鎳鐵渣粉復合水泥土特性試驗及測試結果分析

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，較原狀土養生一段時間后強度、穩定性、耐久性等性能均得到提高，且施工簡便、價格低廉[1-2]。目前，國內外學者對水泥土性能研究取得了一定的結果，細砂、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構密實性提高，摻玄武巖纖維可有效承擔結構內部拉應力，提高水泥土抗拉壓強度。候芮等研究表明水泥土摻鐵尾礦砂后力學強度增加較小[4]。蒙強等研究了粉煤灰摻量對水泥土力學強度和變形特性影響規律，當粉煤灰摻量過高時，水泥土發生耦合反應導致試件發生脆性破壞[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性質[6]。有研究表明，礦粉、粉煤灰具有一定的活性物質，摻入水泥土可改善其強度特性和滲透特性[7-8]；鋼渣粉改良水泥土有良好的力學特性，氫氧化鈉、硅粉等激發劑可進一步提高鋼渣粉水泥土強度和模量[9-10]。

鎳鐵渣是鎳礦冶煉加工后排放的一種工業廢渣，按冶煉工藝分為礦熱爐鎳鐵渣和粒化高爐鎳鐵渣，化學成分以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用；而在水泥土材料工程應用案例較少。有學者將采用磨細的鎳鐵渣制備水泥[13]；還有研究了鎳鐵渣粉對水泥混凝土性能影響規律，混凝土力學強度、體積穩定性和耐久性均得到提高[14-15]。為此，結合水泥土和鎳鐵渣粉特性，研究鎳鐵渣粉對水泥土工程性能影響，為鎳鐵渣粉在水泥土材料應用提供數據支撐。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

1.1.1鎳鐵渣粉

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

表1 鎳鐵渣粉化學成分質量分數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，取土深度3.0～4.0 m，物理力學性能如表3所示。

表3 土樣物理力學性質Tab.3 Physical and mechanical properties of soil sample

1.1.3水泥

水泥選用P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，技術性能如表4所示。

表4 水泥技術性質Tab.4 Technical properties of cement

1.2 試驗方法

研究鎳鐵渣粉摻量及養生齡期對鎳鐵渣粉水泥土與水泥土力學特性和水穩定性影響規律，并結合力學強度隨齡期增長規律，建立強度增長方程。試驗中，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%；擬養生齡期分別為3、7、14、28、60、90和180 d，干濕循環次數分別為1、3、5、7、9和10次。外摻劑摻量為外摻劑干質量與土樣干質量的比值，每組試驗采用6個平行試件。

1.3 試件制備及養生

風干土樣過5 mm土壤圓孔篩，按最優含水率成型壓實度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)℃、相對濕度95%以上的標準養生室，養護至規定齡期。

1.4 性能測試方法

1.4.1力學特性

按《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG F40—2009)無側限抗壓強度試驗測定鎳鐵渣粉水泥土與水泥土力學強度。試件達到養生齡期前1 d，從養生室取出一組試件，浸水24 h后測定無側限抗壓強度。試驗儀器選用液壓伺服萬能試驗機WAW-50，試驗加載速率為1 mm/min。

1.4.2水穩定性

采用水穩系數和干濕殘留強度比評價鎳鐵渣粉水泥土水穩定性。

水穩系數指試件浸水前后無側限抗壓強度的比值，表征試件抗水作用的強度穩定性。水穩系數越高，試件抗水作用的強度穩定性越高，計算公式見式(1)；干濕殘留強度比為試件干濕前后無側限抗壓強度的比值，計算公式見式(2)。

η=qu/qu′×100%

(1)

ηwet(n)=quwet(n)/qu′×100%

(2)

式中：η為水穩系數；ηwet(n)為循環n次的干濕殘留強度比；qu為浸水后無側限抗壓強度，MPa；qu′為浸水前無側限抗壓強度，MPa；quwet(n)為浸水n次的無側限抗壓強度，MPa。

干濕循環試驗中，試件養護至90 d后，從養生室取出試件，選用濾紙和透水石將試件浸潤至飽水狀態，并置于保濕器中24 h，保證試件含水率均勻；脫濕過程中，試件放于40 ℃干燥箱中，每隔20 min測定試件質量，直至試件含水率達到風干含水率±0.5%，此為干濕循環1次。

2 試驗結果與分析

2.1 力學強度

鎳鐵渣粉水泥土力學強度試驗結果如圖1所示。

(a)鎳鐵渣粉摻量-抗壓強度關系

從圖1可以看出，養生前28 d，水泥土摻入鎳鐵渣粉后抗壓強度降低，隨鎳鐵渣粉摻量增加，水泥土抗壓強度呈線性降低，鎳鐵渣粉增加1%，水泥土抗壓強度至少降低6.1%；養生28 d后，1%鎳鐵渣粉摻量的水泥土抗壓強度最高，較未摻鎳鐵渣粉的水泥土抗壓強度提高2.5%以上，且鎳鐵渣粉水泥土抗壓強度與鎳鐵渣粉摻量呈線性負相關，鎳鐵渣粉增加1%，水泥土抗壓強度降低不超過4.2%，抗壓強度降低速率減小。這說明鎳鐵渣粉較水泥對水泥土強度增長作用偏小，養生初期鎳鐵渣粉在水泥土中主要填充孔隙，對水泥土強度影響較小；隨養生齡期增加，鎳鐵渣粉活性逐漸激發，水泥土摻入適量的鎳鐵渣粉后強度提高。另外，在同一鎳鐵渣粉摻量下，鎳鐵渣粉水泥土抗壓強度與養生齡期曲線呈對數關系，相關系數0.96以上，強度增長方程如表5所示。隨養生齡期增加，鎳鐵渣粉水泥土強度早期強度逐漸提高，且前期抗壓強度增長顯著，養生齡期28 d后，鎳鐵渣粉水泥土抗壓強度增長速率減緩，在齡期90 d時，鎳鐵渣粉水泥土抗壓強度基本增長至穩定值。這是因為鎳鐵渣粉水泥土強度主要由水泥水化產物與土粒間物理化學作用組成，在養生初期，水泥水化反應速率快，生成較多的水化硅酸鈣等凝膠物質與土粒發生膠接，水泥土強度增長明顯；隨養生齡期增加，水泥逐漸被消耗，其強度逐漸趨于穩定值。

綜上所述，水泥土摻入鎳鐵渣粉后，抗壓強度隨鎳鐵渣粉增加而呈線性降低，且鎳鐵渣粉水泥土與養生齡期呈對數關系。對此，結合鎳鐵渣粉水泥土抗壓強度增長規律，建立抗壓強度增長模型，如式(3)。

qu=a·N·ln(T)+b·N+C·ln(T)+e

(3)

式中：T為養生齡期，d；N為鎳鐵渣粉摻量，%；a、b、e為擬合值。

2.2 水穩定性

2.2.1水穩系數

鎳鐵渣粉水泥土水穩定性試驗結果如圖2所示。

(a)鎳鐵渣粉摻量-水穩系數關系

從圖2可以看出，水泥土摻入鎳鐵渣粉后水穩系數逐漸降低，抗水破壞作用減小。養生齡期前28 d，鎳鐵渣粉水泥土水穩系數隨鎳鐵渣粉摻量增加而呈線性減小，且水穩系數減小速率相近，鎳鐵渣粉摻量增加1%，水泥土水穩系數平均降低2.8%。養生齡期超過28 d，隨鎳鐵渣粉摻量增加，水泥土水穩系數逐漸減小至穩定值，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系數減小緩慢，較水泥土水穩系數約降低1.4%；鎳鐵渣粉摻量由3%增至5%，水泥土水穩系數降低較顯著，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系數與養生齡期關系曲線和鎳鐵渣粉水泥土抗壓強度增長曲線相近，隨養生齡期增加，鎳鐵渣粉水泥土水穩系數呈對數關系增長，水穩系數增長方程如表5所示。在養生前期，鎳鐵渣粉水泥土水穩系數增長顯著，養生齡期超過28 d后，水穩系數增長速率減小，逐漸趨于穩定值。

表5 鎳鐵渣粉水泥土水穩系數增長方程Tab.5 Growth equation of water stability coefficient of ferronickel slag cement soil

2.2.2干濕殘留強度比

鎳鐵渣粉水泥土干濕殘留強度比如圖3所示。

(a)鎳鐵渣粉摻量-干濕殘留強度比關系

從圖3可以看出，在同一干濕次數下，隨鎳鐵渣粉摻加，水泥土摻入鎳鐵渣粉后干濕殘留強度比降低，且干濕次數增加，鎳鐵渣粉摻量對水泥土干濕殘留強度比降低效果逐漸趨于穩定，當干濕次數超過9次，水泥土摻入7%鎳鐵渣粉摻量后的干濕殘留強度比約降低29.6%。另外，不同鎳鐵渣粉摻量的水泥土干濕殘留強度比變化曲線相近，隨干濕次數增加，鎳鐵渣粉水泥土干濕殘留強度比呈線性降低，相關系數0.98以上，干濕次數增加1次，干濕殘留強度比約降低5%。

3 結語

通過室內無側限抗壓強度試驗和水穩試驗，研究了水泥土摻鎳鐵渣粉后工程性能變化規律。

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

(2)鎳鐵渣粉水泥土抗壓強度與養生齡期曲線呈良好的對數關系，前期抗壓強度增長顯著，養生齡期28 d后抗壓強度增長速率減緩，建立鎳鐵渣粉水泥土抗壓強度增長模型，擬合度高；

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

(4)在同一鎳鐵渣粉下，隨養生齡期增加，鎳鐵渣粉水泥土水穩系數呈對數關系增長，且水穩系數增長規律與抗壓強度增長規律一致，養生齡期超過28 d后，水穩系數增長速率減小，逐漸趨于穩定值；

(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度比降低；不同鎳鐵渣粉摻量的水泥土干濕殘留強度比隨干濕次數增加呈線性趨勢降低，干濕次數增加1次，干濕殘留強度比約降低5%。