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)會對周邊環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞,同時使庫區(qū)下游人民的生命財產(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,國內(nèi)外眾多學(xué)者對水泥土的力學(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,其力學(xué)性能最佳。
綜上所述,在水泥土中摻入鐵尾礦砂會影響其力學(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)。
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)室普通自來水,水泥選用強(qiáng)度為42.5的普通硅酸鹽水泥。通過物理性能測試,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
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個試樣,共8組32個試樣。測試設(shè)備采用全自動多功能無側(cè)限抗壓機(jī),剪切速度設(shè)為1mm/min。
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個試樣,測得的應(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,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,各鐵尾礦砂摻量分別為0%、15%、20%、25%的水泥復(fù)合土所對應(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個無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值,由于試驗(yàn)時的環(huán)境、儀器的測量精度、人員的操作熟練度以及材料等因素,都會造成測試數(shù)據(jù)發(fā)生一定的偏差,并不會達(dá)到完全一致,通過對試樣進(jìn)行計算分析,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,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,各鐵尾礦砂摻量分別為0%、15%、20%、25%的水泥復(fù)合土所對應(yīng)的殘余應(yīng)力分別為0~36kPa、3.69~31.77kPa、3.56~55.60kPa、12~17.11kPa。通過對試樣進(jìn)行計算分析,計算出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。
對比圖1、圖2可以發(fā)現(xiàn),試樣的養(yǎng)護(hù)齡期對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)齡期對試樣強(qiáng)度的影響主要是因?yàn)樗嗟乃磻?yīng)是個長期的過程,養(yǎng)護(hù)時間越長,水泥的水化反應(yīng)越充分,水化產(chǎn)物越多,因此養(yǎng)護(hù)齡期越長會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,鐵尾礦砂水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。但是對于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。
(1)鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時間成正比,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。
(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,鐵尾礦砂水泥土無側(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增加強(qiáng)度的工程實(shí)際應(yīng)用意義不大。