干濕循環(huán)作用下鐵尾礦砂水泥土強(qiáng)度劣化規(guī)律

胡建林，高鵬飛，崔宏環(huán)，張玉龍

(1.河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000)

1 研究背景

水泥土由于其良好的工程性質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益，被廣泛應(yīng)用于軟土地基處理、基坑邊坡加固等工程中。但水泥土后期強(qiáng)度低、變形大[1]等問題使其發(fā)展受到了很大的制約。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用眾多方法對(duì)水泥土進(jìn)行了改良，例如在水泥土中加入納米MgO[2]、硅粉[3]、粉細(xì)砂[4]等摻合料，都取得了較好的改良效果。由于上述摻合料造價(jià)高且難以應(yīng)用于實(shí)際工程中，因此尋找一種易施工且經(jīng)濟(jì)性較高的改良劑是水泥土材料目前亟待解決的問題。

鐵尾礦是冶金工業(yè)選礦后殘留的固體廢棄物，是目前工業(yè)廢棄物的重要構(gòu)成之一。鐵尾礦的堆砌不僅會(huì)占用龐大的土地資源，而且會(huì)產(chǎn)生一系列環(huán)境污染問題。因此，鐵尾礦的二次利用是今后發(fā)展綠色環(huán)保生態(tài)的一大重要課題[5]。

對(duì)于水泥土而言，其干濕循環(huán)條件下的耐久性也是工程中較為重要的參數(shù)之一，Wang 等[6]對(duì)干濕循環(huán)條件下的水泥土進(jìn)行了分析，得出壓實(shí)度和水泥摻量越大，干濕循環(huán)下的強(qiáng)度劣化越小。Wang等[7]對(duì)不同土質(zhì)水泥土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果表明：改變土的顆粒級(jí)配可以有效減小干濕循環(huán)造成的損傷。楊俊等[8]通過對(duì)風(fēng)化砂改良膨脹土的干濕循環(huán)試驗(yàn)，得出摻入一定量風(fēng)化砂可以提高膨脹土的抗干濕循環(huán)能力，并且把風(fēng)化砂改良膨脹土隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線分成3個(gè)階段進(jìn)行了詳細(xì)的機(jī)理分析。周永祥等[9]、張潔[10]、鄭旭等[11]針對(duì)不同摻合料的水泥土進(jìn)行了干濕循環(huán)試驗(yàn)，表明水泥礦粉固化劑、聚丙烯纖維、活性碳等摻合料均可提高水泥土的干濕循環(huán)耐久性。

研究表明，干濕循環(huán)會(huì)對(duì)水泥土的力學(xué)性能造成一定程度的損傷，且加入一些摻合料可以有效改善水泥土的抗干濕循環(huán)能力。通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究水泥摻量、鐵尾礦砂摻量和干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)鐵尾礦砂水泥土強(qiáng)度及干濕循環(huán)耐久性的影響，并對(duì)其強(qiáng)度損傷進(jìn)行機(jī)理分析，為季節(jié)性氣候地區(qū)水泥土材料的施工提供理論參考。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

(1)土樣：試驗(yàn)用土取自張家口市某建設(shè)場(chǎng)地粉質(zhì)黏土，其基本物理性質(zhì)見表1、顆粒級(jí)配曲線見圖1。

圖1 粉質(zhì)黏土的顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle distribution curve of silty clay

表1 土樣的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of soil samples

(2)水泥：水泥采用張家口金隅水泥廠生產(chǎn)的P·O 32.5級(jí)礦渣硅酸鹽水泥。

(3)鐵尾礦砂：鐵尾礦砂為張家口宣化區(qū)某鋼廠篩選后的顆粒廢棄物，其化學(xué)成分見表2、顆粒級(jí)配曲線見圖2。

圖2 鐵尾礦砂的顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curve of iron tailing sand

表2 鐵尾礦砂的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of iron tailing sand

2.2 試樣制備

將重塑土樣放入105 ℃的烘箱中烘干，碾碎并過2 mm土壤篩。將鐵尾礦砂過2.36 mm砂石篩去除較大的顆粒雜質(zhì)。通過擊實(shí)試驗(yàn)獲得不同配合比水泥土的最大干密度及最優(yōu)含水率，如表3所示，試件均采用最優(yōu)含水率制作。將素土及鐵尾礦砂充分混合后加水至預(yù)定含水率并放入保鮮袋中密封，24 h之后加入水泥并攪拌均勻，放入模具內(nèi)靜壓成型，試件尺寸為Φ100 mm×H100 mm。試件成型后靜置4 h后脫模，之后用保鮮膜密封放入恒溫恒濕的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)。

表3 不同摻量水泥土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Result of compaction test on cement-soil of varied mix ratio

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參考《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ/T 233—2011)[12]的相關(guān)內(nèi)容，將養(yǎng)護(hù)一定齡期的水泥土試件稱重、測(cè)量尺寸后在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速率為1 mm/min，試件破碎后取部分碎塊測(cè)量其含水率。

2.4 干濕循環(huán)試驗(yàn)

干濕循環(huán)試驗(yàn)分為脫濕和增濕2個(gè)部分，綜合考慮北方地區(qū)降雨情況，并參考文獻(xiàn)[13]，設(shè)定水泥土增濕含水率上限為20%，脫濕含水率下限為5%。為保證干濕循環(huán)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，將試件側(cè)面用保鮮膜包裹，使水分只通過上下表面進(jìn)行遷移。干濕循環(huán)方式為先干后濕，其循環(huán)步驟如下：試件養(yǎng)護(hù)到齡期前一天浸水24 h，并取不同配合比試件的一個(gè)測(cè)量含水率定為水泥土的初始含水率，脫濕過程采用低溫烘干法，將試件放入30 ℃的烘箱中，每隔2 h測(cè)量其質(zhì)量，直至試件質(zhì)量到達(dá)下限含水率計(jì)算質(zhì)量后停止烘干。增濕過程采用水箱浸泡法，將試件放入恒溫水浴中吸水，每隔2 h測(cè)量其質(zhì)量，直至試件質(zhì)量到達(dá)上限含水率計(jì)算質(zhì)量后停止吸濕，此為一次干濕循環(huán)。對(duì)到達(dá)循環(huán)次數(shù)的水泥土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以強(qiáng)度指標(biāo)評(píng)價(jià)水泥土試件抵抗干濕循環(huán)的能力。

2.5 試驗(yàn)方案

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究水泥摻量、鐵尾礦砂摻量對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響。參考《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ/T 233—2011)，選取水泥摻量分別為8%、10%、12%、14%、16%、20%，鐵尾礦砂摻量分別為0%、10%、20%、30%、40%，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，壓實(shí)度為95%，共計(jì)30種工況，其中每個(gè)配比做3個(gè)平行試件，去除變異系數(shù)較大的數(shù)值后，測(cè)試結(jié)果取平均值。

干濕循環(huán)試驗(yàn)探究循環(huán)次數(shù)以及水泥摻量對(duì)鐵尾礦砂水泥土耐久性的影響。選定干濕循環(huán)次數(shù)分別為0、3、6、9、15次，水泥摻量分別為8%、10%、12%、14%、16%、20%，鐵尾礦砂摻入量為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中鐵尾礦砂的最佳摻入量，同時(shí)選取鐵尾礦砂摻量為0%的素水泥土進(jìn)行對(duì)比，其中每個(gè)配比做3個(gè)平行試件，測(cè)試結(jié)果取平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 鐵尾礦砂水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析

圖3為鐵尾礦砂水泥土在不同水泥摻量下，鐵尾礦砂摻量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線。從圖3可以看出，鐵尾礦砂水泥土在不同水泥摻量下的抗壓強(qiáng)度曲線基本一致，都是隨著鐵尾礦砂摻量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，鐵尾礦砂摻量在0%～20%時(shí)，水泥土強(qiáng)度基本呈直線上升趨勢(shì)，而在鐵尾礦砂摻量超過20%后，水泥土強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，但其最終強(qiáng)度仍與素水泥土相當(dāng)。因此，在研究的摻量范圍內(nèi)，鐵尾礦砂的最優(yōu)摻量為20%，其強(qiáng)度增長(zhǎng)率最高可達(dá)到71%。同時(shí)從圖4可以看出，鐵尾礦砂對(duì)水泥土的增強(qiáng)作用在低水泥摻量時(shí)表現(xiàn)得更為明顯，例如在鐵尾礦砂摻量10%時(shí)，水泥摻量8%的水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)率為41%，而水泥摻量20%的強(qiáng)度增長(zhǎng)率僅為6%。這是因?yàn)樵诘退鄵搅肯?，水泥水化反?yīng)與土體形成的凝結(jié)硬化物孔隙較大，在受到外力作用時(shí)易產(chǎn)生裂縫，而鐵尾礦砂可以有效填充水泥土骨架中的孔隙，使水泥土的結(jié)構(gòu)更加致密，進(jìn)而提高水泥土的抗壓強(qiáng)度。

圖3 鐵尾礦砂摻量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線Fig.3 Curves of iron tailing sand content versus compressive strength

圖4 不同水泥摻量下鐵尾礦砂的強(qiáng)度增長(zhǎng)率Fig.4 Strength growth rate of iron tailing sand with different cement content

不同鐵尾礦砂摻量下，水泥與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖5所示。從圖5可以看出，隨著水泥摻量的增加，鐵尾礦砂水泥土的抗壓強(qiáng)度近似呈對(duì)數(shù)曲線增加。當(dāng)水泥摻量在8%～12%時(shí)，水泥水化及火山灰反應(yīng)發(fā)展迅速，土體之間的黏結(jié)力不斷增強(qiáng)，水泥土強(qiáng)度增加迅速。當(dāng)水泥摻量在12%～16%時(shí)，水化反應(yīng)充分進(jìn)行并逐漸形成包裹土體的水泥-土結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使水泥土強(qiáng)度快速增加。當(dāng)水泥摻量在16%～20%時(shí)，水泥過多導(dǎo)致水泥土水化效應(yīng)不充分，同時(shí)根據(jù)Horpibulsuk等[14]的研究，水泥過多會(huì)形成水泥-石與水泥-土結(jié)構(gòu)的分化，導(dǎo)致其內(nèi)部強(qiáng)度產(chǎn)生差異，進(jìn)而使水泥土強(qiáng)度增加緩慢?？偟膩碚f，水泥摻量會(huì)影響水泥土的強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)，水泥摻量越高其強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)越小，即鐵尾礦砂水泥土存在一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)的水泥摻量范圍，超過這個(gè)范圍后水泥土的強(qiáng)度將增加得十分緩慢。

圖5 水泥摻量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.5 Curves of cement content versus compressive strength

3.2 干濕循環(huán)對(duì)鐵尾礦砂水泥土強(qiáng)度的影響

圖6為不同水泥摻量下，水泥土干濕循環(huán)次數(shù)與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線。從圖6可以看出，素水泥土與鐵尾礦砂水泥土的抗壓強(qiáng)度都會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而不斷衰減，但衰減程度不同，素水泥土在循環(huán)初期強(qiáng)度損失較大，而在循環(huán)后期強(qiáng)度損失較小且逐漸趨于平緩。鐵尾礦砂水泥土在循環(huán)初期強(qiáng)度損失較小，超過一定循環(huán)次數(shù)后強(qiáng)度下降明顯。同時(shí)，水泥摻量對(duì)2種水泥土抗壓強(qiáng)度的影響十分顯著，即在相同循環(huán)次數(shù)下，水泥摻量越高，經(jīng)過干濕循環(huán)后水泥土的強(qiáng)度越大。

圖6 2種水泥土循環(huán)次數(shù)與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線Fig.6 Curves of cycle number versus compressive strength of plain cement soil and iron tailings cement soil

干濕循環(huán)對(duì)2種水泥土的強(qiáng)度都會(huì)造成一定程度的劣化，這是因?yàn)樵诟蓾裱h(huán)作用下，土體會(huì)發(fā)生吸水?dāng)U張、失水緊縮的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)造成水泥土試件產(chǎn)生干縮及濕脹等變形作用。由于水泥土在經(jīng)歷水化作用后，其內(nèi)部孔隙較小且土顆粒之間的黏結(jié)程度較高，濕脹變形會(huì)使水泥土內(nèi)部孔隙擴(kuò)張進(jìn)而破壞土顆粒之間的黏結(jié)作用，而干縮變形又會(huì)導(dǎo)致水泥土的脆性進(jìn)一步增加，反復(fù)作用后就會(huì)導(dǎo)致土體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而使水泥土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微裂縫，造成其結(jié)構(gòu)破壞、強(qiáng)度降低等現(xiàn)象。而水泥土在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后，其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)展，進(jìn)而使干縮濕脹變形有一定的空間[15]，從而緩解了水泥土強(qiáng)度的持續(xù)降低，這也是素水泥土在循環(huán)初期強(qiáng)度損失較大而在后期強(qiáng)度損失趨于平緩的原因。而對(duì)于鐵尾礦砂水泥土來說，鐵尾礦砂的摻入會(huì)使水泥土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)更加致密，有效減少干濕循環(huán)初期水泥土試件表面土粒的脫落，從而抑制水泥土在循環(huán)初期的強(qiáng)度損失。但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，鐵尾礦砂水泥土與素水泥土一致，其內(nèi)部孔隙擴(kuò)張導(dǎo)致強(qiáng)度降低越來越明顯，且加入鐵尾礦砂會(huì)替換土體中的黏性顆粒，使水泥土的脆性增加，側(cè)向約束減弱，進(jìn)而使鐵尾礦砂水泥土的強(qiáng)度損失在循環(huán)后期反而高于素水泥土。綜上所述，鐵尾礦砂的摻入會(huì)使水泥土的干濕循環(huán)損失滯后，但多次干濕循環(huán)后其強(qiáng)度損失反而高于素水泥土。

4 結(jié) 論

通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及干濕循環(huán)試驗(yàn)，探究了鐵尾礦砂水泥土在干濕循環(huán)作用下的強(qiáng)度劣化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)鐵尾礦砂摻量在20%以下對(duì)水泥土的強(qiáng)度提升最大，在40%以下對(duì)水泥土的強(qiáng)度提升最小，最高強(qiáng)度增長(zhǎng)率約為70%；鐵尾礦砂對(duì)水泥土的增強(qiáng)作用在低水泥摻量時(shí)表現(xiàn)更為明顯。

(2)隨著水泥摻量的增加，鐵尾礦砂水泥土的抗壓強(qiáng)度基本呈對(duì)數(shù)曲線增加，即水泥摻量越高其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)越小。

(3)在干濕循環(huán)作用下，2種水泥土的強(qiáng)度損傷程度不同，素水泥土在循環(huán)初期強(qiáng)度損失較大，而在循環(huán)后期強(qiáng)度損失較小且逐漸趨于平緩。鐵尾礦砂水泥土在循環(huán)初期強(qiáng)度損失較小，超過一定循環(huán)次數(shù)后強(qiáng)度下降明顯。即鐵尾礦砂水泥土抵抗干濕循環(huán)的能力在循環(huán)初期高于素水泥土而在循環(huán)后期低于素水泥土。

(4)水泥土在干濕循環(huán)作用下的強(qiáng)度劣化原因是孔隙水發(fā)生干縮濕脹變形，使土體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而使水泥土產(chǎn)生微裂隙，強(qiáng)度降低。