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。
1.1.1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
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。
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。
1.4.1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。
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。
2.2.1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%。
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%。