鎳鐵渣-黏土改性土承載特性試驗(yàn)研究*

王書勤，尹平保，賀煒，鄒敏，陳彥虎，王澤華

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 特殊環(huán)境道路工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114；3.廣東廣青金屬科技有限公司，廣東 陽江 529533)

中國(guó)是鎳鐵渣儲(chǔ)量大國(guó)。目前對(duì)鎳鐵渣的處理以堆存或填埋為主，造成大量耕地被占用、地下水污染和資源浪費(fèi)，需加強(qiáng)對(duì)鎳鐵渣的綜合利用。劉龍武等利用靜態(tài)圖像法和篩分法分析了鎳鐵渣的級(jí)配特征。劉云等借助XRD和SEM，從微觀角度證實(shí)了富鎂鎳渣制備地質(zhì)聚合物的可行性。付海峰等發(fā)現(xiàn)將鎳鐵渣用作水泥中部分集料，能有效提高水泥膠砂的強(qiáng)度。李琦等利用高M(jìn)gO鎳鐵渣研制了性能良好的輕質(zhì)耐火材料。此外，還有將鎳鐵渣用于陶粒、肥料等領(lǐng)域的報(bào)道，但利用率較低，鎳鐵渣的大量處置迫在眉睫。道路工程建設(shè)中需要大量填土或砂石材料，將垃圾爐渣、硅錳渣和鋼渣等工業(yè)廢渣作為路基土已取得了較多研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)。若能將鎳鐵渣用于路基修筑，將擴(kuò)大鎳鐵渣應(yīng)用范圍，進(jìn)一步解決鎳鐵渣綜合利用和保護(hù)環(huán)境等問題。

關(guān)于固體廢棄物的改良，一些學(xué)者開展了相關(guān)研究。如王士革等通過室內(nèi)試驗(yàn)，分析了鋼渣摻入比、粒徑大小對(duì)石灰-鋼渣混合料承載特性的影響；高朋等通過電石渣-粉煤灰穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得了電石渣-粉煤灰的最優(yōu)配比；程濤等對(duì)比分析了粉煤灰、煤矸石、鋼渣和爐渣等石灰渣穩(wěn)定土的力學(xué)特性。但關(guān)于鎳鐵渣承載特性和體積膨脹特性的研究很少。鑒于此，該文將鎳鐵渣和黏土混合制作不同配比和壓實(shí)度的鎳鐵渣-黏土改性土試樣進(jìn)行加州承載比(CBR)試驗(yàn)，研究其干密度-含水率、單位壓力-貫入量和浸水膨脹率的變化規(guī)律，進(jìn)而分析配比和壓實(shí)度對(duì)改性土承載特性和膨脹特性的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

鎳鐵渣取自廣東廣青金屬科技有限公司經(jīng)回轉(zhuǎn)窯-礦熱爐工藝產(chǎn)生的鎳鐵水淬渣，偏黑色(見圖1)，其主要化學(xué)成分見表1。黏土取自廣東陽江某工地，其基本物理性質(zhì)見表2。2種材料的顆粒級(jí)配見圖2。

圖1 鎳鐵渣

表1 鎳鐵渣的主要化學(xué)成分

表2 黏土的基本物理指標(biāo)

圖2 試驗(yàn)材料的顆粒級(jí)配曲線

1.2 試樣制備

采用質(zhì)量控制壓實(shí)度法，按式(1)計(jì)算不同壓實(shí)度下每個(gè)鎳鐵渣-黏土改性土試樣所需鎳鐵渣和黏土的總質(zhì)量m。

m=kρdmax(1+w)V

(1)

式中：k為目標(biāo)壓實(shí)度，k=ρd/ρdmax；ρd為試樣目標(biāo)壓實(shí)度所對(duì)應(yīng)的干密度(g/cm3)；ρdmax為土樣最大干密度；w為含水率；V為試樣的體積。

試樣制備依據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，流程如下：先將足量的鎳鐵渣和黏土烘干，采用5 mm篩篩分；根據(jù)表3所示配比稱取相應(yīng)質(zhì)量的試驗(yàn)材料充分拌合；依照配比中各自最優(yōu)含水率摻水拌合均勻，悶料1 h；最后把稱量好的混合料分3層擊實(shí)至試筒滿為止，每層擊實(shí)50次，制成直徑為152 mm、高度為120 mm的試樣。

表3 鎳鐵渣-黏土改性土的擊實(shí)結(jié)果

通過重型擊實(shí)試驗(yàn)得出不同配比下改性土試樣的最大干密度和最優(yōu)含水率(見表3)。

1.3 試驗(yàn)方案

為探究鎳鐵渣-黏土改性土中鎳鐵渣與黏土摻量、壓實(shí)度對(duì)其承載特性和體積膨脹特性的影響，按表4所示方案進(jìn)行CBR試驗(yàn)。試驗(yàn)前把試樣放入水槽中浸水4 d，每組試驗(yàn)制作2個(gè)平行試樣進(jìn)行貫入度試驗(yàn)，測(cè)試其CBR值。路面強(qiáng)度試驗(yàn)儀轉(zhuǎn)速為1 mm/min，量力環(huán)系數(shù)為98.4 N/(0.01 mm)，貫入桿面積為0.001 963 5 m2，測(cè)力計(jì)與位移計(jì)均為百分表。記錄測(cè)力計(jì)內(nèi)百分表讀數(shù)為50×10-2mm的整數(shù)倍數(shù)貫入量，當(dāng)試樣貫入量為550×10-2mm時(shí)終止試驗(yàn)。

表4 鎳鐵渣-黏土改性土CBR試驗(yàn)方案

1.4 試驗(yàn)過程

加州承載比CBR是評(píng)價(jià)路基土承載力的重要指標(biāo)，它為試樣貫入量l為2.5 mm時(shí)單位壓力與標(biāo)準(zhǔn)碎石壓入相同貫入量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)荷載強(qiáng)度的比值，按式(2)計(jì)算。同時(shí)按式(3)計(jì)算l=5 mm時(shí)的承載比，若CBR2.5 mm

2.熱鍋放油，放入肉片、花椒面、蔥花翻炒至5成熟，然后放入胡蘿卜片、生抽，繼續(xù)翻炒至胡蘿卜斷生，然后加入清水燉煮2分鐘。

CBR2.5=p/7 000×100

(2)

CBR5.0=p/10 500×100

(3)

式中：p為單位壓力(kPa)。

根據(jù)CBR浸水試驗(yàn)實(shí)測(cè)試樣高度變化量，按下式計(jì)算浸水膨脹率γ：

γ=(d1-d0)/h×100

(4)

式中：d1為浸水4 d后試件上百分表的最終讀數(shù)(mm)；d0為浸水前試件上百分表的初始讀數(shù)(mm)；h為原試件高度，h=120 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)JTG 3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，分別對(duì)5種鎳鐵渣-黏土改性土進(jìn)行擊實(shí)，得到圖3所示擊實(shí)曲線。圖4為最大干密度ρdmax與鎳鐵渣摻入比az關(guān)系曲線。

圖3 鎳鐵渣-黏土改性土擊實(shí)曲線

圖4 最大干密度與鎳鐵渣摻入比的關(guān)系曲線

由圖3可知：純鎳鐵渣無明顯最大干密度和最佳含水率，其壓實(shí)度較差，相對(duì)來說，含水率為2%時(shí)干密度最大，為1.82 g/cm3；對(duì)于鎳鐵渣-黏土改性土試樣，鎳鐵渣摻入比az為80%、75%、70%、65%、60%時(shí)，對(duì)應(yīng)最大干密度ρdmax分別為2.04 g/cm3、2.10 g/cm3、2.13 g/cm3、2.18 g/cm3、2.15 g/cm3?？傮w來說，摻配黏土可有效提高壓實(shí)后土體干密度,這是由于摻入黏土混合后能形成級(jí)配良好的鎳鐵渣-黏土改性土，其更容易壓實(shí)。

由圖4可知：對(duì)于鎳鐵渣摻入比az為80%、75%、70%、65%、60%的改性土試樣，后者與前者相比，最大干密度變化幅度分別為2.9%、1.4%、2.3%、-1.4%，鎳鐵渣-黏土改性土的最大干密度隨著az的減小先增大后減小，az為65%時(shí)最大干密度達(dá)到峰值，約為2.18 g/cm3。az>65%時(shí)，az每減小5.0%，最大干密度約增加2.2%；az<65%時(shí)，az每減小5.0%，最大干密度約減小1.4%。這是由于黏土摻入體積低于顆粒間孔隙時(shí)，增加黏土，可有效填充鎳鐵渣顆粒之間的孔隙，從而改善鎳鐵渣的顆粒級(jí)配，干密度增大；黏土摻入體積超出孔隙后，由于黏土比重比鎳鐵渣小，多出的黏土等質(zhì)量替換鎳鐵渣，試樣體積變大，干密度變小，導(dǎo)致最大干密度隨黏土增多而減小。

2.2 CBR試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5為壓實(shí)度為90%、93%、96%時(shí)不同配比下鎳鐵渣-黏土改性土試樣的p-l曲線。計(jì)算發(fā)現(xiàn)l為2.5 mm時(shí)的CBR值小于l為5 mm時(shí)的CBR值，取l為5.0 mm時(shí)的CBR值作為試驗(yàn)結(jié)果。圖6、圖7為CBR值與配比和壓實(shí)度的關(guān)系曲線。

圖5 不同配比下鎳鐵渣改性土p-l曲線

圖6 CBR值與配比的關(guān)系

圖7 CBR值與壓實(shí)度關(guān)系

由圖5可知：在不同配比和壓實(shí)度下，鎳鐵渣-黏土改性土試樣的單位壓力與貫入量呈線性增長(zhǎng)的發(fā)展規(guī)律。

由圖6可知：壓實(shí)度一定時(shí)，鎳鐵渣-黏土改性土的CBR值隨鎳鐵渣摻入比az的減小先增大后減小，az從80%減小至65%時(shí)，鎳鐵渣-黏土改性土的CBR值平均提高90%。az為70%、65%、60%時(shí)，后者與前者相比，CBR值平均變化幅度分別為6.4%、-12.1%，az為60%改性土的CBR值小于az為70%改性土的CBR值。az從65%變化到60%時(shí)，黏土含量增加，在壓實(shí)中鎳鐵渣顆粒之間的咬合力降低，試樣受到外界影響變大，承載力減小。

由圖7可知：az相同時(shí)，鎳鐵渣-黏土改性土的CBR值隨壓實(shí)度增加近似呈線性關(guān)系增大，壓實(shí)度從90%增至96%時(shí)，az為60%、65%、70%、75%、80%改性土的CBR值分別增加13.8%、13.4%、13.6%、11.3%、4.8%，az為60%改性土的增幅最大，約為40%。相對(duì)來說，壓實(shí)度對(duì)az為80%改性土的影響較小。另外，鎳鐵渣-黏土改性土的壓實(shí)度大于90%時(shí)，其CBR值均大于8%，經(jīng)黏土改性后鎳鐵渣的承載力良好，滿足規(guī)范要求。

2.3 浸水試驗(yàn)結(jié)果分析

通過CBR浸水試驗(yàn)研究不同鎳鐵渣摻入比和壓實(shí)度時(shí)鎳鐵渣-黏土改性土的浸水膨脹率，試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 不同試驗(yàn)條件下鎳鐵渣-黏土改性土的膨脹率

由圖8可知：鎳鐵渣-黏土改性土的浸水膨脹率為0.01～0.42，均小于路基規(guī)范限值2%，說明不論鎳鐵渣摻入比和壓實(shí)度如何，鎳鐵渣-黏土改性土的穩(wěn)定性都較好，可用作路基填料。

3 鎳鐵渣環(huán)境可行性分析

鎳鐵渣中含有Ni、Cr、Cd等重金屬元素，工程應(yīng)用時(shí)需考慮重金屬元素對(duì)周圍土壤、地下水及生物生命安全的影響。根據(jù)HJ/T 299—2007《固體廢物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》進(jìn)行鎳鐵渣浸出毒性分析，結(jié)果見表5。

表5 鎳鐵渣浸出液試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知：鎳鐵渣浸出液中有害物質(zhì)最大檢測(cè)值低于毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)值，表明鎳鐵渣為一般工業(yè)固體廢渣，不屬于危險(xiǎn)廢棄物，可直接作為路基摻合料加以應(yīng)用。

另外，鎳鐵渣浸出液呈弱堿性狀態(tài)(pH值=9)，其浸出液不會(huì)對(duì)周圍土壤造成腐蝕危害。

4 結(jié)論

(1) 鎳鐵渣-黏土改性土的最大干密度隨鎳鐵渣摻入比減小先增大后減小，鎳鐵渣摻入比為65%時(shí)，最大干密度達(dá)到峰值，約為2.18 g/cm3。

(2) 相同壓實(shí)度下，鎳鐵渣-黏土改性土的CBR值隨鎳鐵渣摻入比減小先增大后減?。浑S壓實(shí)度增加，鎳鐵渣-黏土改性土的CBR值近似呈線性增長(zhǎng)，增長(zhǎng)幅度為40%。不論鎳鐵渣摻入比和壓實(shí)度如何，鎳鐵渣-黏土改性土的承載力和浸水膨脹率均滿足路基規(guī)范要求。

(3) 鎳鐵渣材料為一般工業(yè)固體廢渣，且不會(huì)對(duì)周圍土壤造成腐蝕危害，可直接作為路基摻合料加以應(yīng)用。