工程用鎳鐵渣粉水泥土三軸試驗研究

陳開榮，陳 峰

(1.中國電建集團福建工程有限公司，福建 福州 350008；2.福建江夏學院，福建 福州 350108)

水泥土是指將水、土、水泥和外加劑按一定的配比進行人工拌合而形成的復合工程材料[1-2]，在基坑圍護、地基處理、邊坡加固及止水帷幕等工程領(lǐng)域得到較為廣泛的應用[3]。近年來，礦物摻合料因資源循環(huán)利用、綠色發(fā)展、經(jīng)濟有效、具有一定活性等特點，應用于水泥土的研究受到學者的廣泛關(guān)注，工程實踐中應用較多的礦物摻合料有納米硅粉、礦粉、粉煤灰等[4-8]。鎳鐵渣是冶煉鎳鐵過程中排放的工業(yè)廢渣[9]，且排放量巨大，成為中國繼礦渣、鋼渣、赤泥之后的第四大冶煉工業(yè)廢渣。將鎳鐵渣應用于工程材料方面的研究，已取得了諸多成果。Choi Y C等[10]將鎳鐵渣碾磨制成細集料作為膠凝材料，對其堿-硅反應性進行了實驗評估，以供混凝土使用。陳金輝等[11]結(jié)合XRD試驗、SEM試驗和壓汞試驗對鎳鐵渣粉水泥土的固化機理進行分析，獲得了不同鎳鐵渣粉摻量對水泥水化產(chǎn)物、水泥土微觀結(jié)構(gòu)與孔隙大小等的影響。陳峰等[12]進行了鎳鐵渣粉水泥土的無側(cè)限抗壓強度試驗，得到各組配合比下水泥土的鈣礬石結(jié)晶情況和水泥土強度值。

實際工程應用中，水泥土處于復雜應力狀態(tài)，為了研究不同圍壓條件下鎳鐵渣粉水泥土的力學性能，本文采用應變控制式三軸儀對摻鎳鐵渣粉水泥土試樣進行不同圍壓下的固結(jié)不排水剪切試驗，對摻鎳鐵渣粉水泥土在不同齡期和圍壓條件下的力學性能進行研究。

1 試驗概況

1.1 原材料

本試驗所用土料為淤泥質(zhì)土，取自福州地鐵站基坑內(nèi)，含水率為47.4%，密度為1.64 g/cm3,孔隙比為1.36，黏聚力為31.2 kPa,內(nèi)摩擦角為13.9°。水泥為福建煉石牌普通硅酸鹽水泥，水泥3 d和7 d抗壓強度分別為25.7 MPa和46.3 MPa。試驗用水為自來水提純凈化后的純水，采用福建源鑫環(huán)?？萍加邢薰镜腇85級鎳鐵渣粉(復摻礦粉)，具體化學組成見文獻[12]。

1.2 試驗方案

本試驗根據(jù)《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJT 233-2011)的要求，制備直徑為39.1 mm，H= 80 mm 的圓柱體試樣。其中，土樣制備方法為：將取回的土樣烘干碾磨篩分后，按原狀土的含水率進行配置；水灰比為0.5，水泥摻入比為15%；鎳鐵渣粉以等量替代水泥質(zhì)量的方式摻入，參照文獻[12]中鎳鐵渣粉的較優(yōu)摻入值，選取鎳鐵渣粉摻入量0%(編號A)與20%(編號B)進行對比試驗。

本次試驗采用應變控制式三軸儀進行測試，其應變加載的速度為4.5 mm/min。將水泥土試樣在標準養(yǎng)護室內(nèi)分別養(yǎng)護至7 d、28 d、60 d齡期，選用0 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa四種圍壓進行固結(jié)不排水試驗，并且試件達到峰值應力后，繼續(xù)加載3%～5%應變后停止試驗(試驗方案如表1所示)。

表1 水泥土試驗方案

2 試驗結(jié)果

采用常規(guī)三軸試驗對鎳鐵渣粉水泥土進行研究，獲得鎳鐵渣粉水泥土的應力-應變曲線、抗剪強度參數(shù)等力學指標，并重點探討了不同圍壓和養(yǎng)護齡期對鎳鐵渣粉水泥土強度性能及變形特性的影響規(guī)律。

2.1 鎳鐵渣粉水泥土的抗剪強度參數(shù)

材料的抗剪強度在工程建設(shè)中具有重要意義，同時黏聚力和內(nèi)摩擦角是判斷材料抗剪強度大小及工程穩(wěn)定性的重要工程指標。本文通過三軸試驗測得在不同圍壓σ3下鎳鐵渣粉水泥土破壞時的最大主應力σ1，繪制出水泥土分別在7 d、28 d、60 d齡期下的摩爾應力圓，并作出莫爾圓的公切線，從而得到不同齡期下水泥土的黏聚力C及內(nèi)摩擦角φ(如表2所示)，齡期為60 d的鎳鐵渣粉水泥土的強度包線如圖1所示。

表2 水泥土剪切強度參數(shù)

(a)試件A (b)試件B

由圖1可知：鎳鐵渣粉水泥土的摩爾應力圓直徑隨著圍壓的增大而增大，莫爾圓公切線是斜率為正的傾斜線，這與文獻[13]中水泥土的圍壓影響規(guī)律基本一致。鎳鐵渣粉的摻入對水泥土的抗剪強度參數(shù)有較大的影響，鎳鐵渣粉摻入量為20%時與0%的基準組A相比，黏聚力均有下降，內(nèi)摩擦角7 d時略有增長，但隨齡期提高均較摻量為0%時小。其中各個齡期黏聚力下降率分別為:22.2%、13.4%、2.9%，而且內(nèi)摩擦角的增減幅度比黏聚力小得多。由此可以看出，鎳鐵渣粉對水泥土抗剪性能的影響主要體現(xiàn)在黏聚力方面。分析其原因，黏聚力主要是由顆粒之間膠結(jié)作用決定，水泥土中土顆粒之間的連接強度必然是由水泥水化所生成的膠結(jié)物質(zhì)所決定。因此，當鎳鐵渣粉替代部分質(zhì)量水泥時，會導致水泥早期水化作用生成的膠結(jié)物質(zhì)減少，而且鎳鐵渣粉的活性較低，早齡期時鎳鐵渣粉基本不會發(fā)生水化作用，主要起到微集料填充孔隙的作用，故水泥土的黏聚力下降。但鎳鐵渣粉在早齡期具有填充作用，也會使得鎳鐵渣粉水泥土的結(jié)構(gòu)更加致密，從而使得水泥土的內(nèi)摩擦角略有增長。隨著齡期的增長，摻鎳鐵渣粉水泥的黏聚力下降的幅度逐漸縮小，同時摻有鎳鐵渣粉水泥土內(nèi)摩擦角均小于基準組的內(nèi)摩擦角，但是并沒有發(fā)生很大程度的下降。這是由于鎳鐵渣粉在填充孔隙的同時活性開始發(fā)揮作用，生成了對提高黏聚力有益的物質(zhì)，從而彌補由水泥摻量降低而導致的水泥水化膠結(jié)物質(zhì)減少對其性能的影響。

齡期對水泥土黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響分別如圖2、圖3所示。由圖2和圖3可知，摻鎳鐵渣粉水泥土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均會隨著水泥土齡期的增大而增大，但其增大的趨勢存在一定差異。在7 d齡期時，摻鎳鐵渣粉水泥土的黏聚力會明顯小于基準組水泥土，但養(yǎng)護至7 d后，摻鎳鐵渣粉水泥土黏聚力的增長率均會大于基準組水泥土，使得鎳鐵渣粉水泥土的黏聚力與基準組水泥土之間的差值逐漸減小。養(yǎng)護至60 d時，兩者已經(jīng)非常接近，表明齡期較長時鎳鐵渣粉的摻入對水泥土黏聚力的影響并不大，黏聚力的下降幅度會隨著齡期的增長而變小。同時，鎳鐵渣粉水泥土的內(nèi)摩擦角在早齡期時會略大于基準組水泥土，但養(yǎng)護28 d后，基準組水泥土內(nèi)摩擦角的增長速率明顯變大，逐漸超過摻鎳鐵渣粉水泥土的內(nèi)摩擦角。

圖2 齡期對黏聚力的影響

圖3 齡期對內(nèi)摩擦角的影響

2.2 應力-應變關(guān)系

本文選取鎳鐵渣粉水泥土水化較為完全的60 d齡期進行研究，分析齡期和圍壓對鎳鐵渣粉水泥土應力-應變關(guān)系的影響。60 d時水泥土的應力-應變關(guān)系如圖4所示，鎳鐵渣粉水泥土在0 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa圍壓下的應力-應變曲線均表現(xiàn)出應力、應變軟化的特性，并且均具有一個峰值強度，表明通過在軟土中添加水泥和礦物摻和料后，軟土性能發(fā)生改變，破壞特性由塑性破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐摹?/p>

(a)圍壓為0 kPa

(b)圍壓為100 kPa

(c)圍壓為200 kPa

(d)圍壓為300 kPa

從圖4中可以看出，鎳鐵渣粉水泥土的應力-應變曲線從整體上可以分為三個階段:第一階段為線彈性階段；第二階段為塑性屈服階段；第三階段為峰值軟化階段，即鎳鐵渣粉水泥土發(fā)生破壞后，在微小的應變增量下會出現(xiàn)較大的應力下降，并最終下降到一個趨于穩(wěn)定的值，為鎳鐵渣粉水泥土的殘余強度。

60 d齡期時，鎳鐵渣粉不再僅以微集料的填充效應作用于水泥土，而是與水泥的水化物質(zhì)相互作用，使得鎳鐵渣粉水泥土表現(xiàn)出與混凝土等脆性材料類似的性質(zhì)，圍壓在0 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa下各組試件的最大破壞應變分別為2.13%、3.15%、3.52%、4.28%。

圖5 水泥土脆性破壞 圖6 水泥土塑性破壞

2.3 鎳鐵渣粉水泥土的破壞性狀

鎳鐵渣粉水泥土的三軸固結(jié)不排水剪切破壞后，試樣如圖5、圖6所示。鎳鐵渣粉水泥土的破壞有脆性破壞和塑性破壞兩種形式。由于水泥和鎳鐵渣粉的摻入，鎳鐵渣粉水泥土的破壞性狀表現(xiàn)出更加明顯的脆性破壞，隨著齡期的增長，這種破壞特性表現(xiàn)得更為明顯，試件破壞時產(chǎn)生明顯的剪切破壞面，見圖5。然而，在早齡期和高圍壓時，鎳鐵渣粉水泥土在受力過程中表現(xiàn)出比較明顯的塑性變形，試件破壞時產(chǎn)生大量的裂紋，剪切破壞面較不明顯，見圖6。

3 結(jié)論

利用三軸儀對鎳鐵渣粉水泥土進行固結(jié)不排水試驗研究，獲得鎳鐵渣粉水泥土分別在7 d、28 d、60 d齡期下的抗剪強度參數(shù)、應力-應變曲線等力學指標，得出如下結(jié)論:

(1)鎳鐵渣粉等量替代水泥摻入水泥土，對水泥土的黏聚力和內(nèi)摩擦角產(chǎn)生影響。在7 d齡期時，由于鎳鐵渣粉的填充作用，摻鎳鐵渣粉水泥土的內(nèi)摩擦角略大于基準組水泥土，但黏聚力發(fā)生較大的下降。隨著齡期增長，鎳鐵渣粉水泥土的黏聚力與基準組逐漸接近。

(2)鎳鐵渣粉水泥土在不同圍壓下的應力-應變曲線均表現(xiàn)出應變軟化的力學特性。隨著齡期的增長，水泥土破壞具有較為明顯的剪切破壞面，其峰值應力逐漸增大，破壞應變逐漸減小。到60 d齡期后，摻鎳鐵渣粉水泥土的破壞應變和峰值應力已經(jīng)與基準組非常接近，鎳鐵渣粉不再僅以微集料的填充效應作用于水泥土，而是與水泥的水化物質(zhì)相互作用，表現(xiàn)出明顯的脆性特性。

(3)鎳鐵渣粉可部分替代水泥用于軟土固化工程中。摻入一定量鎳鐵渣粉的水泥土，在適當齡期養(yǎng)護后其破壞應變和峰值應力接近未摻鎳鐵渣粉的水泥土。