柯 開(kāi) 展

(福建省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司， 福建 福州 350028)

水泥土是指在原狀土或經(jīng)搗碎后的土樣中摻入水泥、水、外摻劑等物質(zhì)后將其攪拌均勻，然后再經(jīng)過(guò)一定養(yǎng)護(hù)時(shí)間形成的一種與原狀土相比在整體性、堅(jiān)固性、水穩(wěn)定性等都大大提高的土木工程材料。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的快速進(jìn)行，水泥土憑借其優(yōu)良的性能在工程建設(shè)中的運(yùn)用變的越來(lái)越廣，特別是在地基處理、渠道防滲、基坑圍護(hù)、軟土加固等方面已經(jīng)有了很成熟的運(yùn)用。水泥土在工程領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用激起了學(xué)術(shù)領(lǐng)域中眾多專家學(xué)者的興趣，并且多年來(lái)已經(jīng)取得了豐碩的研究成果[1-4]。黃鶴等[5]人研究了水泥摻量對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。張家柱等[6]通過(guò)試驗(yàn)研究了水泥土的抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角隨水泥摻量和齡期變化的影響。張明等[7]和梁仁旺等[8]研究了將粉煤灰摻入到水泥土中對(duì)其強(qiáng)度和抗?jié)B性能的影響。王文軍等[9]對(duì)納米硅粉的固化機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Kaniraj S R等[10]建立了強(qiáng)度與齡期、水泥用量和粉煤灰用量之間的函數(shù)關(guān)系。Ismail M A等[11]通過(guò)三軸試驗(yàn)研究不同種類水泥對(duì)固化土抗剪性能的影響。張偉鋒等[12]研究分析了粉煤灰的水化及固結(jié)特性。

目前通過(guò)將礦物摻和料摻入到水泥土中的研究已經(jīng)取得了很大的成果，但研究成果還主要集中在?；郀t礦渣、粉煤灰、硅灰等摻和料上。鎳鐵渣是鎳冶煉廠和不銹鋼冶煉廠排放的一種工業(yè)廢渣[13]，通過(guò)將鎳鐵渣研磨后形成的鎳鐵渣粉也是一種具有活性的礦物摻和料。Dourdounis E等[14]采用細(xì)磨后的鎳鐵渣制備高鋁水泥。樊佳磊等[15]通過(guò)試驗(yàn)生產(chǎn)出了高標(biāo)號(hào)水泥熟料。因此，本文通過(guò)將鎳鐵渣粉摻入到水泥土中，研究鎳鐵渣粉對(duì)水泥土早期強(qiáng)度的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用材料主要為水泥、淤泥質(zhì)黏土、鎳鐵渣粉和純凈水。淤泥質(zhì)黏土為取自福州大學(xué)城永嘉天地旁地鐵站基坑內(nèi)，土料取出時(shí)為灰黑色，含有少量粉細(xì)砂，取土深度為20 m～21 m。其主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。水泥為福建煉石水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的煉石牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥的3 d和7 d抗壓強(qiáng)度分別為25.7 MPa和46.3 MPa?；瘜W(xué)成分見(jiàn)表2。鎳鐵渣粉為福建源鑫環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的S85級(jí)鎳鐵渣粉，顏色為灰白色，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。

1.2 試驗(yàn)方法

本次水泥土的強(qiáng)度試驗(yàn)采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的方法進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)試塊為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，每一配比每一齡期分別制作3個(gè)平行試樣，其配合比見(jiàn)表4，最后取試樣的平均值作為試樣的強(qiáng)度。

表1 土樣的部分物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

表2 煉石水泥化學(xué)成分

表3 鎳鐵渣粉化學(xué)成分

表4 配合比設(shè)計(jì)

試樣制作的主要過(guò)程為：將野外取回的擾動(dòng)土烘干搗碎后過(guò)2 mm篩，然后按原狀土的含水率稱取一定水和土的重量進(jìn)行混合均勻，再將由水泥、鎳鐵渣粉、水?dāng)嚢瓒傻乃酀{混合料加入拌好的土料中，經(jīng)膠砂攪拌機(jī)至少攪拌5 min鐘后用三聯(lián)模在膠砂振實(shí)臺(tái)振實(shí)成型，最后將成型好的試樣放置標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至一定齡期。

試驗(yàn)所用儀器為MTS Landmark 370.50型疲勞試驗(yàn)機(jī)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度q按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：F為試件破壞的極限壓力，N；A為試塊與承壓板的接觸面積，mm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎳鐵渣粉摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)測(cè)得了鎳鐵渣粉水泥土7 d和28 d的無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)表5。

表5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由表5可知，鎳鐵渣粉水泥土的強(qiáng)度在7 d和28 d齡期均會(huì)隨著鎳鐵渣粉摻量的增加而下降。對(duì)比7 d與28 d不同鎳鐵渣粉摻量所對(duì)應(yīng)水泥土強(qiáng)度連成的曲線可知，7 d齡期的曲線整體斜率要大于28 d齡期的整體斜率。7 d齡期時(shí)，鎳鐵渣粉摻量分別為10%、20%、30%、40%，相對(duì)于基準(zhǔn)水泥土其強(qiáng)度分別下降了20.4%、26.9%、47.2%、60.2%。28 d時(shí)，強(qiáng)度分別下降了3.4%、12%、20%、41.7%。由此說(shuō)明，在7 d齡期時(shí)，水泥土的強(qiáng)度下降率大。與基準(zhǔn)組相比，其余各組水泥摻量減少，生成的C-S-H凝膠減少；而鎳鐵渣粉水化緩慢，早期生成的C-S-H凝膠少，總的C-S-H少，從而使得水泥土的早期強(qiáng)度會(huì)大幅度降低。綜上分析可知，鎳鐵渣粉對(duì)水泥土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)非常小，也是和其他摻和料一樣在早齡期時(shí)只起到微集料的填充作用，均勻分布在水泥顆粒之間。到28 d齡期時(shí)，不同鎳鐵渣粉水泥土強(qiáng)度的下降率與7 d齡期時(shí)相比已經(jīng)減小了很多，鎳鐵渣粉摻量為10%時(shí)，與基準(zhǔn)組相比，強(qiáng)度只下降了3.4%。因此可以說(shuō)明，到28 d齡期時(shí)，摻入到水泥土中的鎳鐵渣粉已經(jīng)對(duì)水泥土的強(qiáng)度發(fā)揮一定的作用，從而使摻有鎳鐵渣粉的水泥土強(qiáng)度下降率在慢慢變小。這主要是由于水泥的強(qiáng)度來(lái)源于C3S和C2S，其中C3S的水化速度快，鎳鐵渣粉的強(qiáng)度來(lái)源玻璃體中SiO2和Ca(OH)2的反應(yīng)，而該反應(yīng)在高堿度條件下反應(yīng)速率較慢，所以導(dǎo)致其早期強(qiáng)度較低。這也是為什么摻有鎳鐵渣粉的水泥土在7 d齡期時(shí)強(qiáng)度下降率大，而到28 d時(shí)，強(qiáng)度的下降率在慢慢減小。

2.2 變形特性

2.2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖1和圖2分別為7 d齡期和28 d齡期不同摻量鎳鐵渣粉水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

從圖可知，7 d齡期當(dāng)鎳鐵渣粉摻量為0%時(shí)，水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以表現(xiàn)出比較明顯的三階段曲線，即線彈性階段、塑性屈服階段和峰值軟化階段。隨著鎳鐵渣粉摻量的增加，其應(yīng)變軟化的性質(zhì)變的越來(lái)越不明顯，當(dāng)鎳鐵渣粉摻量為40%時(shí)，水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)出與黏性土比較相似的性質(zhì)，其趨勢(shì)越來(lái)越接近應(yīng)變硬化的性質(zhì)。從而也說(shuō)明了，當(dāng)鎳鐵渣粉摻量為40%時(shí)，水泥土將變的與普通黏性土并無(wú)很大區(qū)別，其性質(zhì)更接近于一般黏性土，強(qiáng)度也很低。

圖1 7 d主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

圖2 28 d主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

28 d齡期時(shí)，不同鎳鐵渣粉水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出很明顯的應(yīng)變軟化特性，曲線的峰值應(yīng)力也更加明顯。由此說(shuō)明，鎳鐵渣粉水泥土28 d齡期時(shí)與一般黏性土存在較大差別，強(qiáng)度已經(jīng)得到了很大的提高。

2.2.2 破壞應(yīng)變

破壞應(yīng)變是衡量水泥土變形特性的重要指標(biāo)之一，破壞應(yīng)變大則其塑性特征明顯，破壞應(yīng)變小則其脆性特征顯著。從表6和圖1、圖2可知，7 d齡期時(shí)，水泥土的破壞應(yīng)變較大，并且隨著鎳鐵渣粉摻量的增加而變大，說(shuō)明早齡期時(shí)水泥土的塑性特征更加的顯著，從加載到破壞階段會(huì)發(fā)生更大的塑性變形。到28 d齡期時(shí)，水泥土的塑性變形普遍小于7 d齡期，鎳鐵渣粉摻量為40%的水泥土試樣，其破壞應(yīng)變也已經(jīng)下降到1.5%，說(shuō)明此時(shí)水泥土已經(jīng)具有較大的強(qiáng)度，其破壞主要表現(xiàn)為脆性破壞，見(jiàn)圖3。

表6 破壞應(yīng)變

圖3試件脆性剪切破壞

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

宏觀是微觀的外在表象，微觀是宏觀的內(nèi)在本質(zhì)，水泥土宏觀力學(xué)性能是由其微觀結(jié)構(gòu)所決定的。因此，試驗(yàn)利用SEM分別對(duì)7 d齡期和28 d齡期的水泥土試樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，如圖4和圖5。

圖4 7 d水泥土微觀結(jié)構(gòu)圖5 28 d水泥土微觀結(jié)構(gòu)

從SEM圖片可以看出，7 d齡期時(shí)，水泥土放大2000倍的微觀結(jié)構(gòu)比較疏松，土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)很少，存在較多的孔隙與裂縫，從而使水泥土的整體性降低，宏觀力學(xué)性能較差。到28 d齡期時(shí)，水泥水化生成的C-S-H、C-A-H、Ca(OH)2等膠凝物質(zhì)越來(lái)越多，不僅可以將土顆粒膠結(jié)在一起，使得水泥土形成一個(gè)整體性更強(qiáng)的物體，而且膠凝物質(zhì)等還可以填充土顆粒之間存在的孔隙與裂隙，使得水泥土變的更加致密與堅(jiān)硬。如圖5所示，28 d齡期時(shí)的水泥土微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)比7 d齡期時(shí)得水泥土微觀結(jié)構(gòu)變的更致密，孔隙和裂隙也大大減小，整體性更強(qiáng)，所以其宏觀力學(xué)性得到很大的提高。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和SEM試驗(yàn)研究得到如下結(jié)論：

(1) 7 d齡期時(shí)，鎳鐵渣粉水泥土的微觀結(jié)構(gòu)疏松，孔隙與裂隙較多，鎳鐵渣粉取代水泥的摻入會(huì)造成水泥土強(qiáng)度的較大下降，鎳鐵渣粉對(duì)水泥土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)非常小，只起到集料的填充作用。

(2) 28 d齡期時(shí)，與7 d齡期相比，鎳鐵渣粉水泥土的微觀結(jié)構(gòu)變的致密，整體性也更好，強(qiáng)度下降率變的更小，水泥土的脆性破壞特征變的非常明顯。

(3) 鎳鐵渣粉的活性較低，特別是在較早齡期的時(shí)候，對(duì)材料的強(qiáng)度貢獻(xiàn)非常小。到28 d齡期時(shí)，其活性才被激發(fā)，開(kāi)始發(fā)揮對(duì)材料的作用。