好.

3）当固化剂和侵蚀溶液相同时，全浸泡方式对试样外观的影响大于半浸泡的. 对于试样S20G10，Na₂SO₄溶液和海水侵蚀时全浸泡试样更湿软；MgSO₄溶液侵蚀时全浸泡试样表层有粗糙颗粒感，表面松散有鼓包，半浸泡试样外观完整，但下部浸泡区域有明显膨胀，较未浸泡区域松散. 对于试样C10，全浸泡与半浸泡方式下海水侵蚀试样外观光滑完整；Na₂SO₄溶液侵蚀时全浸泡试样出现明显裂缝，有轻微脱落现象，半浸泡试样浸泡区域出现开裂；MgSO₄溶液侵蚀时全浸泡试样出现严重脱落，尤其是试样两端，半浸泡试样的浸泡部分也出现严重的开裂和脱落现象，浸泡分界处破损严重.

不同侵蚀方式和侵蚀溶液下侵蚀28 d时固化软土的质量变化率如图2所示. 图中，R_m为质量变化率，是试样侵蚀后与侵蚀前质量之差占侵蚀前质量的百分比，其值为正表示试样质量增大. 在侵蚀环境下，导致试样质量增加的原因主要有：1）在试样与溶液接触时，侵蚀性离子与固体发生反应生成新的物质；2）在半侵蚀方式下液面以上由于基质吸力引起溶液向上迁移进入试样；3）试样表面发生膨胀，孔隙体积增大，孔隙水增多.

当试样受到侵蚀后表面固体剥落时，试样质量减小. 由图2可以看出：1）经过28 d侵蚀后，试样质量均增大，试样S20G10质量变化率为2.3%~5.6%，试样C10质量变化率为3.6%~5.0%. 2）对于试样S20G10，当侵蚀溶液一定时，在全浸泡方式下试样表面全部与溶液接触时质量增加量多于半浸泡的. 当侵蚀方式一定时，3种侵蚀溶液下试样质量增加的顺序为Na₂SO₄溶液<海水<MgSO₄溶液. MgSO₄溶液侵蚀环境下的全浸泡试样端部出现破损，表面发生膨胀，但剥落较少，试样质量增加较多. 3）对于试样C10，在Na₂SO₄溶液和海水侵蚀环境下，全浸泡侵蚀时质量增加量多于半浸泡侵蚀下的；在MgSO₄溶液侵蚀环境下，由于表面剥落现象明显，半浸泡和全浸泡时质量变化率接近. 当侵蚀方式一定时，3种侵蚀溶液下试样质量增加的顺序为MgSO₄溶液≈海水<Na₂SO₄溶液.

固化软土应力(σ)-应变(ɛ)曲线和无侧限抗压强度(unconfined compressive strength, UCS)如图3~5所示. 可以看出：

1）对于试样S20G10，3种侵蚀方式和侵蚀溶液下固化软土应力-应变曲线均为脆性破坏，破坏应变不超过3%. 在Na₂SO₄溶液侵蚀作用下试样强度大小关系为半浸泡<土中侵蚀<全浸泡，在MgSO₄溶液和海水侵蚀作用下试样强度的大小关系为半浸泡<全浸泡<土中侵蚀. 在3种侵蚀溶液下，半浸泡试样强度均小于全浸泡的，这与表3中外观观测现象不一致，即在全浸泡侵蚀方式下试样外观上破坏更严重，但其无侧限抗压强度高于半浸泡侵蚀试样的.

2）对于试样C10，与全浸泡和半浸泡试样相比，土中侵蚀试样强度较高，应力下降也较明显，土中侵蚀试样的强度为1 055~1 190 kPa；全浸泡时强度最低，即强度大小关系为全浸泡<半浸泡<土中侵蚀，全浸泡侵蚀方式对固化软土强度的影响最大，与外观现象一致；MgSO₄溶液侵蚀全浸泡试样塑性变形较明显，破坏应变约为4%，强度仅为147.4 kPa.

3）当浸泡方式相同时，MgSO₄溶液侵蚀对固化软土的侵蚀性最强，试样强度最低；试样S20G10抗Na₂SO₄溶液侵蚀能力强于抗海水侵蚀能力，即3种侵蚀溶液下强度大小关系为MgSO₄溶液<海水<Na₂SO₄溶液；试样C10抗海水侵蚀能力强于抗Na₂SO₄溶液侵蚀能力，尤其是全浸泡和半浸泡时抗海水侵蚀能力远强于抗MgSO₄和Na₂SO₄溶液侵蚀能力，即强度大小关系为MgSO₄溶液<Na₂SO₄溶液<海水.

4）如图5所示为标准养护28 d和56 d时试样无侧限抗压强度. 对于试样S20G10，当养护龄期从28 d增至56 d时，试样强度大幅增加，从1 569.6 kPa增至2 488.1 kPa；与侵蚀前试样（即标准养护28 d）相比，试样侵蚀28 d后强度均增大，除了MgSO4溶液全浸泡和半浸泡、海水半浸泡侵蚀时强度降低（其中MgSO₄溶液半浸泡侵蚀时最低，为标准养护28 d强度的0.82倍）；与标准养护56 d试样相比，试样标准养护28 d并侵蚀28 d后强度较低，约为标准养护56 d强度的0.52~0.81倍，只有Na₂SO₄溶液全浸泡侵蚀时强度与标准养护56 d强度相当. 对于试样C10，当养护龄期从28 d增至56 d时，强度从1034.0 kPa增至1598.2 kPa；土中侵蚀试样强度大于标准养护28 d试样的，但全浸泡和半浸泡侵蚀试样强度均小于标准养护28 d试样的，其中MgSO₄溶液全浸泡试样强度仅为标准养护28 d强度的0.14倍，为标准养护56 d试样强度的0.09倍. 因此，试样S20G10抗侵蚀能力远高于试样C10的.

试样外观破损程度、质量变化率和强度的大小关系汇总见表3. 一般情况下，试样破损越严重，质量变化率越大、强度越低，反之则质量变化率越小、强度越高. 但以下2种情况不满足上述规律：

1）当侵蚀方式一定时，试样C10在MgSO₄溶液中破损最严重、强度最低，但质量变化率较小. 如前所述，质量变化率是多种因素的综合结果，其值不能较好地反映试样的抗侵蚀性能.

2）当侵蚀溶液一定时，试样S20G10在半浸泡时试样外观较完整、质量变化率较小，但试样强度却小于全浸泡试样的. 其可能原因在于试样S20G10本身强度较高（标准养护28 d时强度为1 569.6 kPa），在半浸泡方式下溶液毛细上升时侵蚀性离子迁移产生物理侵蚀和化学侵蚀，使试样在界面附近形成劣化区域、强度显著下降. 而试样C10强度较低（标准养护28 d时强度为1 034.0 kPa），尽管在界面附近也形成劣化区域，但其影响比全浸泡方式下整个试样的劣化程度轻，因此在全浸泡时外观破损严重、质量变化率大、强度较低.

如上所述，当水泥质量分数与矿渣质量分数相同时，试样C10在外观和强度上所表现的抗侵蚀性能弱于试样S20G10的，且全浸泡和半浸泡侵蚀方式对两者强度的影响规律不同（见表3）. 为了进一步探究全/半浸泡侵蚀方式的影响，补充15%质量分数的水泥固化土（试样C15）在Na₂SO₄和MgSO₄溶液、全浸泡和半浸泡方式下的抗侵蚀性试验. 试样C15标准养护28 d的无侧限抗压强度为1 121.8 kPa，比试样C10略有提高，但仍低于试样S20G10的，表明增加水泥质量分数对改善该软土的固化效果有限. 侵蚀28 d后试样C15外观见表2，强度见图6. 可以看出：

1）从外观上看，试样C15的抗侵蚀性能优于试样C10的. 在Na₂SO₄溶液中，试样C15在2种侵蚀方式下均完整，表面光滑，没有开裂或脱落现象；在MgSO₄溶液中，在全浸泡方式下试样C15表面出现裂缝，在半浸泡方式下试样底部出现缺陷，有膨胀现象，但比试样C10轻微. 与试样S20G10相比，试样C15在MgSO₄溶液中破损现象不同，前者在浸泡区域形成鼓包，后者则出现开裂.

2）从强度上看，与试样C10相比，试样C15抗Na₂SO₄侵蚀能力明显提升，全浸泡和半浸泡侵蚀下的强度都高于试样C10的；抗MgSO₄侵蚀能力略有增强，例如MgSO₄溶液全浸泡下试样C10和C15的强度分别为147.4、162.0 kPa. 试样C15的抗Na₂SO₄和MgSO₄侵蚀能力都低于试样S20G10的.

3）从浸泡方式的影响来看，试样S20G10半浸泡方式强度低于全浸泡的，但试样C15与试样C10相同，即全浸泡方式下的强度低于半浸泡下的. 在全浸泡方式下，侵蚀溶液可能沿着试样C15表面裂隙进入到试样内部，强度降低更显著.

试样S20G10与C10在3种侵蚀溶液中全浸泡28 d、试样S20G10与C10在MgSO₄溶液3种侵蚀方式下侵蚀28 d的XRD谱见图7. 图中，I为衍射强度，2θ为衍射角. 试样S20G10在MgSO₄溶液侵蚀下浸泡区的SEM照片见图8. 除原材料中的石英、碳酸钙和白云母等矿物外，还检测出水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化氯铝酸钙、钙矾石和碳硫硅钙石等物质. 另外，海水环境下试样中还有NaCl.

1）由图7(a)可知，当侵蚀溶液相同时，试样C10中钙矾石衍射峰（9.091°、15.784°）均明显高于试样S20G10的. 钙矾石是由水化铝酸钙与SO₄²⁻结合反应生成的，其生成使试样因过大的结晶应力而膨胀开裂、结构变得疏松，这是造成试样强度降低的主要原因之一，其反应式如下^[20]：

$ \begin{aligned}3 \mathrm{Ca}(\mathrm{OH})_2+ & \mathrm{Al}_2 \mathrm{O}_3+3 \mathrm{CaSO}_4+(27 \sim 29) \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \\& \xrightarrow{\qquad} 3 \mathrm{CaO} \cdot \mathrm{Al}_2 \mathrm{O}_3 \cdot 3 \mathrm{CaSO}_4 \cdot(30\sim32) \mathrm{H}_2 \mathrm{O}\end{aligned} $

侵蚀试样中的碳硫硅钙石是硫酸盐进入固化土后与水化硅酸钙发生化学反应生成的产物，或由钙矾石转变而成，其形态与钙矾石晶体相似，但比钙矾石的危害更严重^[21-23]，其反应式^[20]如下：

$ \begin{split} & 3 \mathrm{Ca}^{2+} + \mathrm{SiO}_3^{2-} + \mathrm{CO}_3^{2+}+2(\mathrm{OH})^- + \mathrm{Mg}^{2+} + \mathrm{SO}_4^{2-} + 15 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \\& \quad\;\;\;\; \xrightarrow{\qquad} \mathrm{CaSiO}_3 \cdot \mathrm{CaSO}_4 \cdot \mathrm{CaCO}_3 \cdot 15 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}+\mathrm{Mg}(\mathrm{OH})_2\end{split} $

试样C10中碳硫硅钙石衍射峰较高，尤其是在MgSO₄溶液中碳硫硅钙石衍射峰最高. 相对于Na₂SO₄溶液，MgSO₄溶液中Mg²⁺促进碳硫硅钙石形成^[23]，造成试样C10抗MgSO₄侵蚀能力最差.

2）由图7(b)可知，当侵蚀溶液为MgSO₄时，试样S20G10土中侵蚀方式下钙矾石和碳硫硅钙石的衍射峰都较低，此时试样强度较高. 浸泡区钙矾石衍射峰较高，未浸泡区钙矾石衍射峰较低而碳硫硅钙石衍射峰较高，尤其是未浸泡区外部碳硫硅钙石衍射峰明显高于内部和浸泡区的. 这表明在半浸泡侵蚀条件下，硫酸盐随着毛细水上升，未浸泡区钙矾石转化为碳硫硅钙石，试样上下及内外的不均匀性强，导致半浸泡侵蚀试样S20G10强度低于全浸泡下的. 另外，试样S20G10未浸泡区外部还存在NaCl衍射峰，这是由于碱渣中的Cl⁻在毛细吸水过程中向上迁移、蒸发、结晶，对半浸泡侵蚀条件下的试样结构产生不利影响，也使试样强度降低. 另外，由图8也可以看出，试样S20G10经MgSO₄侵蚀后，结构疏松，孔隙内存在大量针棒状的钙矾石或碳硫硅钙石，颗粒边缘有絮状水化硅酸钙存在.

3）由图7(c)可知，与试样S20G10相同，试样C10土中侵蚀方式下钙矾石和碳硫硅钙石的衍射峰也低于其他方式下的，因此土中侵蚀时试样强度较高. 与试样S20G10不同之处在于，试样C10浸泡区碳硫硅钙石和钙矾石的衍射峰较高，高于未浸泡区的；未浸泡区外部碳硫硅钙石衍射峰也高于内部的，但试样C10未浸泡区内、外部碳硫硅钙石衍射峰的差异相对较小，半浸泡侵蚀条件下试样的不均匀较弱，因此全浸泡方式下试样C10强度降低比半浸泡方式下的更显著.

（1）在本研究试验条件下，3种侵蚀方式和侵蚀环境中碱渣-矿渣-电石渣固化软土（S20G10）的抗侵蚀能力强于水泥固化软土（C10）的；增加水泥质量分数（C15）有助于提高固化软土的抗侵蚀能力，但其抗MgSO₄侵蚀性能弱于S20G10的.

（2）在土中侵蚀方式下，固化软土的强度较高. 水泥质量分数为10%和15%的固化软土在全浸泡方式下外观破损更严重，强度低于半浸泡方式下的；全浸泡使碱渣、矿渣、电石渣质量分数分别为20%、10%、4%的固化软土（S20G10）外观破损更严重，但强度高于半浸泡方式下的，地下水位界面处成为固化软土抗侵蚀最薄弱位置.

（3）不同侵蚀方式和环境下固化软土的抗侵蚀性能与钙矾石及碳硫硅钙石的生成量密切相关，固化软土中生成较多钙矾石和碳硫硅钙石时抗侵蚀能力较弱. 试样S20G10在半侵蚀方式下毛细水上升、盐分迁移-蒸发-结晶、侵蚀性离子与水化产物反应生成较多危害性强的碳硫硅钙石，导致半浸泡成为其最危险的侵蚀方式.

（4）对于不同侵蚀方式下固化软土的长期耐久性和现场大尺寸固化软土试样的抗侵蚀性能，未来将继续开展研究.