鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的力學(xué)性能研究

侯芮， 陳四利， 馬嘯， 胡炎通， 江國龍

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110870)

1 引言

水泥土由于具有低滲、高強(qiáng)等特點(diǎn)，可作為路基加固土應(yīng)用在鐵路、公路、飛機(jī)跑道等路基加固工程中。中國鐵尾礦的產(chǎn)出量巨大，尾礦的堆積占用土地、污染環(huán)境、不安全等問題都造成了諸多負(fù)面影響。將鐵尾礦砂應(yīng)用于水泥土不僅可以改善環(huán)境污染，更加節(jié)約了建筑材料。因此，對鐵尾礦砂水泥土的力學(xué)性能的研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對水泥土的力學(xué)性能作了廣泛研究。如曹智國、嚴(yán)紅霞、陳瑞生等進(jìn)行了水泥土抗壓強(qiáng)度的影響因素研究，得出影響水泥土強(qiáng)度的主要因素有水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、含水率等。鹿群、夏永杰、陳四利等研究了摻石灰、纖維、廢鋼渣等對水泥土力學(xué)性能的影響;韓鵬舉等研究了化學(xué)腐蝕溶液對水泥土強(qiáng)度的影響規(guī)律；赫文秀等進(jìn)行了摻砂水泥土的力學(xué)性能研究，得出摻砂量為50%時效果最佳。

該文在上述研究基礎(chǔ)上將鐵尾礦砂應(yīng)用于水泥土，并通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓試驗、抗折試驗研究鐵尾礦水泥復(fù)合土的抗壓性能，抗折性能隨水泥摻量、齡期、尾礦砂摻量的關(guān)系；分別擬合出抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與尾礦砂摻量的函數(shù)關(guān)系，為工程應(yīng)用服務(wù)。

2 試驗概況

2.1 試驗原材料

試驗采用的土樣為取自沈陽市某路基地的粉質(zhì)黏土，其主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。所用鐵尾礦砂取自鞍山某尾礦庫，其主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表1，細(xì)度模數(shù)為1.2，屬于高硅型特細(xì)尾礦砂。選用強(qiáng)度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥，試驗用水為自來水。

表1 土樣、鐵尾礦砂的物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2 試驗方案及方法

水泥土試件中水泥摻量取3種：12%、16%、20%，尾礦砂按0、15%、20%、25%等質(zhì)量代替土體，水灰比取1.2。根據(jù)JGJ T233-2011《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》，采用70.7 mm×707 mm×70.7 mm、40 mm×40 mm×160 mm的試模分別制備試件108個，在清水環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7、14、28 d。

試件養(yǎng)護(hù)到指定齡期后，采用WDW-100C微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)進(jìn)行抗壓試驗，電動抗折試驗機(jī)進(jìn)行抗折試驗。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 水泥摻量對尾礦砂水泥土強(qiáng)度的影響

圖1為7、28 d齡期水泥土抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的變化情況。

圖1 不同齡期水泥摻量-抗壓強(qiáng)度曲線

從圖1可以看出：水泥摻量對鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的抗壓強(qiáng)度影響顯著。在養(yǎng)護(hù)時間為7 d、鐵尾礦砂摻量為15%的條件下，水泥摻量為16%、20%的強(qiáng)度達(dá)到4.96、5.41 MPa，較同齡期水泥摻量為12%的強(qiáng)度分別增長67%、82%。所以，抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而增大。

圖2為28 d抗折強(qiáng)度隨水泥摻量的變化規(guī)律。

由圖2可以看出：隨水泥摻量的增加，抗折強(qiáng)度增加。鐵尾礦砂摻量為25%，水泥摻量為20%的水泥土試件抗折強(qiáng)度達(dá)到2.82 MPa，較水泥摻量為12%、16%的強(qiáng)度分別增長63.0%、13.25%。其主要原因在于水泥摻量的增加，加劇了水泥水解、水化反應(yīng)，生成的水化膠凝物質(zhì)增多，包裹在土顆粒和鐵尾礦砂表面，增加土體內(nèi)部的黏結(jié)力，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，水泥土的抗壓、抗折強(qiáng)度增加。與水泥摻量由12%增至16%相比，水泥摻量由16%增至20%時，抗壓、抗折強(qiáng)度均增長緩慢。所以從經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)，鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的水泥摻量不宜過大，控制在16%左右較為合理。

圖2 28 d齡期水泥摻量-抗折強(qiáng)度曲線

3.2 尾礦砂摻量對水泥土強(qiáng)度的影響

圖3為不同齡期水泥土抗壓強(qiáng)度隨鐵尾礦砂摻量的變化情況。從圖3可以看出：在不同齡期，不同水泥摻量下，抗壓強(qiáng)度隨尾礦砂摻量的增加逐漸增加。鐵尾礦砂摻量為25%，水泥摻量為12%、16%、20%的試件，養(yǎng)護(hù)7 d后，其抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到3.65、5.39、5.82 MPa，是純水泥土強(qiáng)度的1.65、1.27、1.12倍，能夠滿足一般工程的強(qiáng)度需要。當(dāng)齡期達(dá)到28 d時，鐵尾礦砂摻量每增加5%，水泥摻量為20%、16%、12%的鐵尾礦砂水泥復(fù)合土試件，其抗壓強(qiáng)度平均增長0.34、0.57、0.69 MPa。因此，在鐵尾礦砂摻量小于25%的條件下，尾礦砂摻量越大，水泥土的抗壓強(qiáng)度越大。

圖4為不同齡期尾礦砂水泥土抗折強(qiáng)度隨尾礦砂摻量的變化關(guān)系。從圖4可看出：在尾礦砂摻量小于25%條件下，齡期達(dá)到28 d時，抗折強(qiáng)度與鐵尾礦砂摻量近似呈直線增長，水泥摻量為20%、16%、12%的鐵尾礦砂水泥復(fù)合土，鐵尾礦砂摻量每增加5%，其抗折強(qiáng)度分別平均增長0.12、0.17、0.15 MPa。

低摻量的尾礦砂提高水泥土強(qiáng)度的主要原因：① 尾礦砂的加入可以改善土顆粒的級配，減小土體的空隙率，增加水泥土的密實性，因此水泥土的抗壓、抗折強(qiáng)度有所提高；② 鐵尾礦砂屬于高硅型特細(xì)尾礦砂，化學(xué)成分與土相似，但粒徑大于黏土顆粒，在土體中充

圖3 不同齡期尾礦砂摻量-抗壓強(qiáng)度曲線

圖4 不同齡期尾礦砂摻量-抗折強(qiáng)度曲線

當(dāng)了粗骨料的作用，在水泥水化、硬化形成的膠凝物質(zhì)的作用下，使土顆粒圍繞其形成整體，故水泥土的抗壓、抗折強(qiáng)度有所提高。

由于水泥土早期強(qiáng)度不穩(wěn)定，在這里討論齡期為28 d，不同水泥摻量的水泥土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與尾礦砂摻量的函數(shù)關(guān)系，應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)行擬合。得到尾礦砂水泥土的強(qiáng)度fcu、抗折強(qiáng)度ft與尾礦砂量S的表達(dá)式如下：

fcu=a(S)+b

(1)

ft=c(S)+d

(2)

式中：a、b、c、d為回歸系數(shù)。

求得的抗壓、抗折強(qiáng)度與鐵尾礦砂摻量的回歸系數(shù)和相關(guān)度R1、R2見表2，相關(guān)度R1、R2均大于0.9，說明抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與尾礦砂摻量按照一次函數(shù)擬合效果較好。

表2 強(qiáng)度與鐵尾礦砂摻量的回歸系數(shù)

3.3 齡期對尾礦砂水泥土強(qiáng)度的影響

圖5、6分別為純水泥土、尾礦砂摻量為15%的水泥土抗壓、抗折強(qiáng)度隨齡期的變化情況。

圖5 純水泥土、尾礦砂15%水泥土齡期-抗壓強(qiáng)度曲線

從圖5、6可以看出：在養(yǎng)護(hù)齡期小于28 d的條件下，鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的抗壓、抗折強(qiáng)度隨齡期增長而增加，與純水泥土的變化規(guī)律相同，強(qiáng)度增加的原因在于水泥的水化反應(yīng)是一個長期作用的過程，養(yǎng)護(hù)時間越長，水泥的水化反應(yīng)越充分，水化產(chǎn)物越多，所以水泥土強(qiáng)度不斷提高。

圖6 純水泥土、尾礦砂15%水泥土齡期-抗折強(qiáng)度曲線

水泥摻量為12%，尾礦砂摻量為15%的水泥土在前7、7～14、14～28 d齡期，抗壓強(qiáng)度平均每天分別增長0.99、0.15、0.16 MPa，抗折強(qiáng)度平均每天增長0.04、0.15、0.01 MPa，故鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的抗壓、抗折強(qiáng)度早期強(qiáng)度增長較快，后期強(qiáng)度增長較慢，這一變化規(guī)律與純水泥土相似。

4 結(jié)論

對尾礦砂水泥復(fù)合土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度隨水泥摻量、齡期、鐵尾礦砂摻量的變化關(guān)系進(jìn)行研究，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的抗壓、抗折強(qiáng)度均隨水泥摻量的增加而增大，但水泥摻量大于16%時強(qiáng)度增長較緩慢，所以，水泥摻量控制在16%左右，更具有經(jīng)濟(jì)效益。

(2) 鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的抗壓、抗折強(qiáng)度隨齡期的增長而增大，并且早期強(qiáng)度增長較快，后期強(qiáng)度增長較慢。

(3) 當(dāng)尾礦砂摻量小于25%時，水泥土的抗壓、抗折強(qiáng)度隨鐵尾礦砂摻量的增加而增大，符合線性函數(shù)關(guān)系，并且當(dāng)水泥摻量較小時，摻尾礦砂效果明顯。

(4) 在該文試驗條件下，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，水泥摻量為12%，尾礦砂摻量為15%的水泥土抗壓抗折強(qiáng)度分別達(dá)到5.5、1.38 MPa，能夠滿足一般工程的強(qiáng)度需要。