胡建林，高鵬飛，崔宏環(huán)，崔志遠，呂星辰

(1.河北建筑工程學院 土木工程學院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，河北 張家口 075000)

水泥土作為一種成熟的建筑材料被廣泛應用于地基處理、基坑支護等工程中，且取得了良好的工程經(jīng)濟效益[1].但其強度較低，后期變形較大等缺點制約著它的使用范圍.為此，國內(nèi)外許多學者進行了大量的試驗研究，以求能提高水泥土的力學性能，比較有效的方法為在水泥土中加入各種摻合料，通過一系列物理或化學反應來提高水泥土的強度.KONG等[2]對SiO2固化黃土進行了抗壓強度試驗，得出摻入少量SiO2可以提高固化土的抗壓強度.DUAN X L等[3]對粉煤灰水泥土進行了抗壓強度試驗，結(jié)果表明：存在一個最優(yōu)粉煤灰摻量6%使水泥土的抗壓強度最大.R BO等[4]指出纖維對水泥土的力學性能有改善效果，適量纖維的加入能顯著提高水泥土的塑性和側(cè)向約束能力.Omid Amini等[5]通過對鎂渣水泥土的力學試驗和微觀試驗得出鎂渣可以改善土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而增強水泥土的抗壓強度.王立峰等[6]對納米硅水泥土進行了三軸壓縮試驗，得出把納米硅粉作為水泥土摻合料可以改善水泥土的強度，并且得出了影響水泥土強度顯著性的因素依次為：水泥加入量、圍壓以及納米硅加入量.王鳳池等[7]通過在水泥土中加入部分橡膠粉進行了無側(cè)限抗壓強度試驗，結(jié)果表明：加入一定量橡膠粉可以改變水泥土在塑性階段的變形，但隨著橡膠粉的增加，水泥土的強度會持續(xù)降低.夏永杰等[8]通過對摻廢棄鋼渣水泥土抗剪強度的研究，得出廢棄鋼渣水泥土的應力應變曲線有明顯的彈塑性，其破壞模式為脆性破壞，并指出鋼渣在10%摻量時水泥復合土的抗剪強度達到最大值；韓鵬舉等[9]對摻硫酸鈉水泥土進行了抗壓強度試驗，得出用硫酸鈉溶液制作水泥土試件可以改善水泥土的強度，水泥土的強度隨硫酸鈉濃度的增加呈先增加后減小的趨勢.赫文秀等[10-13]對摻砂水泥土做了一系列試驗研究，結(jié)果表明：在水泥土中摻入一定量河砂可以有效提高水泥土的抗壓強度及壓縮特性，摻砂后水泥土的抗壓強度比素水泥土強度提高20%左右，并指出素土中含砂量的大小對水泥土強度的影響較大.以上研究表明，在水泥土中加入一些摻合料可以有效改善水泥土的力學性能，但上述摻合料因造價較高或施工不便難以應用于實際工程中，因此,尋找一種易施工且經(jīng)濟性較高的摻合料是水泥土材料目前亟待解決的問題.

鐵尾礦是冶金工業(yè)選礦之后殘留的固體廢棄物，是目前工藝廢棄物的重要組成之一[14].鐵尾礦的堆砌,不僅會占用大量的土地資源，而且會產(chǎn)生一系列環(huán)境污染問題.此外，鐵尾礦的大量堆棄勢必產(chǎn)生大量的尾礦壩庫，這些尾礦壩庫的維護、運行也會需要大量的費用[15].因此，對于尾礦的二次利用是今后發(fā)展綠色環(huán)保生態(tài)的一大重要課題.為此，本文嘗試在水泥土中摻入部分鐵尾礦砂，通過無側(cè)限抗壓強度試驗，探究水泥摻量、鐵尾礦砂摻量對水泥復合土早期強度特性的影響，并采用比強度及強度貢獻率的方式來表征鐵尾礦砂對水泥復合土的增強效應，為后續(xù)試驗及實際工程做一些有益的探索.

1 試驗

1.1 試驗材料

本次試驗用土取自張家口市某施工現(xiàn)場粉質(zhì)黏土，土樣的基本物理性質(zhì)及顆粒級配如表1、圖1所示.鐵尾礦砂取自河北張家口某鋼廠篩選后的顆粒廢棄物，其主要化學成分分析及顆粒級配如表2、圖2所示.水泥采用金隅牌P·S 32.5礦渣硅酸鹽水泥，水采用自來水.

表1 土樣的基本物理性質(zhì)

圖1 粉質(zhì)黏土的顆粒級配曲線

表2 鐵尾礦砂的化學成分

圖2 鐵尾礦砂的顆粒級配曲線

1.2 試驗步驟

將鐵尾礦砂過2.36 mm砂石篩，去除鐵尾礦中較大的顆粒雜質(zhì).將粉質(zhì)黏土過2 mm土壤篩并烘干備用.試驗過程包括試件制作、養(yǎng)護以及無側(cè)限抗壓強度試驗.參考《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)[16]的相關規(guī)定，選用ψ100×100的鋼型模具.具體步驟如下：

(1)通過擊實試驗確定不同水泥摻量下鐵尾礦砂水泥復合土最優(yōu)含水率以及最大干密度，試件采用最優(yōu)含水率制備；

(2)將土料及鐵尾礦砂混合，噴水至最優(yōu)含水率的97%，均勻攪拌后放入塑料袋中密封，以保證含水率均勻，24 h后加入水泥和剩余3%含水率，配置成鐵尾礦砂水泥土混合料；

(3)將混合料分三次裝入鋼型模具中，通過靜壓法制成φ100×100圓柱形試樣，之后進行脫模，養(yǎng)護.每個摻量制做6個平行試件，測試結(jié)果取其平均值；

(4)將試件在養(yǎng)護前一天浸水24 h，之后在萬能試驗機上進行無側(cè)限抗壓強度試驗，加載速率為1 mm/min.

1.3 試驗方案及試驗結(jié)果

采用內(nèi)摻法，選取水泥摻量為8%、12%、16%、20%，鐵尾礦砂摻量為0%、10%、20%、30%、40%，各摻量計算公式如式(1)、式(2)所示，同時計算出水泥及鐵尾礦砂質(zhì)量占鐵尾礦砂水泥復合土的質(zhì)量百分比，如表3所示.壓實度及齡期參考《公路路面基層施工技術細則》[17](JTG/TF20-2015)選取壓實度為95%，齡期為7 d，試驗方案及試驗結(jié)果如表4所示.

表3 各摻合料質(zhì)量占水泥復合土質(zhì)量百分比

表4 鐵尾礦砂水泥土試驗方案及試驗結(jié)果

αT=mT/mS

(1)

αC=mC/mS

(2)

式中：αT為鐵尾礦砂摻量，%；αC為水泥摻量，%；mC、mT、mS分別為水泥質(zhì)量，kg、鐵尾礦砂質(zhì)量，kg、素土質(zhì)量，kg.

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥及鐵尾礦砂對鐵尾礦砂水泥土抗壓強度的影響

水泥摻量與抗壓強度的關系曲線如圖3所示，由圖3可以看出，隨著水泥摻量的增加，鐵尾礦砂水泥土的抗壓強度均有所提高，其強度增長規(guī)律均可用線性關系表示，其擬合公式及相關系數(shù)如表5所示.K.Uddin[18]等將水泥摻量劃分為3個區(qū)域：即誘導區(qū)、反應區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，當水泥土強度呈直線趨勢上升時，水泥摻量即處于反應區(qū)，由此可以看出，在水泥摻量8%～20%時，其對鐵尾礦砂水泥土的抗壓強度影響顯著.

圖3 水泥與水泥復合土強度的關系

表5 水泥與水泥復合土強度的擬合參數(shù)

圖4為鐵尾礦砂與水泥土抗壓強度之間的關系，由圖可以看出，在不同水泥摻量下，水泥土的抗壓強度隨著鐵尾礦砂摻量的增加呈先增加后減小的趨勢.因此，加入適量的鐵尾礦砂可以提高水泥土的抗壓強度，但當鐵尾礦砂超過一定摻量時，水泥土的抗壓強度呈下降趨勢，這是因為過量的鐵尾礦砂會替代部分黏土顆粒，使顆粒間的粘聚力減小，從而導致其強度降低.總的來說，在本次研究的水泥摻量下，存在一個最優(yōu)摻砂量20%，使鐵尾礦砂水泥土的抗壓強度最高.

圖4 鐵尾礦砂與水泥土強度的關系

2.2 鐵尾礦砂水泥土強度增強效應分析

鐵尾礦砂水泥土的強度主要由水泥水化效應產(chǎn)生的強度及鐵尾礦砂填充效應產(chǎn)生的強度共同耦合而來.為分析單一效應對水泥復合土強度的影響，采用比強度及強度貢獻率[19]來表征水泥水化效應及填充效應對水泥復合土的強度貢獻.首先，定義1%的單位摻料對水泥土的強度貢獻稱為水泥土中該摻料的比強度.其公式如下.

K=U/R

(3)

式中：K表示水泥土中某摻合料的比強度；U表示在某摻合料加入后水泥土的實測抗壓強度，MPa;R為該摻合料質(zhì)量占水泥土的質(zhì)量，%.

當水泥土中僅有水泥摻合料時，其強度由水泥水化效應提供，此時可以通過式(4)計算出水泥復合土中水泥水化效應比強度；當水泥復合土中存在水泥及鐵尾礦砂兩種摻合料時，水泥復合土的強度主要由水泥水化效應產(chǎn)生的強度和鐵尾礦砂填充效應產(chǎn)生的強度共同構(gòu)成.此時，可以通過式(5)、(6)、(7)計算出鐵尾礦砂填充效應比強度及鐵尾礦砂填充效應占復合效應的強度貢獻百分比，其公式如下.

(4)

(5)

(6)

T(i,j)=ω(i,j)U(i,j)

(7)

式中：KΔi表示i水泥摻量下水泥水化效應比強度，MPa；K(i,j)表示i水泥摻量，j鐵尾礦砂摻量下，鐵尾礦砂填充效應比強度，MPa，i=8、12、16、20，j=10、20、30、40；UΔi表示水化效應作用時，水泥土的實測抗壓強度，MPa；U(i,j)表示復合效應作用時，水泥復合土的實測抗壓強度，MPa；Ri表示i水泥摻量時，水泥質(zhì)量占水泥土的總質(zhì)量，%；Rj表示j鐵尾礦砂摻量下，鐵尾礦砂質(zhì)量占水泥復合土的質(zhì)量，%；其值列于表3；ω(i,j)為鐵尾礦砂填充效應強度貢獻率，%；T(i,j)為鐵尾礦砂填充效應的強度貢獻值；

以8%水泥摻量，10%鐵尾礦砂摻量為例，其計算示例如表6所示，其余計算結(jié)果見表7及表8.

表6 鐵尾礦砂水泥復合土各指標計算示例

表7 水泥復合土中水化效應及填充效應比強度

表8 水泥復合土中填充效應強度貢獻率及強度貢獻值

由圖5和表7可以看出，隨著水泥摻量的增加，水泥水化效應比強度呈不斷減小趨勢，這說明在本次研究的水泥摻量范圍內(nèi)，單位水泥水化效應對水泥土的強度貢獻正在減小，同時也可以看出當水泥摻量達到一定程度時，繼續(xù)增加水泥摻量，其強度雖然有所提高，但其單位強度的增長卻在減小，水泥的經(jīng)濟效益大大被削弱.

圖5 水泥摻量與水化效應比強度關系曲線

圖6、圖7為鐵尾礦砂填充效應比強度及強度貢獻率.從圖中可以看出，鐵尾礦砂在10%到20%時，對水泥復合土的強度貢獻呈正相關，且有增大的趨勢.而鐵尾礦砂在30%到40%時，只有在高水泥摻量(16%～20%)下，其強度貢獻率為正相關，而在低水泥摻量(8%～12%)時，其強度貢獻率為負相關.究其原因，可能與水泥復合土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形成有關，當水泥摻量較低時，水泥的水化作用較低，此時加入適量鐵尾礦砂可以有效填充復合土顆粒之間的孔隙，從而提高水泥土的強度，但當鐵尾礦砂過多時，過量的鐵尾礦砂處于游離松散狀態(tài)，反而會使水泥復合土的強度降低.當水泥摻量較高時，一部分水化產(chǎn)物與土顆粒形成膠結(jié)混合體，多余的水化產(chǎn)物則會與硬度很大的鐵尾礦砂膠結(jié)，形成一系列膠結(jié)體，同時，水泥水化產(chǎn)物會還會形成水泥石硬凝骨架，這種骨架需要大量的鐵尾礦砂來填充.此時，即使在高鐵尾礦砂摻量下，其對水泥復合土的貢獻仍為正值.

圖6 鐵尾礦砂摻量與填充效應比強度關系

圖7 鐵尾礦砂對水泥復合土的強度貢獻率以及強度貢獻值

綜上所述，可以把鐵尾礦砂水泥土的強度貢獻分為以下幾個階段：水泥水化效應主要貢獻階段、鐵尾礦砂和水泥共同貢獻階段以及鐵尾礦砂填充效應主要貢獻階段.具體表現(xiàn)為：當水泥摻量處于8%到12%時，水泥復合土的強度主要是由水泥水化效應所提供，此時，加入少量鐵尾礦砂有益于其強度提升，過多的鐵尾礦砂會抑制其強度提升，鐵尾礦砂對水泥復合土的強度貢獻受其摻量影響；當水泥摻量處于12%到16%時，水泥復合土的強度主要來源于水泥與鐵尾礦砂的共同作用，此時鐵尾礦砂對水泥復合土的強度貢獻基本為正值；當水泥摻量處于16%到20%時，任意摻量下的鐵尾礦砂對水泥復合土的強度貢獻都為正值.這種相對強度貢獻可以解釋為：在水泥復合土中，水泥水化效應產(chǎn)生的強度貢獻會隨著水泥摻量的增加呈下降趨勢，此時水泥復合土的強度貢獻主要為鐵尾礦砂的填充作用.

2.3 鐵尾礦砂水泥復合土強度機理分析

鐵尾礦砂水泥復合土的強度主要來源于水泥的水化效應及鐵尾礦砂的填充效應.其中，水泥水化效應會生成一系列水化產(chǎn)物，水化產(chǎn)物會以顆粒的形式存在，一定時間后會膠結(jié)土顆粒以及鐵尾礦砂顆粒，同時，水泥水化物中的鈣離子會與素土中的鉀離子、鈉離子等發(fā)生離子交換作用，使土顆粒之間相互靠近，結(jié)構(gòu)更加致密.此外，水泥水化產(chǎn)物還能吸收空氣中的二氧化碳生成碳酸鈣等較硬的化合物從而提高了水泥復合土的抗壓強度.楊濱[20]還提出水化產(chǎn)物會產(chǎn)生結(jié)晶效應，這種效應構(gòu)成了復合土體的骨架，起著聯(lián)結(jié)水泥、土、鐵尾礦的作用.

鐵尾礦砂填充效應會填充水泥復合土中的孔隙，使土顆粒之間的距離靠近，加強復合土體之間的聯(lián)結(jié)作用[21].由于鐵尾礦砂表面凹凸不平，顆粒之間的摩擦力也會間接抵抗外力的變形，從而增加了復合土體的抗壓強度，又因為鐵尾礦砂中存在大量的二氧化硅以及氧化鋁等金屬礦物，這些金屬礦物會在氫氧化鈣等堿性條件下發(fā)生少量水化反應及火山灰反應，生成水化硅酸鈣以及水化鋁酸鈣等產(chǎn)物，使水泥復合土的強度提高，但是大量的研究表明[22-24]，鐵尾礦砂中存在的金屬礦物為低活性石英礦砂，這些金屬礦物活性較低，只有在大量的堿性條件、高溫作用以及長齡期下才可能大量發(fā)生反應.綜上所述：鐵尾礦砂對水泥土的增強作用為顆粒填充作用、土體的置換作用、顆粒間的摩擦作用以及少量水化及火山灰反應的綜合增強作用.

3 結(jié)論

(1)在水泥摻量8%～20%范圍內(nèi)，隨著水泥摻量的增加，水泥土的抗壓強度呈線性增長，水泥摻量對水泥土的強度影響顯著；

(2)在鐵尾礦砂摻量0%～40%范圍內(nèi)，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，水泥土的抗壓強度呈先增加后減小的趨勢，摻砂量為20%時，水泥土的抗壓強度最大，其最大強度在2.29～3.89 MPa之間；

(3)水泥水化效應對水泥土的強度貢獻會隨著水泥摻量的增加越來越?。昏F尾礦砂填充效應對水泥復合土的強度貢獻在高水泥摻量時表現(xiàn)的更為明顯；

(4)從不同角度分析了鐵尾礦砂水泥土的固化機理，指出其強度主要來源于水泥的水化效應以及鐵尾礦砂的填充效應.