鎳鐵渣粉水泥土的固化機(jī)理試驗(yàn)研究

陳 金 輝

(中國(guó)電建集團(tuán)福建工程有限公司，福建 福州 350008)

水泥土是指在原狀土或經(jīng)搗碎后的土樣中摻入水泥、水、外摻劑等物質(zhì)后將其攪拌均勻，然后再經(jīng)過一定養(yǎng)護(hù)時(shí)間形成的一種與原狀土相比在整體性、堅(jiān)固性、水穩(wěn)定性等都大大提高的土木工程材料[1-2]。水泥土在我國(guó)沿海地區(qū)工程建設(shè)的地基處理中發(fā)揮著不可替代的作用，在海相環(huán)境下加固形成的水泥土加固體長(zhǎng)期處于海水環(huán)境中，其中可溶鹽離子對(duì)水泥土加固體會(huì)產(chǎn)生侵蝕作用，使水泥土的成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，甚至?xí)霈F(xiàn)強(qiáng)度降低滲透性增大等劣化現(xiàn)象。胡建林等[3]研究了玄武巖纖維對(duì)水泥土力學(xué)性能的影響效應(yīng)。袁誠(chéng)[4]研究了水泥土在我國(guó)水利工程中的應(yīng)用。曹洋等[5]研究了釘型水泥土攪拌樁加固軟土路堤。安學(xué)軍等[6]研究了水泥土攪拌樁圍井的應(yīng)用。

鎳鐵渣是鎳鐵工業(yè)生產(chǎn)中高溫熔融下還原提取鎳和部分鐵后經(jīng)水淬急冷產(chǎn)生的粒化工業(yè)廢渣。鎳鐵渣粉具有一定潛在活性、耐久性及其資源循環(huán)利用等特點(diǎn)[7]，許多學(xué)者對(duì)鎳鐵渣進(jìn)行了研究，如林丹軍[8]研究了鎳鐵渣粉對(duì)水泥砂漿性能的影響；何型江[9]研究了高爐鎳鐵渣粉用作混合材對(duì)水泥性能的影響；王強(qiáng)等[10]研究了鎳鐵渣粉對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響；齊太山等[11]作了高爐鎳鐵渣粉在水泥基復(fù)合膠凝材料中的水化特性研究。水泥土的固化機(jī)理也是眾多學(xué)者研究的方向，如王文軍[12]進(jìn)行了納米礦粉水泥土固化機(jī)理及損傷特性研究；賈尚華[13]進(jìn)行了石灰水泥復(fù)合土固化機(jī)理及力學(xué)性能的試驗(yàn)研究；楊國(guó)輝[14]的水泥土固化過程的交流阻抗分析；齊太山等[15]研究了水泥土強(qiáng)度特性及固化機(jī)理；盛明強(qiáng)等[16]做了穩(wěn)定技術(shù)與固化土性質(zhì)研究；陳越[17]做了固化機(jī)理和效果的研究；栗霞等[18]做了水泥土強(qiáng)度特性及固化機(jī)理研究。

本文從濱海區(qū)域工程實(shí)際出發(fā)，將鎳鐵渣粉等量替代水泥質(zhì)量摻入到水泥中，主要結(jié)合XRD試驗(yàn)、SEM試驗(yàn)和壓汞試驗(yàn)對(duì)鎳鐵渣粉水泥土的固化機(jī)理進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)以宏觀和微觀相結(jié)合的方式來(lái)說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)現(xiàn)象，考察其在海洋環(huán)境下的強(qiáng)度及抗?jié)B性能。

1 試驗(yàn)原理與方法

鎳鐵渣粉水泥土的固化機(jī)理和微觀結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，在有限的條件下無(wú)法對(duì)其每一個(gè)方面都進(jìn)行比較詳細(xì)與全面研究，因此，本研究選擇了較有代表性的方面進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1.1 試驗(yàn)試件

試件用土料取自福州某地鐵站基坑內(nèi)，原狀土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，見表1。水泥采用煉石牌P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，見表2。鎳鐵渣粉是以等量取代水泥作為摻和料摻入到水泥土中的，取代量分別為水泥質(zhì)量的0%、10%、20%、30%、40%。鎳鐵渣粉的化學(xué)成分，見表3，鎳鐵渣粉配比類型及數(shù)量表，見表4。將原材料注入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊，待試塊養(yǎng)護(hù)到一定齡期形成試件。

表1 土樣的部分物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

表2 煉石水泥的化學(xué)成分

表3 鎳鐵渣粉摻和料的化學(xué)成分

表4 鎳鐵渣粉配比類型及數(shù)量

1.2 XRD試驗(yàn)

試驗(yàn)對(duì)鎳鐵渣粉的不同配比進(jìn)行試驗(yàn)分析，然后將利用Jade軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行基本的定性分析，得出不同方案的差異性，以從一定角度說(shuō)明鎳鐵渣粉摻入對(duì)物質(zhì)的影響。鎳鐵渣粉的不同配比表見表4。XRD試驗(yàn)所用樣品制作包括兩部分，首先制作水泥石和鎳鐵渣粉水泥土，然后制作符合規(guī)范的XRD粉末。

1.3 SEM試驗(yàn)

SEM試驗(yàn)利用掃描電鏡進(jìn)行微觀試驗(yàn)，主要是觀察不同齡期，不同試驗(yàn)方案中水泥水化物質(zhì)的生成情況，物質(zhì)的致密程度和孔隙的大小，鎳鐵渣粉在水泥土中所處的情況，以及隨著齡期的增長(zhǎng)，鎳鐵渣粉微觀形貌等的變化，將能比較直觀的對(duì)鎳鐵渣粉水泥土強(qiáng)度的增長(zhǎng)和性能的變化進(jìn)行合理的解釋。

SEM試驗(yàn)所用的是1.1的試驗(yàn)試件。敲碎試驗(yàn)試件，從試塊內(nèi)部選取上下表面盡量平整，厚度小的小薄片，將其放入無(wú)水乙醇浸泡24 h，放入烤箱烘干，即制成SEM試驗(yàn)樣品。

1.4 壓汞試驗(yàn)

壓汞試驗(yàn)是測(cè)量材料孔結(jié)構(gòu)的一種有效試驗(yàn)方法，通過對(duì)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以獲得材料的孔隙率、臨界孔徑、最可幾孔徑、孔徑分布等信息。

壓汞試驗(yàn)所用的是1.1的試驗(yàn)試件。敲碎試驗(yàn)試件，隨機(jī)從被敲碎的試塊中選擇大小尺寸合適的顆粒，將其放入無(wú)水乙醇浸泡24 h，然后放入烤箱烘干，即制成壓汞試驗(yàn)樣品。

2 水泥土固化機(jī)理

2.1 水泥石與鎳鐵渣粉水泥土XRD試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 水泥石

不同鎳鐵渣粉摻量水泥凈漿在7 d、28 d、60 d齡期的水化產(chǎn)物生成情況如圖1—圖3所示。圖中數(shù)字代表物質(zhì)解釋如下：1為Ca(OH)2，2為C3S，3為C2S，4為CaCO3，5為SiO2。根據(jù)圖1—圖3水泥石XRD的圖譜試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析：

(1) C-S-H。水泥的水化過程中會(huì)生成大量的C-S-H膠凝(主要為C3S和C2S水化所生成)。但C-S-H的化學(xué)成分不穩(wěn)定，在水泥的水化產(chǎn)物中很難將不同種類的C-S-H區(qū)分開來(lái)，所以本試驗(yàn)的XRD圖譜中并未監(jiān)測(cè)到C-S-H的存在。

(2) C3S和C2S。C3S和C2S為參與水化反應(yīng)的主要礦物，隨著齡期的增長(zhǎng)，水泥中的C3S和C2S不斷參與水化反應(yīng)。

(3) Ca(OH)2。Ca(OH)2是水泥水化的主要產(chǎn)物之一。通過水泥石的衍射圖譜可知，在衍射圖譜中可以看到明顯的尖而細(xì)的衍射峰，但是在7 d、28 d、60 d齡期水泥石中Ca(OH)2的衍射峰值均會(huì)隨著鎳鐵渣粉摻量的增加而減小，從而說(shuō)明鎳鐵渣粉的摻入會(huì)對(duì)水泥石中Ca(OH)2的結(jié)晶情況產(chǎn)生較大的影響。

(4) CaCO3。CaCO3是樣品在測(cè)試和保存過程中受空氣中的CO2碳化所產(chǎn)生的，含量很少，并且對(duì)比不同鎳鐵渣粉摻量和不同齡期的衍射圖譜可知，CaCO3的衍射峰值均相似，說(shuō)明該試樣過程中CO2對(duì)不同組水泥石碳化的影響均相同。

(5) SiO2。SiO2主要來(lái)源于水泥本身的組成成分，由于SiO2的結(jié)晶度較高，所以在衍射圖譜中的衍射峰值較大，但其含量并不多。

圖1 7 d水泥石XRD圖譜

圖2 28 d水泥石XRD圖譜

圖3 60 d水泥石XRD圖譜

2.1.2 鎳鐵渣粉水泥土

圖4、圖5分別為鎳鐵渣粉水泥土試件A和試件C在不同齡期時(shí)的XRD衍射圖譜。由圖可知，未摻鎳鐵渣粉的試件A在7 d齡期時(shí)具有較強(qiáng)的鈣礬石衍射峰，但是隨著齡期的增加，鈣礬石的衍射峰會(huì)變的越來(lái)越弱。

圖4 試件A 不同齡期XRD衍射圖譜

圖5 試件C不同齡期XRD衍射圖譜

2.2 微觀孔結(jié)構(gòu)分析

本次利用壓汞儀對(duì)鎳鐵渣粉水泥土的微觀孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)分析，對(duì)比鎳鐵渣粉水泥土在不同配比不同齡期時(shí)孔結(jié)構(gòu)的變化和差異，以此體現(xiàn)鎳鐵渣粉在水泥土中的作用效應(yīng)。鎳鐵渣粉水泥土的孔徑分布微分曲線見圖6—圖9。

圖6 7 d齡期孔徑分布圖

圖7 28 d齡期孔徑分布圖

圖8 60 d齡期孔徑分布圖

圖9 90 d齡期孔徑分布圖

2.3 鎳鐵渣粉-水泥漿-土的作用分析

為了更加直觀的觀察鎳鐵渣粉、水泥水化產(chǎn)物和土顆粒之間的相互作用，本研究將鎳鐵渣粉水泥土試塊進(jìn)行SEM試驗(yàn)分析，獲得了鎳鐵渣粉水泥土在不同齡期時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)，水泥的水化產(chǎn)物，鎳鐵渣粉填充與水化情況，見圖10—圖12。

7 d齡期時(shí)，鎳鐵渣粉水泥土試件A、B、C的結(jié)構(gòu)均較為疏松，顆粒之間的膠結(jié)程度不是很好，還存在較多的離散顆粒，并且顆粒與顆粒之間的孔隙也還很大。摻有鎳鐵渣粉的水泥土試件C與試件A相比，試件C的結(jié)構(gòu)更加疏松，鎳鐵渣粉沒有參與反應(yīng)，只是以顆粒的形式填充于土顆粒之間。

28 d齡期時(shí)，試件A、B、C的微觀結(jié)構(gòu)明顯變得更加致密，生成了大量的水化產(chǎn)物，并且大部分的土顆粒表面已經(jīng)被水化產(chǎn)物覆蓋，水化產(chǎn)物把土顆粒相互連接起來(lái)，形成了一個(gè)整體性更好、強(qiáng)度更高的物體。

圖10 7 d齡期掃描電鏡圖

圖11 28 d齡期掃描電鏡圖

圖12 60 d齡期掃描電鏡圖

60 d齡期時(shí)，試件A、B、C的微觀結(jié)構(gòu)均已經(jīng)變的非常致密，孔隙幾乎都被水化產(chǎn)物所填充，整體性變得非常好，鎳鐵渣粉表面也覆蓋了大量的水化生成物，試件C中仍然可以看到部分的鈣礬石晶體。

3 小 結(jié)

本文分別利用了X射線衍射儀、壓汞儀和SEM三種試驗(yàn)儀器進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲得了不同齡期時(shí)不同鎳鐵渣粉摻量對(duì)水泥水化產(chǎn)物、水泥土微觀結(jié)構(gòu)與孔隙大小等的影響。

具體結(jié)論如下：

(1) XRD試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，摻與不摻鎳鐵渣粉對(duì)水泥水化產(chǎn)物的種類并無(wú)影響，均主要為Ca(OH)2、C3S、C2S、CaCO3和SiO2這五種物相。28 d齡期后，摻有鎳鐵渣粉的試驗(yàn)組中Ca(OH)2的衍射峰會(huì)變?nèi)酰瑫r(shí)鎳鐵渣粉水泥土XRD衍射圖譜中鈣礬石的衍射峰變的越來(lái)越大，其主要原因是28 d齡期以后，鎳鐵渣粉的活性被更大程度的被激發(fā)，會(huì)與水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成鈣礬石。

(2) 7 d和28 d齡期時(shí)試件A和試件B具有相似的孔徑分布微分曲線，孔徑的分布情況大致相同，但是試件C則還出現(xiàn)了較多20.3 nm的孔徑。60 d齡期時(shí)，隨著各組水泥土的孔隙率進(jìn)一步減小，鎳鐵渣粉水泥土的孔徑分布微分曲線則出現(xiàn)了多個(gè)峰值的現(xiàn)象。從而說(shuō)明60 d齡期時(shí)鎳鐵渣粉水泥土中小孔隙逐漸變?yōu)榭紫兜闹饕急?，小孔隙的孔徑主要集中?0 nm左右。

(3) 60 d齡期以后，試件B的總孔隙體積和最可幾孔徑逐漸減小，并且到了90 d齡期時(shí)，試件B的孔徑主要是443 nm的孔徑，而小孔徑很少，試件C則除了具有與試件B一樣在443 nm附近的孔徑外，其在內(nèi)部還具有21.4 nm孔徑大小的小孔徑，試件A也具有較多的小孔徑，但其孔徑比C組的大。

(4) 從SEM的照片可知，7 d齡期時(shí)鎳鐵渣粉水泥土中的水化產(chǎn)物較少，結(jié)構(gòu)疏松，鎳鐵渣粉填充于土顆粒之中。28 d齡期以后，隨著水泥水化的不斷進(jìn)行和鎳鐵渣粉潛在活性的發(fā)揮，鎳鐵渣粉水泥土的結(jié)構(gòu)變的越來(lái)越致密，土顆粒之間相互膠結(jié)，孔隙也被不斷水化生成的水化物所填充。到60 d齡期時(shí)，摻有鎳鐵渣粉的水泥土具有與基準(zhǔn)組水泥土相同的整體性和致密性，并且此時(shí)鎳鐵渣粉的活性還在進(jìn)一步發(fā)揮，在試件C中仍然可以看到部分的鈣礬石晶體。

通過綜合分析鎳鐵渣粉的摻入對(duì)水泥土產(chǎn)生的影響，并確定滿足工程建設(shè)要求的較優(yōu)的鎳鐵渣粉摻量值，從而為沿海地區(qū)工程建設(shè)的地基處理提供理論支持。