干濕循環(huán)條件下固化含氯鹽鐵尾礦力學(xué)性能研究

孫 婧， 王 茜， 安艷玲， 李家園

(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； 3.河北省高校道橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與維修加固應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心， 河北 張家口 075000)

鐵尾礦砂是鐵礦石經(jīng)破碎分選出鐵精礦后剩余的工業(yè)固廢，對(duì)周圍的自然生態(tài)、地下水源和土壤都產(chǎn)生了巨大的危害[1]。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2019年，中國堆存的鐵尾礦近50億t且逐年增長(zhǎng)，利用率僅有7%～27.69%，與發(fā)達(dá)國家60%的利用率存在較大差距[2-4]，堆存的廢棄鐵尾礦不僅破壞土壤，還會(huì)在大風(fēng)作用下迅速擴(kuò)散成為風(fēng)沙區(qū)重要的沙塵源。當(dāng)含沙氣流被路基阻擋，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)沙堆積并覆蓋公路，極易引起行車事故。因此，如何保護(hù)風(fēng)沙災(zāi)害區(qū)域交通干線的安全運(yùn)營(yíng)成為當(dāng)前急需解決的問題。

目前，傳統(tǒng)的固沙技術(shù)(機(jī)械固沙、化學(xué)固沙、生物固沙)存在成本高，原材料運(yùn)輸不便、使用壽命短、破壞生態(tài)地貌、固結(jié)強(qiáng)度低和污染環(huán)境等缺陷[5-8]，因此單一的固沙方法效果不理想，而綜合固沙技術(shù)是將幾種傳統(tǒng)固沙技術(shù)優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，從而提高固沙效果[9]。本課題以冀北張家口風(fēng)沙災(zāi)害地區(qū)為工程背景，該地區(qū)鐵礦資源豐富，鐵尾礦堆庫儲(chǔ)量巨大，在大風(fēng)侵襲作用下，極易形成沙源，且此處土地鹽堿化嚴(yán)重，氯鹽遷移到積沙中形成含鹽鐵尾礦?；谠摰貐^(qū)特殊的氣候和地貌特征，設(shè)計(jì)采用機(jī)械-化學(xué)綜合固沙方式，以含鹽鐵尾礦為原料，水泥、細(xì)粒土作為復(fù)合固化劑將其固化，然后制成一種新型開孔固沙磚，借鑒機(jī)械固沙形式將磚塊鋪設(shè)成網(wǎng)格狀，利用開孔沙磚產(chǎn)生的渦旋作用，有效降低風(fēng)速和大風(fēng)攜沙能力。

張家口壩上風(fēng)沙災(zāi)害地區(qū)，晝夜溫差極大，干濕循環(huán)對(duì)固化試件的侵蝕老化作用最為突出，因此，為模擬固化試件在自然條件下的水汽遷移過程，本文利用正交試驗(yàn)分析含鹽量、水泥摻量、細(xì)粒土摻量、試件含水率等對(duì)固化效果的影響，得到固沙試件的最優(yōu)配比。通過干濕循環(huán)試驗(yàn)，以固沙試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量損失率、試樣孔隙結(jié)構(gòu)變化特征為主要指標(biāo)評(píng)價(jià)其耐久性能，為新型固沙磚在風(fēng)沙災(zāi)害區(qū)公路工程中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

鐵尾礦砂：取自河北張家口市宣化區(qū)西望山，化學(xué)成分如下：SiO2為63.32，TFe為11.21%，CaO為3.22%，Al2O3為15.01%,MgO為4.24%,P2O5為0.74%,K2O為0.79%,SO3為0.66%,Na2O為0.81%。表觀密度2080kg/m3，空隙率30%，最優(yōu)含水率為8.67%～9.12%，根據(jù)《建設(shè)用砂》(GB/T14684-2011)，通過篩分析試驗(yàn)確定鐵尾礦砂為細(xì)沙，細(xì)度模數(shù)為1.68，級(jí)配Ⅲ區(qū)。

鹽：NaCl含量≥99.5%，購自中鹽長(zhǎng)江鹽化有限公司。

固化劑：試驗(yàn)選用水泥和細(xì)粒土為復(fù)合固化劑。普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)，購自金隅水泥有限公司；細(xì)粒土，依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE40-2007)取土試驗(yàn)，塑性指數(shù)Ip為15.3，屬粉質(zhì)黏土，顆粒粒徑為0.05～0.15 mm，<0.075 mm的顆粒占77.2%。

1.2 試樣制備

固化試件的制備和養(yǎng)護(hù)依據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE51-2009)進(jìn)行，試樣尺寸50 mm×50 mm(直徑×高)的圓柱試件，試驗(yàn)采用靜壓成型。方法如下：首先將稱量準(zhǔn)確的不同含鹽量的鐵尾礦砂分層加水，加至試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的含水率，即拌合用水量后，密封24 h，以保證制備試樣水分均勻；然后加入固化劑(水泥和細(xì)粒土)充分?jǐn)嚢?，攪拌均勻后置于圓柱模具內(nèi)壓實(shí)成型，靜置24 h，用電動(dòng)液壓脫模器將試樣脫出，用塑料保鮮膜密封后放入標(biāo)養(yǎng)室[溫度(20±2)℃，濕度≥95%]養(yǎng)護(hù)28 d。

1.3 試驗(yàn)方案

為更好地研究各配比因素對(duì)固化試件強(qiáng)度的影響，通過正交試驗(yàn)[10]，以鹽含量(因素A)、水泥摻量(因素B)、細(xì)粒土摻量(因素C)、含水率(因素D)作為4個(gè)影響因素，每個(gè)影響因素取4個(gè)水平(見表1) 設(shè)計(jì)了L16(44)正交試驗(yàn)配合比(見表2)，通過極差分析方法確定各因素的性能影響順序，獲得最優(yōu)配比。

表1 L16(44)試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)Table 1 L16 (44) test factors and level design水平因素A鹽含量%因素B水泥摻量%因素C土摻量%因素D含水率%10808219593310101045111511

表2 試驗(yàn)配比方案Table 2 Test proportioning scheme試驗(yàn)組數(shù)鹽含量%水泥摻量%土摻量%含水率%108082095930101010401115115185106190117110158811110993810111039151011310091231158135815914591081551051116511010

1.4 試驗(yàn)方法和性能測(cè)試

為模擬固化試件在自然條件下的水汽遷移過程，采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)選出的最優(yōu)配比組進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，模擬過程如下：首先在托盤內(nèi)鋪放厚度10 cm、含鹽率10%和含水率20%的沙子用以模擬風(fēng)沙區(qū)地面土壤環(huán)境；然后將達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的試樣取出，干燥至恒重，放置于托盤內(nèi)沙層表面，為防止水分散失，將托盤用保鮮膜完全包裹，靜置24 h；將試樣取出后自然風(fēng)干24 h，48 h為一個(gè)循環(huán)，循環(huán)次數(shù)設(shè)置為0、1、3、5、7、9次，循環(huán)完成后稱取試樣質(zhì)量并對(duì)其測(cè)強(qiáng)。

為更好地分析干濕循環(huán)前后固沙試樣強(qiáng)度變化規(guī)律，采用便攜式USB數(shù)碼顯微鏡和北京貝士德3H-2000PM1型高性能比表面和微孔分析儀，分別分析了試樣的宏觀和微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)強(qiáng)度敏感性分析

圖1為正交試驗(yàn)試件抗壓強(qiáng)度各因素水平均值和極差。從抗壓強(qiáng)度極差分析可以得出，因素A極差=2.074，因素B極差=1.643，因素C極差=1.429，因素D極差=1.122；說明鹽含量和水泥摻量對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度影響較大，土摻量和含水率對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度影響較小，各影響因素排序?yàn)?因素A(鹽含量)>因素B(水泥摻量)>因素C(細(xì)粒土摻量)>因素D(含水率)。

從圖1中各個(gè)因素與固化試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系中可以看出：試樣的抗壓強(qiáng)度隨因素A(鹽含量)增加呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降趨勢(shì)，這是由于少量的氯離子與水泥中的鈣離子、鋁酸三鈣反應(yīng)生成不溶于水的膠凝物質(zhì)，加快水泥凝結(jié)硬化，使水泥的早期強(qiáng)度得到了提高，隨著氯離子含量的增加，過量的氯離子吸附在水泥水化結(jié)構(gòu)的周圍，使得其結(jié)構(gòu)變得疏松，未形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)；隨著因素B(水泥摻量)的增加，水泥水化作用產(chǎn)生的膠結(jié)物逐漸增多，使得顆粒間的連接作用變得更緊密，故抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系；因素C考查了細(xì)粒土摻量對(duì)試樣的影響，較未摻加細(xì)粒土的試樣，抗壓強(qiáng)度均實(shí)現(xiàn)了大幅度增加，表明適量細(xì)粒土的摻入，可以很好地填充鐵尾礦砂之間的空隙，從而改善顆粒級(jí)配，增加固化試樣密實(shí)度；隨著因素D(含水率)的增大，即增加拌合用水量，試樣的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，說明試件含水率過高時(shí)，多余水分的在靜壓過程中遷出，致使結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔洞增加，顆粒之間的連接作用減弱。

圖1 抗壓強(qiáng)度極差分析Figure 1 Range analysis of compressive strength

2.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)結(jié)果顯示，水泥作為固化試樣最主要的固化劑，對(duì)其防風(fēng)固沙工程的經(jīng)濟(jì)性有著直接影響，且根據(jù)張家口壩上荒漠化地區(qū)的土樣分析結(jié)果，平均鹽含量在1%以下，因此在干濕循環(huán)試驗(yàn)中，以因素A(鹽含量1%)、因素C(土摻量10%)、因素D(含水率9%)為定量，因素B(水泥摻量8%、9%、10%、11%)為變量，進(jìn)一步探討不同水泥摻量的固化試樣，在干濕循環(huán)條件下性能的變化機(jī)理。

2.2.1干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度的影響

選取不同水泥摻量(8%、9%、10%、11%)的試樣進(jìn)行0、1、3、5、7、9次干濕循環(huán)，測(cè)試其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知： ①不同干濕循環(huán)次數(shù)下的固化試樣，均是水泥摻量越高，試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大；②不同水泥摻量固化試樣的強(qiáng)度，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，但水泥摻量越大的試樣，相同干濕循環(huán)次數(shù)下的強(qiáng)度保留率越高。分析原因如下：干濕循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，土顆粒表面大量的 Ca2+、Na+和 K+等離子吸附于水泥水化產(chǎn)生的膠結(jié)物周圍，以離子作用的方式形成空間結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、更穩(wěn)固的高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且細(xì)粒土填充了砂體中的空隙，顆粒級(jí)配得到改善，故試件的強(qiáng)度得到提高；當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過5次時(shí)，反復(fù)的吸濕-脫濕作用致使結(jié)構(gòu)內(nèi)部的膠凝物質(zhì)和部分氯鹽被水分析出，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的黏結(jié)作用減弱，孔隙增加，因此強(qiáng)度逐漸下降。水泥摻量8%的試樣經(jīng)過9次干濕循環(huán)后，試樣強(qiáng)度由3.847 MPa下降至2.86 MPa，但仍能夠滿足實(shí)際工程要求[11]，說明在防風(fēng)固沙工程中，8%的水泥摻量既能滿足使用要求，又能滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

圖2 干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度的影響Figure 2 Effect of dry wet cycles on compressive strength of specimens

為進(jìn)一步分析水泥摻量、干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)固化試樣抗壓強(qiáng)度的影響，利用SPSS分析軟件以水泥摻量(X1)、干濕循環(huán)次數(shù)(X2)為自變量，固化試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(Y)為因變量對(duì)其進(jìn)行回歸分析，回歸方程見式(1)[12]：

Y=-5.040+1.110X1-0.122X2

(1)

由軟件SPSS計(jì)算結(jié)果可知，決定系數(shù)R2=0.922，顯著性概率ρ=0.000，低于顯著水平α=0.05，表明自變量與因變量?jī)烧呔哂辛己玫木€性關(guān)系，整體回歸效果顯著，且通過回歸系數(shù)T(水泥摻量，干濕循環(huán)次數(shù))=|15.074，-4.729|檢驗(yàn)分析可知，水泥摻量對(duì)固沙試件強(qiáng)度影響大于干濕循環(huán)次數(shù)。

圖3、4為水泥摻量8%的固沙試樣經(jīng)過0次、9次干濕循環(huán)后的斷面形貌圖，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣內(nèi)部的膠結(jié)物質(zhì)被水分帶出，微小孔隙增多，同時(shí)水汽的遷移致使部分NaCl小顆粒從試樣內(nèi)部析出，故試樣的密實(shí)度降低，抗壓強(qiáng)度有所下降。

圖3 干濕循環(huán)0次試樣斷面形貌Figure 3 Cross section morphology of sample after 0 dry wet cycle

圖4 干濕循環(huán)9次試樣斷面形貌Figure 4 Cross section morphology of sample after 9 dry wet cycle

2.2.2不同干濕循環(huán)次數(shù)下試樣質(zhì)量損失率數(shù)據(jù)分析

圖5為水泥摻量8%的固化試樣不同干濕循環(huán)次數(shù)后試樣的質(zhì)量損失率，由圖5可知，試件的質(zhì)量損失率隨干濕循環(huán)次數(shù)呈先減小后增大趨勢(shì)，原因如下：在1、3次干濕循環(huán)過程中，外部環(huán)境提供給試件充足的水分，使試件中未完全水化水泥繼續(xù)水化，產(chǎn)生的膠結(jié)物很好地填充顆粒間的孔隙，試件的密實(shí)程度得到了增加；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，干濕循環(huán)對(duì)試樣的破壞作用逐漸增大，試樣表面出現(xiàn)少許剝落，試件質(zhì)量減少。

圖5 不同干濕循環(huán)次數(shù)下試塊質(zhì)量損失率Figure 5 Mass loss rate of test block under different drying and wetting cycles

2.3 微觀孔隙結(jié)構(gòu)分析

2.3.1吸附/脫附等溫曲線

圖6、圖7為水泥摻量8%試樣干濕循環(huán)0次和9次的吸附/脫附等溫線。吸附/脫附等溫線類型可以反映試樣中孔徑分布性質(zhì)和孔結(jié)構(gòu)情況。通過對(duì)比可以得出： ①2個(gè)試樣的吸附等溫線整體形狀類似，均表現(xiàn)為從起始部分即向上翹又向上凹，根據(jù)IUPAC對(duì)吸附曲線分類，屬第Ⅲ類[13]。②通過對(duì)干濕循環(huán)0次和9次試樣的氮?dú)馕搅?、吸?脫附等溫線的變化速率進(jìn)行對(duì)比分析可知：干濕循環(huán)9次的氮?dú)馕搅看笥诟蓾裱h(huán)0次的吸附量，表明試塊經(jīng)9次干濕循環(huán)后，試樣孔徑和總孔體積變大，結(jié)構(gòu)密實(shí)度降低；干濕循環(huán)9次的吸附等溫

圖6 干濕循環(huán)0次吸附/脫附等溫線Figure 6 Adsorption / desorption isotherm of 0 times in dry wet cycle

圖7 干濕循環(huán)9次吸附/脫附等溫線Figure 7 Adsorption / desorption isotherm of 9 times in dry wet cycle

線的變化速率高于0次干濕循環(huán)，表明經(jīng)9次干濕循環(huán)后，試樣存在大量孔徑50 nm左右的中孔和一定量的大孔，孔隙的開放程度逐漸增大[14]。

2.3.2比表面積和孔徑分布

用BJH法和BET多點(diǎn)法處理得到孔隙體積比例分布如圖8所示、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

圖8 孔隙體積比例分布直方圖Figure 8 Histogram of pore volume proportion distribution

表3 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Pore structure parameters干濕循環(huán)次數(shù)總孔體積/(mL·g-1)比表面積/(m2·g-1)平均粒徑/nm最可幾孔徑/nm0次0.018 45.6210.092.699次0.026 13.8919.134.04

從圖8可以得出：經(jīng)過9次干濕循環(huán)后，試樣的中孔(2～50 nm)孔隙體積比例減小，大孔(>50 nm)所占的比例上升；參照表3測(cè)得的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，干濕循環(huán)后，試樣的總孔體積增大，中孔和微孔數(shù)量減少，平均粒徑增大，相應(yīng)的比表面積變小，故試樣的密實(shí)度下降，抗壓強(qiáng)度降低。

3 工程應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

二秦高速公路位于河北張家口市，該項(xiàng)目區(qū)地貌屬于壩上高原區(qū)， 降水量少，風(fēng)速大，蒸發(fā)強(qiáng)烈，溫度變化急劇，且項(xiàng)目建設(shè)中通過風(fēng)沙地帶，公路的安全運(yùn)營(yíng)受到嚴(yán)重影響。針對(duì)風(fēng)沙災(zāi)害問題，以當(dāng)?shù)貜U棄鐵尾礦砂作為固沙磚制備原料，實(shí)現(xiàn)了資源的合理利用，從而達(dá)到以廢治災(zāi)。

3.2 施工工藝

固沙磚是以正交試驗(yàn)得出的配合比即：鹽含量1%、水泥摻量11%、土摻量10%、含水率9%進(jìn)行制備，采用振動(dòng)式制磚機(jī)(單排三孔)邊制磚邊自然養(yǎng)護(hù)，以提高施工效率，制作工藝(見圖9)為：現(xiàn)場(chǎng)人工拌料(靜置15 min)→制磚機(jī)填料振動(dòng)壓實(shí)→脫模成型。

(a)人工攪拌

(b)制磚機(jī)振動(dòng)壓實(shí)

(c)脫模成型

3.3 固沙效果

將制備成型的固沙磚構(gòu)建為若干相互平行的縱橫向墻體，使其形成井字格布局的固沙沙障結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)方式見圖10。從有限元軟件FLUENT模擬的風(fēng)速云圖(見圖11)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)得出：當(dāng)風(fēng)沙流經(jīng)過開孔固沙磚區(qū)域上方時(shí)，在固沙區(qū)域內(nèi)形成了低速渦流，致使區(qū)域1內(nèi)的風(fēng)速由27.9～44.5 m/s降低到區(qū)域2的3～17.6 m/s，產(chǎn)生了明顯的速度梯度，在渦旋和速度梯度的作用下，使得沙粒大部分沉降在固沙磚方格內(nèi)，與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)(見圖10)相吻合。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，當(dāng)固沙磚設(shè)計(jì)高度在40 cm、開孔率為15%、鋪設(shè)間距為1 m×1 m方

圖10 固沙磚現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)效果圖Figure 10 Site paving effect of sand fixing brick

圖11 固沙磚風(fēng)速云圖

格時(shí)，磚高內(nèi)風(fēng)速降低最高幅度達(dá)75.6%，達(dá)到了良好的固沙效果，工程效果顯著。

4 結(jié)論

結(jié)合冀北地區(qū)公路干線風(fēng)沙防治工程，選用水泥和細(xì)粒土為復(fù)合固化劑，以固沙試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量損失率、試樣孔隙結(jié)構(gòu)變化特征為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了含氯鹽鐵尾礦的固化效果和耐久性能，得到結(jié)論如下：

a.利用正交試驗(yàn)對(duì)不同配比試樣的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了極差分析，可以得出：鹽含量對(duì)固化試樣抗壓強(qiáng)度影響最為顯著，其次為水泥摻量、細(xì)粒土摻量，試樣含水率影響不顯著。當(dāng)以固化試樣抗壓強(qiáng)度為主要控制指標(biāo)時(shí)，最佳配比為：鹽含量1%、水泥摻量11%、土摻量10%、含水率9%。

b.為了模擬固化試件在自然條件下的水汽遷移過程，對(duì)不同水泥摻量(其他因素為定量)的試樣進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果表明:在干濕循環(huán)前，試樣的抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增加呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；干濕循環(huán)后，試樣的抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)為先增大后減小。通過回歸方程分析，水泥摻量對(duì)固化試件強(qiáng)度的影響大于干濕循環(huán)次數(shù)。水泥摻量8%的試樣經(jīng)過9次干濕循環(huán)后，試樣強(qiáng)度降至2.86 MPa， 質(zhì)量損失率為7.52%，完全能夠滿足工程使用要求和經(jīng)濟(jì)性要求。

c.從固化試樣干濕循環(huán)后的孔隙顯微結(jié)構(gòu)分析可知，由于水汽的遷移，試樣內(nèi)部的膠結(jié)物質(zhì)被水分帶出并且伴隨鹽分析出，致使試樣的總孔體積增大，比表面積減小，平均粒徑增大，試樣的中孔孔隙體積比例減小，大孔所占的比例上升，但未出現(xiàn)連通大孔洞，故試樣強(qiáng)度降幅不顯著。

d.干濕循環(huán)模擬研究說明，固化試件在吸濕-放濕的老化侵蝕后，試件強(qiáng)度和耐久性均達(dá)到了實(shí)際工程要求，用其制成固沙磚可以在公路工程中推廣應(yīng)用。