鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的力學(xué)性能研究*

陶華強(qiáng)，伍彥廷，陳奕秋，趙衛(wèi)琪

1.浙江雙和環(huán)境建設(shè)有限公司，浙江 紹興 312000

2.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000

鐵尾礦砂是鐵尾礦石分選作業(yè)的產(chǎn)物之一[1-2]。鐵尾礦砂的堆存解決方案是重大難題之一，處理不當(dāng)會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，同時(shí)使庫(kù)區(qū)下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重威脅[3-4]。因此，如何利用這些鐵尾礦砂，變廢為寶，是減少鐵尾礦堆存的有效手段之一。許多學(xué)者對(duì)鐵尾礦砂的資源化利用進(jìn)行了大量研究，其中，包括混凝土細(xì)骨料[5]、復(fù)合材料填料[6]、道路材料[7]等。水泥土具有高強(qiáng)度、低滲透性的特點(diǎn)，因此在公路、鐵路、飛機(jī)跑道等路基加固中得到廣泛的應(yīng)用[8]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)水泥土的力學(xué)性能和耐久性能進(jìn)行了充分的研究。曹智國(guó)等[9]、嚴(yán)紅霞等[10]和陳瑞生等[11]研究發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)齡期、水泥摻量和含水率等是影響水泥土抗壓強(qiáng)度的主要因素。張陳等[12]和Lee等[13]研究了納米材料對(duì)水泥土力學(xué)性能的影響。鹿群等[14]、黃敏建[15]、陳四利等[16]研究發(fā)現(xiàn)在水泥土中摻入摻石灰、玻璃纖維、廢鋼渣等會(huì)明顯提高其力學(xué)性能。赫文秀等[17]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)水泥土中摻入的砂量為50%時(shí)，其力學(xué)性能最佳。

綜上所述，在水泥土中摻入鐵尾礦砂會(huì)影響其力學(xué)性能。文章選取不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同鐵尾礦砂摻量的鐵尾礦砂水泥復(fù)合土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，確定其抗壓強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和峰值應(yīng)變等參數(shù)，分析其變化規(guī)律，為鐵尾礦砂水泥復(fù)合土是否能作為地基土及路基土材料提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用原材料為濱海路基土、鐵尾礦砂、水泥和水。路基土取自紹興濱海新城濱江區(qū)域，其主要物理性質(zhì)指標(biāo)，如表1所示。

表1 濱海路基土主要物理力學(xué)指標(biāo)

所用鐵尾礦砂取自浙江紹興漓渚鐵礦，所用水為實(shí)驗(yàn)室普通自來(lái)水，水泥選用強(qiáng)度為42.5的普通硅酸鹽水泥。通過(guò)物理性能測(cè)試，鐵尾礦砂的比重和比表面積分別為3.06和379m2/kg。利用Mastersizer 2000激光粒度分析儀對(duì)鐵尾礦砂進(jìn)行粒度分析，得到小于45μm、45～75μm、75～100μm、100～150μm和大于150μm的顆粒含量，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 鐵尾礦砂粒度分析結(jié)果

1.2 試樣方案

以含水率為80%、水泥摻量為15%的濱海路基土為基礎(chǔ)，分別摻入0%、15%、20%、25%鐵尾礦砂。試樣采用規(guī)格為直徑為39.1mm和高度為80mm的圓柱體，制作完成后，在表面封上一層濾紙，用橡皮筋固定后放入水中。按養(yǎng)護(hù)齡期7d和14d分為兩大組試驗(yàn)，每大組按照鐵尾礦砂摻量不同分為4小組，每組摻量制作4個(gè)試樣，共8組32個(gè)試樣。測(cè)試設(shè)備采用全自動(dòng)多功能無(wú)側(cè)限抗壓機(jī)，剪切速度設(shè)為1mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果

8組不同養(yǎng)護(hù)齡期和不同鐵尾礦砂摻量的水泥復(fù)合土共32個(gè)試樣，測(cè)得的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，如圖1、圖2所示。其中，橫軸表示軸向應(yīng)變，縱軸表示軸向應(yīng)力。

由圖1可知，4組試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈軟化型曲線，且大致可以分為三個(gè)階段。（1）加載初期階段。不同鐵尾礦砂摻量下的水泥復(fù)合土應(yīng)力-應(yīng)變曲線都基本呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。（2）加載中期階段。試樣應(yīng)力均隨應(yīng)變的增加而上升，最后達(dá)到峰值。當(dāng)鐵尾礦砂摻量分別為0%、15%、20%、25%時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度一般分別出現(xiàn)在2.09%～2.92%、1.26%～2.10%、1.26%～1.88%、1.46%～1.89%。（3）加載后期階段。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，各鐵尾礦砂摻量分別為0%、15%、20%、25%的水泥復(fù)合土所對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力分別為15.63～25.38kPa、6～28.7kPa、6～18kPa、7～ 27.5kPa。

圖1中應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值點(diǎn)即為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，因此根據(jù)每組不同摻量鐵尾礦砂水泥復(fù)合土可以獲得4個(gè)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，由于試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境、儀器的測(cè)量精度、人員的操作熟練度以及材料等因素，都會(huì)造成測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)生一定的偏差，并不會(huì)達(dá)到完全一致，通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行計(jì)算分析，得出4種鐵尾礦砂摻量分別為0%、15%、20%、25%的水泥復(fù)合土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值分別為130.25kPa、110.30kPa、119.19kPa、113.76kPa。由此可知，在7d養(yǎng)護(hù)齡期的條件下，鐵尾礦砂摻量分別為15%、20%、25%的水泥復(fù)合土的強(qiáng)度與純水泥復(fù)合土的強(qiáng)度相比，分別降低了 15.32%、8.49%、12.66%。

圖1 水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線（7d養(yǎng)護(hù)齡期）

由圖2可知，4組試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化與7d養(yǎng)護(hù)齡期試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致相同。（1）加載初期階段。不同鐵尾礦砂摻量下的水泥復(fù)合土應(yīng)力-應(yīng)變曲線都基本呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。（2）加載中期階段。試樣應(yīng)力均隨應(yīng)變的增加而上升，最后達(dá)到峰值。其中，當(dāng)鐵尾礦砂摻量分別為0%、15%、20%、25%時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度分別出現(xiàn)在1.87%～2.50%、1.88%～2.09%、1.04%～2.50%、1.25%～1.88%。（3）加載后期階段。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，各鐵尾礦砂摻量分別為0%、15%、20%、25%的水泥復(fù)合土所對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力分別為0～36kPa、3.69～31.77kPa、3.56～55.60kPa、12～17.11kPa。通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算出14d養(yǎng)護(hù)齡期4種鐵尾礦砂摻量分別為0%、15%、20%、25%的水泥復(fù)合土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值分別為 159.22kPa、155.10kPa、161.87kPa、149.80kPa。在14d齡期的條件下，鐵尾礦砂摻量分別為15%、20%、25%的水泥復(fù)合土的強(qiáng)度與純水泥復(fù)合土的強(qiáng)度相比大致相同。

對(duì)比圖1、圖2可以發(fā)現(xiàn)，試樣的養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)鐵尾礦砂水泥土的強(qiáng)度有所影響。14d養(yǎng)護(hù)齡期的鐵尾礦砂水泥土的強(qiáng)度比7d養(yǎng)護(hù)齡期的鐵尾礦砂水泥土的強(qiáng)度有所提高。鐵尾礦砂摻量分別為15%、20%和25%的14d養(yǎng)護(hù)齡期水泥復(fù)合土的強(qiáng)度比7d養(yǎng)護(hù)齡期水泥復(fù)合土的強(qiáng)度分別提高了40.62%、35.81%和31.68%。養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)試樣強(qiáng)度的影響主要是因?yàn)樗嗟乃磻?yīng)是個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，水泥的水化反應(yīng)越充分，水化產(chǎn)物越多，因此養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)會(huì)使鐵尾礦砂水泥土的強(qiáng)度越大。

圖2 水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線（14d齡期）

隨著鐵尾礦砂摻入量的不斷增加，7d養(yǎng)護(hù)齡期和14d養(yǎng)護(hù)齡期下的鐵尾礦砂水泥土強(qiáng)度都先增大后逐漸減少。其中，鐵尾礦砂摻量為20%時(shí)，鐵尾礦砂水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。但是對(duì)于80%的高含水率鐵尾礦砂水泥土在7d養(yǎng)護(hù)齡期下的強(qiáng)度略低于純水泥混凝土，在14d養(yǎng)護(hù)齡期下的強(qiáng)度與純水泥土基本相同。

3 結(jié)論

（1）鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間成正比，并且14d養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度比7d養(yǎng)護(hù)齡期有較多增長(zhǎng)。

（2）隨著鐵尾礦砂摻入量的不斷增加，不同養(yǎng)護(hù)齡期下的鐵尾礦砂水泥土強(qiáng)度都先增大而逐漸減少。其中，鐵尾礦砂摻量為20%時(shí)，鐵尾礦砂水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。

（3）與純水泥復(fù)合土相比，7d養(yǎng)護(hù)齡期的鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的強(qiáng)度略有降低。14d養(yǎng)護(hù)齡期的鐵尾礦砂水泥復(fù)合土強(qiáng)度與純水泥復(fù)合土強(qiáng)度大致相同，因此在高含水率的水泥復(fù)合土中添加鐵尾礦砂來(lái)增加強(qiáng)度的工程實(shí)際應(yīng)用意義不大。