鎳鐵渣粉水泥土的固化機理試驗研究

陳 金 輝

(中國電建集團福建工程有限公司，福建 福州 350008)

水泥土是指在原狀土或經搗碎后的土樣中摻入水泥、水、外摻劑等物質后將其攪拌均勻，然后再經過一定養護時間形成的一種與原狀土相比在整體性、堅固性、水穩定性等都大大提高的土木工程材料[1-2]。水泥土在我國沿海地區工程建設的地基處理中發揮著不可替代的作用，在海相環境下加固形成的水泥土加固體長期處于海水環境中，其中可溶鹽離子對水泥土加固體會產生侵蝕作用，使水泥土的成分和結構發生改變，甚至會出現強度降低滲透性增大等劣化現象。胡建林等[3]研究了玄武巖纖維對水泥土力學性能的影響效應。袁誠[4]研究了水泥土在我國水利工程中的應用。曹洋等[5]研究了釘型水泥土攪拌樁加固軟土路堤。安學軍等[6]研究了水泥土攪拌樁圍井的應用。

鎳鐵渣是鎳鐵工業生產中高溫熔融下還原提取鎳和部分鐵后經水淬急冷產生的粒化工業廢渣。鎳鐵渣粉具有一定潛在活性、耐久性及其資源循環利用等特點[7]，許多學者對鎳鐵渣進行了研究，如林丹軍[8]研究了鎳鐵渣粉對水泥砂漿性能的影響；何型江[9]研究了高爐鎳鐵渣粉用作混合材對水泥性能的影響；王強等[10]研究了鎳鐵渣粉對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響；齊太山等[11]作了高爐鎳鐵渣粉在水泥基復合膠凝材料中的水化特性研究。水泥土的固化機理也是眾多學者研究的方向，如王文軍[12]進行了納米礦粉水泥土固化機理及損傷特性研究；賈尚華[13]進行了石灰水泥復合土固化機理及力學性能的試驗研究；楊國輝[14]的水泥土固化過程的交流阻抗分析；齊太山等[15]研究了水泥土強度特性及固化機理；盛明強等[16]做了穩定技術與固化土性質研究；陳越[17]做了固化機理和效果的研究；栗霞等[18]做了水泥土強度特性及固化機理研究。

本文從濱海區域工程實際出發，將鎳鐵渣粉等量替代水泥質量摻入到水泥中，主要結合XRD試驗、SEM試驗和壓汞試驗對鎳鐵渣粉水泥土的固化機理進行分析，從而實現以宏觀和微觀相結合的方式來說明試驗結果和試驗現象，考察其在海洋環境下的強度及抗滲性能。

1 試驗原理與方法

鎳鐵渣粉水泥土的固化機理和微觀結構是非常復雜的，在有限的條件下無法對其每一個方面都進行比較詳細與全面研究，因此，本研究選擇了較有代表性的方面進行試驗研究。

1.1 試驗試件

試件用土料取自福州某地鐵站基坑內，原狀土的物理力學性質指標，見表1。水泥采用煉石牌P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，見表2。鎳鐵渣粉是以等量取代水泥作為摻和料摻入到水泥土中的，取代量分別為水泥質量的0%、10%、20%、30%、40%。鎳鐵渣粉的化學成分，見表3，鎳鐵渣粉配比類型及數量表，見表4。將原材料注入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊，待試塊養護到一定齡期形成試件。

表1 土樣的部分物理力學性質指標統計

表2 煉石水泥的化學成分

表3 鎳鐵渣粉摻和料的化學成分

表4 鎳鐵渣粉配比類型及數量

1.2 XRD試驗

試驗對鎳鐵渣粉的不同配比進行試驗分析，然后將利用Jade軟件進行試驗數據處理，對物質進行基本的定性分析，得出不同方案的差異性，以從一定角度說明鎳鐵渣粉摻入對物質的影響。鎳鐵渣粉的不同配比表見表4。XRD試驗所用樣品制作包括兩部分，首先制作水泥石和鎳鐵渣粉水泥土，然后制作符合規范的XRD粉末。

1.3 SEM試驗

SEM試驗利用掃描電鏡進行微觀試驗，主要是觀察不同齡期，不同試驗方案中水泥水化物質的生成情況，物質的致密程度和孔隙的大小，鎳鐵渣粉在水泥土中所處的情況，以及隨著齡期的增長，鎳鐵渣粉微觀形貌等的變化，將能比較直觀的對鎳鐵渣粉水泥土強度的增長和性能的變化進行合理的解釋。

SEM試驗所用的是1.1的試驗試件。敲碎試驗試件，從試塊內部選取上下表面盡量平整，厚度小的小薄片，將其放入無水乙醇浸泡24 h，放入烤箱烘干，即制成SEM試驗樣品。

1.4 壓汞試驗

壓汞試驗是測量材料孔結構的一種有效試驗方法，通過對試驗所得的數據進行處理，可以獲得材料的孔隙率、臨界孔徑、最可幾孔徑、孔徑分布等信息。

壓汞試驗所用的是1.1的試驗試件。敲碎試驗試件，隨機從被敲碎的試塊中選擇大小尺寸合適的顆粒，將其放入無水乙醇浸泡24 h，然后放入烤箱烘干，即制成壓汞試驗樣品。

2 水泥土固化機理

2.1 水泥石與鎳鐵渣粉水泥土XRD試驗結果與分析

2.1.1 水泥石

不同鎳鐵渣粉摻量水泥凈漿在7 d、28 d、60 d齡期的水化產物生成情況如圖1—圖3所示。圖中數字代表物質解釋如下：1為Ca(OH)2，2為C3S，3為C2S，4為CaCO3，5為SiO2。根據圖1—圖3水泥石XRD的圖譜試驗結果進行分析：

(1) C-S-H。水泥的水化過程中會生成大量的C-S-H膠凝(主要為C3S和C2S水化所生成)。但C-S-H的化學成分不穩定，在水泥的水化產物中很難將不同種類的C-S-H區分開來，所以本試驗的XRD圖譜中并未監測到C-S-H的存在。

(2) C3S和C2S。C3S和C2S為參與水化反應的主要礦物，隨著齡期的增長，水泥中的C3S和C2S不斷參與水化反應。

(3) Ca(OH)2。Ca(OH)2是水泥水化的主要產物之一。通過水泥石的衍射圖譜可知，在衍射圖譜中可以看到明顯的尖而細的衍射峰，但是在7 d、28 d、60 d齡期水泥石中Ca(OH)2的衍射峰值均會隨著鎳鐵渣粉摻量的增加而減小，從而說明鎳鐵渣粉的摻入會對水泥石中Ca(OH)2的結晶情況產生較大的影響。

(4) CaCO3。CaCO3是樣品在測試和保存過程中受空氣中的CO2碳化所產生的，含量很少，并且對比不同鎳鐵渣粉摻量和不同齡期的衍射圖譜可知，CaCO3的衍射峰值均相似，說明該試樣過程中CO2對不同組水泥石碳化的影響均相同。

(5) SiO2。SiO2主要來源于水泥本身的組成成分，由于SiO2的結晶度較高，所以在衍射圖譜中的衍射峰值較大，但其含量并不多。

圖1 7 d水泥石XRD圖譜

圖2 28 d水泥石XRD圖譜

圖3 60 d水泥石XRD圖譜

2.1.2 鎳鐵渣粉水泥土

圖4、圖5分別為鎳鐵渣粉水泥土試件A和試件C在不同齡期時的XRD衍射圖譜。由圖可知，未摻鎳鐵渣粉的試件A在7 d齡期時具有較強的鈣礬石衍射峰，但是隨著齡期的增加，鈣礬石的衍射峰會變的越來越弱。

圖4 試件A 不同齡期XRD衍射圖譜

圖5 試件C不同齡期XRD衍射圖譜

2.2 微觀孔結構分析

本次利用壓汞儀對鎳鐵渣粉水泥土的微觀孔結構進行試驗分析，對比鎳鐵渣粉水泥土在不同配比不同齡期時孔結構的變化和差異，以此體現鎳鐵渣粉在水泥土中的作用效應。鎳鐵渣粉水泥土的孔徑分布微分曲線見圖6—圖9。

圖6 7 d齡期孔徑分布圖

圖7 28 d齡期孔徑分布圖

圖8 60 d齡期孔徑分布圖

圖9 90 d齡期孔徑分布圖

2.3 鎳鐵渣粉-水泥漿-土的作用分析

為了更加直觀的觀察鎳鐵渣粉、水泥水化產物和土顆粒之間的相互作用，本研究將鎳鐵渣粉水泥土試塊進行SEM試驗分析，獲得了鎳鐵渣粉水泥土在不同齡期時的微觀結構，水泥的水化產物，鎳鐵渣粉填充與水化情況，見圖10—圖12。

7 d齡期時，鎳鐵渣粉水泥土試件A、B、C的結構均較為疏松，顆粒之間的膠結程度不是很好，還存在較多的離散顆粒，并且顆粒與顆粒之間的孔隙也還很大。摻有鎳鐵渣粉的水泥土試件C與試件A相比，試件C的結構更加疏松，鎳鐵渣粉沒有參與反應，只是以顆粒的形式填充于土顆粒之間。

28 d齡期時，試件A、B、C的微觀結構明顯變得更加致密，生成了大量的水化產物，并且大部分的土顆粒表面已經被水化產物覆蓋，水化產物把土顆粒相互連接起來，形成了一個整體性更好、強度更高的物體。

圖10 7 d齡期掃描電鏡圖

圖11 28 d齡期掃描電鏡圖

圖12 60 d齡期掃描電鏡圖

60 d齡期時，試件A、B、C的微觀結構均已經變的非常致密，孔隙幾乎都被水化產物所填充，整體性變得非常好，鎳鐵渣粉表面也覆蓋了大量的水化生成物，試件C中仍然可以看到部分的鈣礬石晶體。

3 小 結

本文分別利用了X射線衍射儀、壓汞儀和SEM三種試驗儀器進行試驗研究，獲得了不同齡期時不同鎳鐵渣粉摻量對水泥水化產物、水泥土微觀結構與孔隙大小等的影響。

具體結論如下：

(1) XRD試驗研究發現，摻與不摻鎳鐵渣粉對水泥水化產物的種類并無影響，均主要為Ca(OH)2、C3S、C2S、CaCO3和SiO2這五種物相。28 d齡期后，摻有鎳鐵渣粉的試驗組中Ca(OH)2的衍射峰會變弱，同時鎳鐵渣粉水泥土XRD衍射圖譜中鈣礬石的衍射峰變的越來越大，其主要原因是28 d齡期以后，鎳鐵渣粉的活性被更大程度的被激發，會與水化產物Ca(OH)2反應生成鈣礬石。

(2) 7 d和28 d齡期時試件A和試件B具有相似的孔徑分布微分曲線，孔徑的分布情況大致相同，但是試件C則還出現了較多20.3 nm的孔徑。60 d齡期時，隨著各組水泥土的孔隙率進一步減小，鎳鐵渣粉水泥土的孔徑分布微分曲線則出現了多個峰值的現象。從而說明60 d齡期時鎳鐵渣粉水泥土中小孔隙逐漸變為孔隙的主要占比，小孔隙的孔徑主要集中在20 nm左右。

(3) 60 d齡期以后，試件B的總孔隙體積和最可幾孔徑逐漸減小，并且到了90 d齡期時，試件B的孔徑主要是443 nm的孔徑，而小孔徑很少，試件C則除了具有與試件B一樣在443 nm附近的孔徑外，其在內部還具有21.4 nm孔徑大小的小孔徑，試件A也具有較多的小孔徑，但其孔徑比C組的大。

(4) 從SEM的照片可知，7 d齡期時鎳鐵渣粉水泥土中的水化產物較少，結構疏松，鎳鐵渣粉填充于土顆粒之中。28 d齡期以后，隨著水泥水化的不斷進行和鎳鐵渣粉潛在活性的發揮，鎳鐵渣粉水泥土的結構變的越來越致密，土顆粒之間相互膠結，孔隙也被不斷水化生成的水化物所填充。到60 d齡期時，摻有鎳鐵渣粉的水泥土具有與基準組水泥土相同的整體性和致密性，并且此時鎳鐵渣粉的活性還在進一步發揮，在試件C中仍然可以看到部分的鈣礬石晶體。

通過綜合分析鎳鐵渣粉的摻入對水泥土產生的影響，并確定滿足工程建設要求的較優的鎳鐵渣粉摻量值，從而為沿海地區工程建設的地基處理提供理論支持。