鎳鐵渣粉復(fù)合水泥土特性試驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果分析

楊鵬輝，余文洋

(河南交投商羅高速公路有限公司，河南 鄭州 450000)

水泥土是道路、水利、鐵路等基礎(chǔ)工程中常用的材料，由土、水泥和水充分拌和而成，較原狀土養(yǎng)生一段時(shí)間后強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐久性等性能均得到提高，且施工簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水泥土性能研究取得了一定的結(jié)果，細(xì)砂、粉煤灰、礦粉、石灰、硅粉、鋼渣、纖維等外加劑摻入水泥土可改善其力學(xué)性能，提高其工程性能。馬永芹等[3]研究表明水泥土摻砂后結(jié)構(gòu)密實(shí)性提高，摻玄武巖纖維可有效承擔(dān)結(jié)構(gòu)內(nèi)部拉應(yīng)力，提高水泥土抗拉壓強(qiáng)度。候芮等研究表明水泥土摻鐵尾礦砂后力學(xué)強(qiáng)度增加較小[4]。蒙強(qiáng)等研究了粉煤灰摻量對(duì)水泥土力學(xué)強(qiáng)度和變形特性影響規(guī)律，當(dāng)粉煤灰摻量過(guò)高時(shí)，水泥土發(fā)生耦合反應(yīng)導(dǎo)致試件發(fā)生脆性破壞[5]；適量聚丙烯纖維和玄武巖纖維顯著提高水泥土物理力學(xué)性質(zhì)[6]。有研究表明，礦粉、粉煤灰具有一定的活性物質(zhì)，摻入水泥土可改善其強(qiáng)度特性和滲透特性[7-8]；鋼渣粉改良水泥土有良好的力學(xué)特性，氫氧化鈉、硅粉等激發(fā)劑可進(jìn)一步提高鋼渣粉水泥土強(qiáng)度和模量[9-10]。

鎳鐵渣是鎳礦冶煉加工后排放的一種工業(yè)廢渣，按冶煉工藝分為礦熱爐鎳鐵渣和?；郀t鎳鐵渣，化學(xué)成分以SiO2、Fe2O3為主，具有一定活性[11-12]，在水泥及水泥混凝土方面取得了一定應(yīng)用；而在水泥土材料工程應(yīng)用案例較少。有學(xué)者將采用磨細(xì)的鎳鐵渣制備水泥[13]；還有研究了鎳鐵渣粉對(duì)水泥混凝土性能影響規(guī)律，混凝土力學(xué)強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和耐久性均得到提高[14-15]。為此，結(jié)合水泥土和鎳鐵渣粉特性，研究鎳鐵渣粉對(duì)水泥土工程性能影響，為鎳鐵渣粉在水泥土材料應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1鎳鐵渣粉

鎳鐵渣粉選用磨細(xì)的粒化高爐鎳鐵渣，呈灰色，主要化學(xué)成分如表1所示；顆粒組成如表2所示。

表1 鎳鐵渣粉化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Chemical composition mass fractionof ferronickel slag powder

表2 鎳鐵渣粉顆粒組成Tab.2 Particle composition of ferronickel slag powder

1.1.2土樣

土樣選用軟土，取自某高速公路取土場(chǎng)，取土深度3.0～4.0 m，物理力學(xué)性能如表3所示。

表3 土樣物理力學(xué)性質(zhì)Tab.3 Physical and mechanical properties of soil sample

1.1.3水泥

水泥選用P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，技術(shù)性能如表4所示。

表4 水泥技術(shù)性質(zhì)Tab.4 Technical properties of cement

1.2 試驗(yàn)方法

研究鎳鐵渣粉摻量及養(yǎng)生齡期對(duì)鎳鐵渣粉水泥土與水泥土力學(xué)特性和水穩(wěn)定性影響規(guī)律，并結(jié)合力學(xué)強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)規(guī)律，建立強(qiáng)度增長(zhǎng)方程。試驗(yàn)中，擬外摻劑摻量為10%，采用鎳鐵渣粉等量取代水泥摻量，鎳鐵渣粉摻量分別為1%、3%、5%、7%；擬養(yǎng)生齡期分別為3、7、14、28、60、90和180 d，干濕循環(huán)次數(shù)分別為1、3、5、7、9和10次。外摻劑摻量為外摻劑干質(zhì)量與土樣干質(zhì)量的比值，每組試驗(yàn)采用6個(gè)平行試件。

1.3 試件制備及養(yǎng)生

風(fēng)干土樣過(guò)5 mm土壤圓孔篩，按最優(yōu)含水率成型壓實(shí)度96%的50 mm×50 mm(直徑×高)試件。試件制備完成后，用塑料薄膜包裹試件，放入(20±2)℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

1.4 性能測(cè)試方法

1.4.1力學(xué)特性

按《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG F40—2009)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定鎳鐵渣粉水泥土與水泥土力學(xué)強(qiáng)度。試件達(dá)到養(yǎng)生齡期前1 d，從養(yǎng)生室取出一組試件，浸水24 h后測(cè)定無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)儀器選用液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)WAW-50，試驗(yàn)加載速率為1 mm/min。

1.4.2水穩(wěn)定性

采用水穩(wěn)系數(shù)和干濕殘留強(qiáng)度比評(píng)價(jià)鎳鐵渣粉水泥土水穩(wěn)定性。

水穩(wěn)系數(shù)指試件浸水前后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值，表征試件抗水作用的強(qiáng)度穩(wěn)定性。水穩(wěn)系數(shù)越高，試件抗水作用的強(qiáng)度穩(wěn)定性越高，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)；干濕殘留強(qiáng)度比為試件干濕前后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值，計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。

η=qu/qu′×100%

(1)

ηwet(n)=quwet(n)/qu′×100%

(2)

式中：η為水穩(wěn)系數(shù)；ηwet(n)為循環(huán)n次的干濕殘留強(qiáng)度比；qu為浸水后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；qu′為浸水前無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；quwet(n)為浸水n次的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa。

干濕循環(huán)試驗(yàn)中，試件養(yǎng)護(hù)至90 d后，從養(yǎng)生室取出試件，選用濾紙和透水石將試件浸潤(rùn)至飽水狀態(tài)，并置于保濕器中24 h，保證試件含水率均勻；脫濕過(guò)程中，試件放于40 ℃干燥箱中，每隔20 min測(cè)定試件質(zhì)量，直至試件含水率達(dá)到風(fēng)干含水率±0.5%，此為干濕循環(huán)1次。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)強(qiáng)度

鎳鐵渣粉水泥土力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

(a)鎳鐵渣粉摻量-抗壓強(qiáng)度關(guān)系

從圖1可以看出，養(yǎng)生前28 d，水泥土摻入鎳鐵渣粉后抗壓強(qiáng)度降低，隨鎳鐵渣粉摻量增加，水泥土抗壓強(qiáng)度呈線性降低，鎳鐵渣粉增加1%，水泥土抗壓強(qiáng)度至少降低6.1%；養(yǎng)生28 d后，1%鎳鐵渣粉摻量的水泥土抗壓強(qiáng)度最高，較未摻鎳鐵渣粉的水泥土抗壓強(qiáng)度提高2.5%以上，且鎳鐵渣粉水泥土抗壓強(qiáng)度與鎳鐵渣粉摻量呈線性負(fù)相關(guān)，鎳鐵渣粉增加1%，水泥土抗壓強(qiáng)度降低不超過(guò)4.2%，抗壓強(qiáng)度降低速率減小。這說(shuō)明鎳鐵渣粉較水泥對(duì)水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)作用偏小，養(yǎng)生初期鎳鐵渣粉在水泥土中主要填充孔隙，對(duì)水泥土強(qiáng)度影響較??；隨養(yǎng)生齡期增加，鎳鐵渣粉活性逐漸激發(fā)，水泥土摻入適量的鎳鐵渣粉后強(qiáng)度提高。另外，在同一鎳鐵渣粉摻量下，鎳鐵渣粉水泥土抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)生齡期曲線呈對(duì)數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.96以上，強(qiáng)度增長(zhǎng)方程如表5所示。隨養(yǎng)生齡期增加，鎳鐵渣粉水泥土強(qiáng)度早期強(qiáng)度逐漸提高，且前期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著，養(yǎng)生齡期28 d后，鎳鐵渣粉水泥土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率減緩，在齡期90 d時(shí)，鎳鐵渣粉水泥土抗壓強(qiáng)度基本增長(zhǎng)至穩(wěn)定值。這是因?yàn)殒囪F渣粉水泥土強(qiáng)度主要由水泥水化產(chǎn)物與土粒間物理化學(xué)作用組成，在養(yǎng)生初期，水泥水化反應(yīng)速率快，生成較多的水化硅酸鈣等凝膠物質(zhì)與土粒發(fā)生膠接，水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯；隨養(yǎng)生齡期增加，水泥逐漸被消耗，其強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定值。

綜上所述，水泥土摻入鎳鐵渣粉后，抗壓強(qiáng)度隨鎳鐵渣粉增加而呈線性降低，且鎳鐵渣粉水泥土與養(yǎng)生齡期呈對(duì)數(shù)關(guān)系。對(duì)此，結(jié)合鎳鐵渣粉水泥土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律，建立抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)模型，如式(3)。

qu=a·N·ln(T)+b·N+C·ln(T)+e

(3)

式中：T為養(yǎng)生齡期，d；N為鎳鐵渣粉摻量，%；a、b、e為擬合值。

2.2 水穩(wěn)定性

2.2.1水穩(wěn)系數(shù)

鎳鐵渣粉水泥土水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

(a)鎳鐵渣粉摻量-水穩(wěn)系數(shù)關(guān)系

從圖2可以看出，水泥土摻入鎳鐵渣粉后水穩(wěn)系數(shù)逐漸降低，抗水破壞作用減小。養(yǎng)生齡期前28 d，鎳鐵渣粉水泥土水穩(wěn)系數(shù)隨鎳鐵渣粉摻量增加而呈線性減小，且水穩(wěn)系數(shù)減小速率相近，鎳鐵渣粉摻量增加1%，水泥土水穩(wěn)系數(shù)平均降低2.8%。養(yǎng)生齡期超過(guò)28 d，隨鎳鐵渣粉摻量增加，水泥土水穩(wěn)系數(shù)逐漸減小至穩(wěn)定值，減小速率先增大后降低，水泥土摻1%摻量的鎳鐵渣粉后水穩(wěn)系數(shù)減小緩慢，較水泥土水穩(wěn)系數(shù)約降低1.4%；鎳鐵渣粉摻量由3%增至5%，水泥土水穩(wěn)系數(shù)降低較顯著，約降低13.1%。另外，在同一鎳鐵渣粉摻量下，鎳鐵渣粉水泥土水穩(wěn)系數(shù)與養(yǎng)生齡期關(guān)系曲線和鎳鐵渣粉水泥土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線相近，隨養(yǎng)生齡期增加，鎳鐵渣粉水泥土水穩(wěn)系數(shù)呈對(duì)數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，水穩(wěn)系數(shù)增長(zhǎng)方程如表5所示。在養(yǎng)生前期，鎳鐵渣粉水泥土水穩(wěn)系數(shù)增長(zhǎng)顯著，養(yǎng)生齡期超過(guò)28 d后，水穩(wěn)系數(shù)增長(zhǎng)速率減小，逐漸趨于穩(wěn)定值。

表5 鎳鐵渣粉水泥土水穩(wěn)系數(shù)增長(zhǎng)方程Tab.5 Growth equation of water stability coefficient of ferronickel slag cement soil

2.2.2干濕殘留強(qiáng)度比

鎳鐵渣粉水泥土干濕殘留強(qiáng)度比如圖3所示。

(a)鎳鐵渣粉摻量-干濕殘留強(qiáng)度比關(guān)系

從圖3可以看出，在同一干濕次數(shù)下，隨鎳鐵渣粉摻加，水泥土摻入鎳鐵渣粉后干濕殘留強(qiáng)度比降低，且干濕次數(shù)增加，鎳鐵渣粉摻量對(duì)水泥土干濕殘留強(qiáng)度比降低效果逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)干濕次數(shù)超過(guò)9次，水泥土摻入7%鎳鐵渣粉摻量后的干濕殘留強(qiáng)度比約降低29.6%。另外，不同鎳鐵渣粉摻量的水泥土干濕殘留強(qiáng)度比變化曲線相近，隨干濕次數(shù)增加，鎳鐵渣粉水泥土干濕殘留強(qiáng)度比呈線性降低，相關(guān)系數(shù)0.98以上，干濕次數(shù)增加1次，干濕殘留強(qiáng)度比約降低5%。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和水穩(wěn)試驗(yàn)，研究了水泥土摻鎳鐵渣粉后工程性能變化規(guī)律。

(1)隨鎳鐵渣粉摻量增加，鎳鐵渣粉水泥土呈線性降低，養(yǎng)生齡期前28 d，鎳鐵渣粉增加1%，水泥土抗壓強(qiáng)度至少降低6.1%；養(yǎng)生齡期超過(guò)28 d，1%鎳鐵渣粉摻量的水泥土抗壓強(qiáng)度最大；

(2)鎳鐵渣粉水泥土抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)生齡期曲線呈良好的對(duì)數(shù)關(guān)系，前期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著，養(yǎng)生齡期28 d后抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率減緩，建立鎳鐵渣粉水泥土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)模型，擬合度高；

(3)水泥土摻入鎳鐵渣粉后抗水破壞作用減小，養(yǎng)生齡期前28 d，鎳鐵渣粉摻量增加1%，水泥土水穩(wěn)系數(shù)平均降低2.8%；養(yǎng)生齡期超過(guò)28 d，鎳鐵渣粉摻量由3%增至5%，水泥土水穩(wěn)系數(shù)降低較顯著，約降低13.1%；

(4)在同一鎳鐵渣粉下，隨養(yǎng)生齡期增加，鎳鐵渣粉水泥土水穩(wěn)系數(shù)呈對(duì)數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，且水穩(wěn)系數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律與抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律一致，養(yǎng)生齡期超過(guò)28 d后，水穩(wěn)系數(shù)增長(zhǎng)速率減小，逐漸趨于穩(wěn)定值；

(5)在同一干濕條件下，隨鎳鐵渣粉摻加，水泥土摻入鎳鐵渣粉后干濕殘留強(qiáng)度比降低；不同鎳鐵渣粉摻量的水泥土干濕殘留強(qiáng)度比隨干濕次數(shù)增加呈線性趨勢(shì)降低，干濕次數(shù)增加1次，干濕殘留強(qiáng)度比約降低5%。