海水環(huán)境下鎳鐵渣粉水泥土的抗?jié)B性能

陳 峰， 童生豪， 賴文濤

（1.福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福建福州 350108；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州 350116；3.福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司近海公路建設(shè)與養(yǎng)護新材料技術(shù)應(yīng)用交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，福建 福州 350001）

在軟土固化技術(shù)中，水泥是使用最為廣泛的固化劑［1］，尤其在工程止水防滲方面，同時也使得水泥土常處于具有腐蝕性的場地環(huán)境中［2-3］.因此，近幾年有不少學(xué)者對水泥土在特定環(huán)境下的抗腐蝕性進行了研究.閆楠等［4］通過模擬試驗研究了海洋環(huán)境對水泥土的侵蝕劣化作用.寧寶寬等［5-6］揭示了侵蝕環(huán)境中的Cl-、Mg2+、SO2-4具有衰弱水泥土強度的作用，同時研究了Cl-、Mg2+、SO2-4對水泥土侵蝕的作用機理.Chai［7］在水泥土中摻入石灰，研究了石灰對其滲透性的影響規(guī)律.袁偉［8］通過標準環(huán)境和海水環(huán)境的對比試驗，得到了海水環(huán)境會導(dǎo)致水泥土滲透性增大和強度下降的規(guī)律.陳四利等［9］通過化學(xué)侵蝕環(huán)境的模擬，發(fā)現(xiàn)侵蝕環(huán)境和pH 值對水泥土滲透性能有較大影響.Chew 等［10-11］采用微觀方法，從微細觀層面研究了水泥土固化的作用機理.Heineck 等［12］對遭受到堿性污染物影響的水泥土進行研究，得到了其強度衰減規(guī)律.綜上，已有學(xué)者通過外摻材料來提高水泥土在腐蝕環(huán)境下的性能，但利用鎳鐵渣粉來加強水泥土抗?jié)B性的研究還鮮見報道，且海洋環(huán)境下水泥土強度及抗?jié)B性能也未得到應(yīng)有的重視.因此，本文通過將工業(yè)廢渣——鎳鐵渣粉摻入水泥土中，來探討海水環(huán)境下?lián)芥囪F鐵渣粉水泥土的抗?jié)B性能.

1 試驗

1.1 原材料

根據(jù)《制鹽工業(yè)手冊》模擬制備人工海水，其主要鹽類含量（質(zhì)量分數(shù)，本文涉及的含量、比值等除特殊說明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比）見表1.土料取自福州市倉山區(qū)竹欖河附近某地鐵站的基坑，其為全新統(tǒng)第四系地層長樂組海相沉積層的淤泥，含水率為58.5%，重度為16.01 kN/m3，孔隙比（體積比）為1.53.采用福建煉石牌P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，該水泥質(zhì)量符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》的相關(guān)規(guī)定.高爐鎳鐵渣粉及?；郀t礦粉均來自福建源鑫環(huán)?？萍加邢薰荆渲衜（鎳鐵渣粉）∶m（礦粉）=2∶1，混合改良依據(jù)及礦物外加劑的化學(xué)成分參照文獻［13］.試驗用水均為經(jīng)過超純水機凈化后的純凈水.

表1 人工海水的主要鹽類含量Table 1 Main salt content of artificial seawater

1.2 配合比設(shè)計

水泥土的水灰比為0.5，水泥摻入比為15%.以鎳鐵渣粉等質(zhì)量替代水泥，其摻量w=0%、10%、20%、30%、40%，制備的鎳鐵渣粉水泥土分別記為CS-0（基準組）、CS-10、CS-20、CS-30、CS-40.研究清水環(huán)境和海水環(huán)境對浸泡齡期 t=7、28、60、90 d 時鎳鐵渣粉水泥土的抗?jié)B性能.水泥土滲透試驗后，取部分水泥土碎塊進行齡期為90 d 的壓汞試驗、掃描電鏡-能譜分析試驗.

1.3 試驗方法

將48 h 后拆模的水泥土試樣分別置于清水養(yǎng)護箱和海水養(yǎng)護箱中浸泡養(yǎng)護至設(shè)定齡期.滲透試驗采用TJSS-25 型水泥土滲透裝置，試驗前采用石蠟對鎳鐵渣粉水泥土進行密封止水，操作步驟根據(jù)JGJ/T 23—2011《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》進行.溫度T ℃下鎳鐵渣粉水泥土的滲透系數(shù)KT，根據(jù)達西定律及JGJ/T 23—2011 中滲透系數(shù)測定要求進行計算：

式中：V 為滲水量；i 為水力梯度；A 為試樣中部的橫截面積；p 為滲透壓力；γw為水的重度，取 0.009 8 N/cm3；h 為試樣高度 .

水泥土滲透試驗以20 ℃為標準溫度，對滲透系數(shù)KT進行修正：

式中：K20為水溫在20 ℃下的水泥土滲透系數(shù)；ηT為T ℃下水的動力黏滯系數(shù)，符合GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》中的相關(guān)規(guī)定；η20為20 ℃時水的動力黏滯系數(shù).

壓汞試驗采用PoreMaster 60GT 型壓汞儀，掃描電鏡（SEM）試驗采用QUANTA250 多功能鎢燈絲掃描電鏡及其配套的X 射線能譜儀（EDS）.

2 結(jié)果與討論

2.1 滲透性試驗結(jié)果分析

清水環(huán)境和海水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)見圖1.采用定基比法，將水泥土的滲透系數(shù)與相同環(huán)境下對照組的滲透系數(shù)進行比較計算，得到其下降率，結(jié)果見表 2.由圖 1、表 2 可見：（1）浸泡齡期為 7 d 時，水泥土滲透系數(shù)均隨鎳鐵渣粉摻量增加而呈下降的趨勢，表明其抗?jié)B性能隨鎳鐵渣粉摻量增加而提升，且2 種環(huán)境下曲線的變化趨勢基本相同；當(dāng)鎳鐵渣粉摻量w=40%時，2 種環(huán)境下的水泥土滲透系數(shù)相同，說明早齡期時環(huán)境對水泥土抗?jié)B性能的影響不大.（2）浸泡齡期為28 d 時，清水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)均低于海水環(huán)境，這表明水泥土中摻入鎳鐵渣粉能使其抗?jié)B性能得到增強，而海水環(huán)境使其抗?jié)B性能略有降低.其原因在于隨著水泥土固化作用的持續(xù)進行，鎳鐵渣粉不僅可以發(fā)揮活性作用，而且還起到微集料效應(yīng)的作用，從而使水泥土更加致密，提升其抗?jié)B性能，但海水環(huán)境中侵蝕物質(zhì)對水泥土的侵蝕作用逐漸增強，導(dǎo)致其抗?jié)B性能劣化，即其滲透系數(shù)大于清水環(huán)境下.（3）浸泡齡期為60 d 時，隨著鎳鐵渣粉摻量的增加，鎳鐵渣粉對水泥土抗?jié)B性能的增強效果也增加，但當(dāng)鎳鐵渣粉摻量超過20%時，其對水泥土抗?jié)B性能的提升效果略有放緩.海水環(huán)境的侵蝕對水泥土抗?jié)B性能具有較強的負面影響，但鎳鐵渣粉摻量的增加能緩解這種負面影響.（4）浸泡齡期為90 d 時，隨著鎳鐵渣粉摻量的增加，水泥土抗?jié)B性能提升較快，但當(dāng)鎳鐵渣粉摻量較高時，其增長幅度減緩.綜上，鎳鐵渣粉摻量的增加能大幅提升水泥土的抗?jié)B性能，同時減小海水環(huán)境對水泥土的侵蝕作用.下文研究中，水泥土的浸泡齡期均為90 d.

圖1 清水環(huán)境和海水環(huán)境下水泥土的滲透系數(shù)Fig.1 Permeability coefficient of cement soil in clean water and seawater environment

表2 清水環(huán)境和海水環(huán)境下水泥土滲透系數(shù)的下降率Table 2 Decrease rates of permeability coefficient of cement soil in clear water and seawater environment

2.2 壓汞試驗分析

不同鎳鐵渣粉摻量下水泥土的孔徑（D）分布曲線見圖2.由圖2可見：浸泡齡期為90 d時，水泥土內(nèi)部水泥的硬凝作用基本趨于穩(wěn)定，清水環(huán)境下各配合比水泥土孔徑曲線的發(fā)展趨勢基本一致；鎳鐵渣粉摻量為0%～40%的水泥土最可幾孔徑分別為60.73、51.41、47.44、42.71、39.79 nm，這表明水泥土抗?jié)B性能隨鎳鐵渣粉摻量增加而提高，這是因為浸泡齡期為90 d時，水泥水化雖然趨于完全，但水泥土內(nèi)部的鎳鐵渣粉活性效應(yīng)仍能發(fā)揮較大的作用，使CS-40 的最可幾孔徑較基準組CS-0 減小了34.5%；與清水環(huán)境相比，海水環(huán)境下水泥土的最可幾孔徑增長幅度較大，且此時CS-40的最可幾孔徑仍然最小，這與2.1所述CS-40抗?jié)B性最好結(jié)果一致.鎳鐵渣粉的玻璃體在水泥土內(nèi)發(fā)生似火山灰效應(yīng)，生成的水化產(chǎn)物使水泥土結(jié)構(gòu)更加致密，降低了水泥土的最可幾孔徑；水泥土直接暴露在海水環(huán)境下時，侵蝕物質(zhì)（主要為Cl-和SO2-4）對水泥土具有較大的侵蝕作用，增大了水泥土的最可幾孔徑.

圖2 不同鎳鐵渣粉摻量下水泥土的孔徑分布曲線Fig.2 Pore size distribution curves of concrete soil with different contents of ferronickel slag powder

浸 泡 齡 期 為 90 d 時 ，CS-0、CS-10、CS-20、CS-30、CS-40 的總孔隙率（體積分數(shù)）在清水環(huán)境下分別為36.47%、34.28%、33.68%、32.22%、31.19%；海水環(huán)境下分別為52.89%、52.43%、41.23%、36.52%、34.81%.由此可見，水泥土的總孔隙率隨著鎳鐵渣粉摻量的增加而減低，同時海水環(huán)境的侵蝕也導(dǎo)致其總孔隙率增大.這是由于鎳鐵渣粉在水泥土中主要起到微集料效應(yīng)和活性效應(yīng)，摻入鎳鐵渣粉可以有效地降低水泥土的孔隙率，使水泥土形成更加致密的結(jié)構(gòu)，提升水泥土的整體性，同時能緩解海水環(huán)境的侵蝕.

2.3 SEM-EDS 結(jié)果分析

海水環(huán)境下水泥土的SEM 及EDS圖譜見圖3.由圖3可見：水泥土中生成了大量的水化產(chǎn)物，以絮凝狀水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠為主，填充了水泥土疏松的孔隙，并將土顆粒和鎳鐵渣粉膠結(jié)在一起，形成空間鑲嵌的整體；水泥土中還出現(xiàn)了較多易識別的六方板狀、層狀結(jié)構(gòu)，其可能為氫氧化鈣（CH）晶體或Friedel"s（F）鹽晶體；六方板狀、層狀結(jié)構(gòu)隨著鎳鐵渣粉摻量的增加而增多，且摻入鎳鐵渣粉能增強水泥土對Cl-的結(jié)合能力，因此六方板狀、層狀結(jié)構(gòu)為F鹽晶體的可能性較大.

圖3 海水環(huán)境下水泥土的SEM 及EDS 圖譜Fig.3 SEM images and EDS spectra of cement soil in seawater environment

結(jié)合EDS 能譜圖可知，水泥土中O、Si 元素含量較多，這與水泥土中存在較多C-S-H 凝膠情況一致.海水環(huán)境中的Cl-能與鋁酸三鈣（C3A）及溶解的CH 反應(yīng)生成F 鹽晶體，而摻入鎳鐵渣粉可以促進這一反應(yīng).海水環(huán)境侵蝕后水泥土中檢測出大量的Cl元素，再次證明Cl 對水泥土的水化過程具有一定影響.隨著鎳鐵渣粉摻量的增加，水泥土中Cl 元素的含量均略有增大，這表明鎳鐵渣粉的摻入使水泥土對Cl-的結(jié)合能力增強.浸泡齡期為90 d 時，CS-0、CS-20、CS-40 的鈣硅比（摩爾比）分別為0.97、0.94、0.41，這是因為隨著侵蝕時間的增加，滲入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的Cl-、SO2-4和Mg2+等侵蝕離子含量逐漸增加，含量較大的侵蝕離子能生成鈣硅比較大的C-S-H 凝膠.水泥土的鈣硅比隨著鎳鐵渣粉摻量的增加而降低，這表明其抗?jié)B性能有所提高.在海水的影響下，水泥土中不但會生成較為疏松的C-S-H 凝膠，而且侵蝕離子會與活性礦物生成大量的膨脹性鈣礬石（AFt）、F 鹽、石膏，當(dāng)其生成量達到一定值時，會破壞水泥土的整體性，并對水泥土的抗?jié)B性能產(chǎn)生不良影響.

3 結(jié)論

（1）水泥土中摻入鎳鐵渣粉能提升其抗?jié)B性能.隨著鎳鐵渣粉摻量的增加，水泥土的滲透系數(shù)逐漸減??；當(dāng)鎳鐵渣粉摻量超過20%后，對水泥土抗?jié)B性能的增強效果變緩，即鎳鐵渣粉摻量增加對水泥土抗?jié)B性能的影響變小.

（2）海水環(huán)境對水泥土抗?jié)B性能的劣化作用主要表現(xiàn)在浸泡齡期28 d 以后.海水環(huán)境下的滲透系數(shù)明顯大于清水環(huán)境下的滲透系數(shù)，而水泥土中摻入鎳鐵渣粉能減緩海水環(huán)境對其抗?jié)B性能的劣化.

（3）由壓汞試驗結(jié)果可知，摻入到水泥土的鎳鐵渣粉能發(fā)揮出微集料效應(yīng)和活性效應(yīng)，隨著鎳鐵渣粉摻量的增加，水泥土的最可幾孔徑逐漸減小，總孔隙率逐漸減小，水泥土基體更加密實.因此鎳鐵渣粉能明顯緩解海水環(huán)境對水泥土孔隙結(jié)構(gòu)的劣化，提高其抗?jié)B性能.

（4）結(jié)合SEM 和EDS 對鎳鐵渣粉水泥土的微觀形貌分析可知，浸泡齡期為90 d 時，水泥土中的水化產(chǎn)物大幅度增加，水化產(chǎn)物有效地將土顆粒和鎳鐵渣粉粘結(jié)為一體，結(jié)構(gòu)較為密實.同時，海水環(huán)境對水泥土的影響較為顯著，使得水泥土的形貌結(jié)構(gòu)更為疏松，鈣硅比增大，導(dǎo)致水泥土的抗?jié)B性能降低.