鎳鐵渣-黏土改性土承載特性試驗研究*

王書勤，尹平保，賀煒，鄒敏，陳彥虎，王澤華

(1.長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114；2.長沙理工大學 特殊環境道路工程湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114；3.廣東廣青金屬科技有限公司，廣東 陽江 529533)

中國是鎳鐵渣儲量大國。目前對鎳鐵渣的處理以堆存或填埋為主，造成大量耕地被占用、地下水污染和資源浪費，需加強對鎳鐵渣的綜合利用。劉龍武等利用靜態圖像法和篩分法分析了鎳鐵渣的級配特征。劉云等借助XRD和SEM，從微觀角度證實了富鎂鎳渣制備地質聚合物的可行性。付海峰等發現將鎳鐵渣用作水泥中部分集料，能有效提高水泥膠砂的強度。李琦等利用高MgO鎳鐵渣研制了性能良好的輕質耐火材料。此外，還有將鎳鐵渣用于陶粒、肥料等領域的報道，但利用率較低，鎳鐵渣的大量處置迫在眉睫。道路工程建設中需要大量填土或砂石材料，將垃圾爐渣、硅錳渣和鋼渣等工業廢渣作為路基土已取得了較多研究成果和工程經驗。若能將鎳鐵渣用于路基修筑，將擴大鎳鐵渣應用范圍，進一步解決鎳鐵渣綜合利用和保護環境等問題。

關于固體廢棄物的改良，一些學者開展了相關研究。如王士革等通過室內試驗，分析了鋼渣摻入比、粒徑大小對石灰-鋼渣混合料承載特性的影響；高朋等通過電石渣-粉煤灰穩定土的無側限抗壓強度試驗，獲得了電石渣-粉煤灰的最優配比；程濤等對比分析了粉煤灰、煤矸石、鋼渣和爐渣等石灰渣穩定土的力學特性。但關于鎳鐵渣承載特性和體積膨脹特性的研究很少。鑒于此，該文將鎳鐵渣和黏土混合制作不同配比和壓實度的鎳鐵渣-黏土改性土試樣進行加州承載比(CBR)試驗，研究其干密度-含水率、單位壓力-貫入量和浸水膨脹率的變化規律，進而分析配比和壓實度對改性土承載特性和膨脹特性的影響機理。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

鎳鐵渣取自廣東廣青金屬科技有限公司經回轉窯-礦熱爐工藝產生的鎳鐵水淬渣，偏黑色(見圖1)，其主要化學成分見表1。黏土取自廣東陽江某工地，其基本物理性質見表2。2種材料的顆粒級配見圖2。

圖1 鎳鐵渣

表1 鎳鐵渣的主要化學成分

表2 黏土的基本物理指標

圖2 試驗材料的顆粒級配曲線

1.2 試樣制備

采用質量控制壓實度法，按式(1)計算不同壓實度下每個鎳鐵渣-黏土改性土試樣所需鎳鐵渣和黏土的總質量m。

m=kρdmax(1+w)V

(1)

式中：k為目標壓實度，k=ρd/ρdmax；ρd為試樣目標壓實度所對應的干密度(g/cm3)；ρdmax為土樣最大干密度；w為含水率；V為試樣的體積。

試樣制備依據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》進行，流程如下：先將足量的鎳鐵渣和黏土烘干，采用5 mm篩篩分；根據表3所示配比稱取相應質量的試驗材料充分拌合；依照配比中各自最優含水率摻水拌合均勻，悶料1 h；最后把稱量好的混合料分3層擊實至試筒滿為止，每層擊實50次，制成直徑為152 mm、高度為120 mm的試樣。

表3 鎳鐵渣-黏土改性土的擊實結果

通過重型擊實試驗得出不同配比下改性土試樣的最大干密度和最優含水率(見表3)。

1.3 試驗方案

為探究鎳鐵渣-黏土改性土中鎳鐵渣與黏土摻量、壓實度對其承載特性和體積膨脹特性的影響，按表4所示方案進行CBR試驗。試驗前把試樣放入水槽中浸水4 d，每組試驗制作2個平行試樣進行貫入度試驗，測試其CBR值。路面強度試驗儀轉速為1 mm/min，量力環系數為98.4 N/(0.01 mm)，貫入桿面積為0.001 963 5 m2，測力計與位移計均為百分表。記錄測力計內百分表讀數為50×10-2mm的整數倍數貫入量，當試樣貫入量為550×10-2mm時終止試驗。

表4 鎳鐵渣-黏土改性土CBR試驗方案

1.4 試驗過程

加州承載比CBR是評價路基土承載力的重要指標，它為試樣貫入量l為2.5 mm時單位壓力與標準碎石壓入相同貫入量時標準荷載強度的比值，按式(2)計算。同時按式(3)計算l=5 mm時的承載比，若CBR2.5 mm

2.熱鍋放油，放入肉片、花椒面、蔥花翻炒至5成熟，然后放入胡蘿卜片、生抽，繼續翻炒至胡蘿卜斷生，然后加入清水燉煮2分鐘。

CBR2.5=p/7 000×100

(2)

CBR5.0=p/10 500×100

(3)

式中：p為單位壓力(kPa)。

根據CBR浸水試驗實測試樣高度變化量，按下式計算浸水膨脹率γ：

γ=(d1-d0)/h×100

(4)

式中：d1為浸水4 d后試件上百分表的最終讀數(mm)；d0為浸水前試件上百分表的初始讀數(mm)；h為原試件高度，h=120 mm。

2 試驗結果分析

2.1 擊實試驗結果分析

根據JTG 3430—2020《公路土工試驗規程》，分別對5種鎳鐵渣-黏土改性土進行擊實，得到圖3所示擊實曲線。圖4為最大干密度ρdmax與鎳鐵渣摻入比az關系曲線。

圖3 鎳鐵渣-黏土改性土擊實曲線

圖4 最大干密度與鎳鐵渣摻入比的關系曲線

由圖3可知：純鎳鐵渣無明顯最大干密度和最佳含水率，其壓實度較差，相對來說，含水率為2%時干密度最大，為1.82 g/cm3；對于鎳鐵渣-黏土改性土試樣，鎳鐵渣摻入比az為80%、75%、70%、65%、60%時，對應最大干密度ρdmax分別為2.04 g/cm3、2.10 g/cm3、2.13 g/cm3、2.18 g/cm3、2.15 g/cm3。總體來說，摻配黏土可有效提高壓實后土體干密度,這是由于摻入黏土混合后能形成級配良好的鎳鐵渣-黏土改性土，其更容易壓實。

由圖4可知：對于鎳鐵渣摻入比az為80%、75%、70%、65%、60%的改性土試樣，后者與前者相比，最大干密度變化幅度分別為2.9%、1.4%、2.3%、-1.4%，鎳鐵渣-黏土改性土的最大干密度隨著az的減小先增大后減小，az為65%時最大干密度達到峰值，約為2.18 g/cm3。az>65%時，az每減小5.0%，最大干密度約增加2.2%；az<65%時，az每減小5.0%，最大干密度約減小1.4%。這是由于黏土摻入體積低于顆粒間孔隙時，增加黏土，可有效填充鎳鐵渣顆粒之間的孔隙，從而改善鎳鐵渣的顆粒級配，干密度增大；黏土摻入體積超出孔隙后，由于黏土比重比鎳鐵渣小，多出的黏土等質量替換鎳鐵渣，試樣體積變大，干密度變小，導致最大干密度隨黏土增多而減小。

2.2 CBR試驗結果分析

圖5為壓實度為90%、93%、96%時不同配比下鎳鐵渣-黏土改性土試樣的p-l曲線。計算發現l為2.5 mm時的CBR值小于l為5 mm時的CBR值，取l為5.0 mm時的CBR值作為試驗結果。圖6、圖7為CBR值與配比和壓實度的關系曲線。

圖5 不同配比下鎳鐵渣改性土p-l曲線

圖6 CBR值與配比的關系

圖7 CBR值與壓實度關系

由圖5可知：在不同配比和壓實度下，鎳鐵渣-黏土改性土試樣的單位壓力與貫入量呈線性增長的發展規律。

由圖6可知：壓實度一定時，鎳鐵渣-黏土改性土的CBR值隨鎳鐵渣摻入比az的減小先增大后減小，az從80%減小至65%時，鎳鐵渣-黏土改性土的CBR值平均提高90%。az為70%、65%、60%時，后者與前者相比，CBR值平均變化幅度分別為6.4%、-12.1%，az為60%改性土的CBR值小于az為70%改性土的CBR值。az從65%變化到60%時，黏土含量增加，在壓實中鎳鐵渣顆粒之間的咬合力降低，試樣受到外界影響變大，承載力減小。

由圖7可知：az相同時，鎳鐵渣-黏土改性土的CBR值隨壓實度增加近似呈線性關系增大，壓實度從90%增至96%時，az為60%、65%、70%、75%、80%改性土的CBR值分別增加13.8%、13.4%、13.6%、11.3%、4.8%，az為60%改性土的增幅最大，約為40%。相對來說，壓實度對az為80%改性土的影響較小。另外，鎳鐵渣-黏土改性土的壓實度大于90%時，其CBR值均大于8%，經黏土改性后鎳鐵渣的承載力良好，滿足規范要求。

2.3 浸水試驗結果分析

通過CBR浸水試驗研究不同鎳鐵渣摻入比和壓實度時鎳鐵渣-黏土改性土的浸水膨脹率，試驗結果見圖8。

圖8 不同試驗條件下鎳鐵渣-黏土改性土的膨脹率

由圖8可知：鎳鐵渣-黏土改性土的浸水膨脹率為0.01～0.42，均小于路基規范限值2%，說明不論鎳鐵渣摻入比和壓實度如何，鎳鐵渣-黏土改性土的穩定性都較好，可用作路基填料。

3 鎳鐵渣環境可行性分析

鎳鐵渣中含有Ni、Cr、Cd等重金屬元素，工程應用時需考慮重金屬元素對周圍土壤、地下水及生物生命安全的影響。根據HJ/T 299—2007《固體廢物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》進行鎳鐵渣浸出毒性分析，結果見表5。

表5 鎳鐵渣浸出液試驗結果

由表5可知：鎳鐵渣浸出液中有害物質最大檢測值低于毒性鑒別標準值，表明鎳鐵渣為一般工業固體廢渣，不屬于危險廢棄物，可直接作為路基摻合料加以應用。

另外，鎳鐵渣浸出液呈弱堿性狀態(pH值=9)，其浸出液不會對周圍土壤造成腐蝕危害。

4 結論

(1) 鎳鐵渣-黏土改性土的最大干密度隨鎳鐵渣摻入比減小先增大后減小，鎳鐵渣摻入比為65%時，最大干密度達到峰值，約為2.18 g/cm3。

(2) 相同壓實度下，鎳鐵渣-黏土改性土的CBR值隨鎳鐵渣摻入比減小先增大后減?。浑S壓實度增加，鎳鐵渣-黏土改性土的CBR值近似呈線性增長，增長幅度為40%。不論鎳鐵渣摻入比和壓實度如何，鎳鐵渣-黏土改性土的承載力和浸水膨脹率均滿足路基規范要求。

(3) 鎳鐵渣材料為一般工業固體廢渣，且不會對周圍土壤造成腐蝕危害，可直接作為路基摻合料加以應用。