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        鎳鐵渣粉復(fù)合水泥土特性試驗及測試結(jié)果分析

        2023-02-11 11:52:24楊鵬輝余文洋
        粘接 2023年1期
        關(guān)鍵詞:鐵渣齡期泥土

        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(chǔ)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(yǎng)生一段時間后強度、穩(wěn)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(nèi)外學(xué)者對水泥土性能研究取得了一定的結(jié)果,細(xì)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(xué)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(jié)構(gòu)密實性提高,摻玄武巖纖維可有效承擔(dān)結(jié)構(gòu)內(nèi)部拉應(yīng)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(xué)強度增加較小[4]。蒙強等研究了粉煤灰摻量對水泥土力學(xué)強度和變形特性影響規(guī)律,當(dāng)粉煤灰摻量過高時,水泥土發(fā)生耦合反應(yīng)導(dǎo)致試件發(fā)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(xué)性質(zhì)[6]。有研究表明,礦粉、粉煤灰具有一定的活性物質(zhì),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(xué)特性,氫氧化鈉、硅粉等激發(fā)劑可進(jìn)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(yè)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(xué)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(yīng)用;而在水泥土材料工程應(yīng)用案例較少。有學(xué)者將采用磨細(xì)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(guī)律,混凝土力學(xué)強度、體積穩(wěn)定性和耐久性均得到提高[14-15]。為此,結(jié)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(yīng)用提供數(shù)據(jù)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(xì)的?;郀t鎳鐵渣,呈灰色,主要化學(xué)成分如表1所示;顆粒組成如表2所示。

        表1 鎳鐵渣粉化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xué)性能如表3所示。

        表3 土樣物理力學(xué)性質(zhì)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(shù)性能如表4所示。

        表4 水泥技術(shù)性質(zhì)Tab.4 Technical properties of cement

        1.2 試驗方法

        研究鎳鐵渣粉摻量及養(yǎng)生齡期對鎳鐵渣粉水泥土與水泥土力學(xué)特性和水穩(wěn)定性影響規(guī)律,并結(jié)合力學(xué)強度隨齡期增長規(guī)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(yǎng)生齡期分別為3、7、14、28、60、90和180 d,干濕循環(huán)次數(shù)分別為1、3、5、7、9和10次。外摻劑摻量為外摻劑干質(zhì)量與土樣干質(zhì)量的比值,每組試驗采用6個平行試件。

        1.3 試件制備及養(yǎng)生

        風(fēng)干土樣過5 mm土壤圓孔篩,按最優(yōu)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室,養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

        1.4 性能測試方法

        1.4.1力學(xué)特性

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

        1.4.2水穩(wěn)定性

        采用水穩(wěn)系數(shù)和干濕殘留強度比評價鎳鐵渣粉水泥土水穩(wěn)定性。

        水穩(wěn)系數(shù)指試件浸水前后無側(cè)限抗壓強度的比值,表征試件抗水作用的強度穩(wěn)定性。水穩(wěn)系數(shù)越高,試件抗水作用的強度穩(wěn)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(cè)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(wěn)系數(shù);ηwet(n)為循環(huán)n次的干濕殘留強度比;qu為浸水后無側(cè)限抗壓強度,MPa;qu′為浸水前無側(cè)限抗壓強度,MPa;quwet(n)為浸水n次的無側(cè)限抗壓強度,MPa。

        干濕循環(huán)試驗中,試件養(yǎng)護(hù)至90 d后,從養(yǎng)生室取出試件,選用濾紙和透水石將試件浸潤至飽水狀態(tài),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(zhì)量,直至試件含水率達(dá)到風(fēng)干含水率±0.5%,此為干濕循環(huán)1次。

        2 試驗結(jié)果與分析

        2.1 力學(xué)強度

        鎳鐵渣粉水泥土力學(xué)強度試驗結(jié)果如圖1所示。

        (a)鎳鐵渣粉摻量-抗壓強度關(guān)系

        從圖1可以看出,養(yǎng)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(yǎng)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(fù)相關(guān),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(yǎng)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?。浑S養(yǎng)生齡期增加,鎳鐵渣粉活性逐漸激發(fā),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(yǎng)生齡期曲線呈對數(shù)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)0.96以上,強度增長方程如表5所示。隨養(yǎng)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(yǎng)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(wěn)定值。這是因為鎳鐵渣粉水泥土強度主要由水泥水化產(chǎn)物與土粒間物理化學(xué)作用組成,在養(yǎng)生初期,水泥水化反應(yīng)速率快,生成較多的水化硅酸鈣等凝膠物質(zhì)與土粒發(fā)生膠接,水泥土強度增長明顯;隨養(yǎng)生齡期增加,水泥逐漸被消耗,其強度逐漸趨于穩(wěn)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(yǎng)生齡期呈對數(shù)關(guān)系。對此,結(jié)合鎳鐵渣粉水泥土抗壓強度增長規(guī)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(yǎng)生齡期,d;N為鎳鐵渣粉摻量,%;a、b、e為擬合值。

        2.2 水穩(wěn)定性

        2.2.1水穩(wěn)系數(shù)

        鎳鐵渣粉水泥土水穩(wěn)定性試驗結(jié)果如圖2所示。

        (a)鎳鐵渣粉摻量-水穩(wěn)系數(shù)關(guān)系

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

        表5 鎳鐵渣粉水泥土水穩(wěn)系數(shù)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(guān)系

        從圖3可以看出,在同一干濕次數(shù)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(shù)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(wěn)定,當(dāng)干濕次數(shù)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(shù)增加,鎳鐵渣粉水泥土干濕殘留強度比呈線性降低,相關(guān)系數(shù)0.98以上,干濕次數(shù)增加1次,干濕殘留強度比約降低5%。

        3 結(jié)語

        通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗和水穩(wěn)試驗,研究了水泥土摻鎳鐵渣粉后工程性能變化規(guī)律。

        (1)隨鎳鐵渣粉摻量增加,鎳鐵渣粉水泥土呈線性降低,養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)生齡期曲線呈良好的對數(shù)關(guān)系,前期抗壓強度增長顯著,養(yǎng)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(yǎng)生齡期前28 d,鎳鐵渣粉摻量增加1%,水泥土水穩(wěn)系數(shù)平均降低2.8%;養(yǎng)生齡期超過28 d,鎳鐵渣粉摻量由3%增至5%,水泥土水穩(wěn)系數(shù)降低較顯著,約降低13.1%;

        (4)在同一鎳鐵渣粉下,隨養(yǎng)生齡期增加,鎳鐵渣粉水泥土水穩(wěn)系數(shù)呈對數(shù)關(guān)系增長,且水穩(wěn)系數(shù)增長規(guī)律與抗壓強度增長規(guī)律一致,養(yǎng)生齡期超過28 d后,水穩(wěn)系數(shù)增長速率減小,逐漸趨于穩(wěn)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(shù)增加呈線性趨勢降低,干濕次數(shù)增加1次,干濕殘留強度比約降低5%。

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