镍铁渣粉复合水泥土特性试验及测试结果分析

杨鹏辉，余文洋

(河南交投商罗高速公路有限公司，河南 郑州 450000)

水泥土是道路、水利、铁路等基础工程中常用的材料，由土、水泥和水充分拌和而成，较原状土养生一段时间后强度、稳定性、耐久性等性能均得到提高，且施工简便、价格低廉[1-2]。目前，国内外学者对水泥土性能研究取得了一定的结果，细砂、粉煤灰、矿粉、石灰、硅粉、钢渣、纤维等外加剂掺入水泥土可改善其力学性能，提高其工程性能。马永芹等[3]研究表明水泥土掺砂后结构密实性提高，掺玄武岩纤维可有效承担结构内部拉应力，提高水泥土抗拉压强度。候芮等研究表明水泥土掺铁尾矿砂后力学强度增加较小[4]。蒙强等研究了粉煤灰掺量对水泥土力学强度和变形特性影响规律，当粉煤灰掺量过高时，水泥土发生耦合反应导致试件发生脆性破坏[5]；适量聚丙烯纤维和玄武岩纤维显著提高水泥土物理力学性质[6]。有研究表明，矿粉、粉煤灰具有一定的活性物质，掺入水泥土可改善其强度特性和渗透特性[7-8]；钢渣粉改良水泥土有良好的力学特性，氢氧化钠、硅粉等激发剂可进一步提高钢渣粉水泥土强度和模量[9-10]。

镍铁渣是镍矿冶炼加工后排放的一种工业废渣，按冶炼工艺分为矿热炉镍铁渣和粒化高炉镍铁渣，化学成分以SiO2、Fe2O3为主，具有一定活性[11-12]，在水泥及水泥混凝土方面取得了一定应用；而在水泥土材料工程应用案例较少。有学者将采用磨细的镍铁渣制备水泥[13]；还有研究了镍铁渣粉对水泥混凝土性能影响规律，混凝土力学强度、体积稳定性和耐久性均得到提高[14-15]。为此，结合水泥土和镍铁渣粉特性，研究镍铁渣粉对水泥土工程性能影响，为镍铁渣粉在水泥土材料应用提供数据支撑。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

1.1.1镍铁渣粉

镍铁渣粉选用磨细的粒化高炉镍铁渣，呈灰色，主要化学成分如表1所示；颗粒组成如表2所示。

表1 镍铁渣粉化学成分质量分数Tab.1 Chemical composition mass fractionof ferronickel slag powder

表2 镍铁渣粉颗粒组成Tab.2 Particle composition of ferronickel slag powder

1.1.2土样

土样选用软土，取自某高速公路取土场，取土深度3.0～4.0 m，物理力学性能如表3所示。

表3 土样物理力学性质Tab.3 Physical and mechanical properties of soil sample

1.1.3水泥

水泥选用P·O42.5级普通硅酸盐水泥，技术性能如表4所示。

表4 水泥技术性质Tab.4 Technical properties of cement

1.2 试验方法

研究镍铁渣粉掺量及养生龄期对镍铁渣粉水泥土与水泥土力学特性和水稳定性影响规律，并结合力学强度随龄期增长规律，建立强度增长方程。试验中，拟外掺剂掺量为10%，采用镍铁渣粉等量取代水泥掺量，镍铁渣粉掺量分别为1%、3%、5%、7%；拟养生龄期分别为3、7、14、28、60、90和180 d，干湿循环次数分别为1、3、5、7、9和10次。外掺剂掺量为外掺剂干质量与土样干质量的比值，每组试验采用6个平行试件。

1.3 试件制备及养生

风干土样过5 mm土壤圆孔筛，按最优含水率成型压实度96%的50 mm×50 mm(直径×高)试件。试件制备完成后，用塑料薄膜包裹试件，放入(20±2)℃、相对湿度95%以上的标准养生室，养护至规定龄期。

1.4 性能测试方法

1.4.1力学特性

按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG F40—2009)无侧限抗压强度试验测定镍铁渣粉水泥土与水泥土力学强度。试件达到养生龄期前1 d，从养生室取出一组试件，浸水24 h后测定无侧限抗压强度。试验仪器选用液压伺服万能试验机WAW-50，试验加载速率为1 mm/min。

1.4.2水稳定性

采用水稳系数和干湿残留强度比评价镍铁渣粉水泥土水稳定性。

水稳系数指试件浸水前后无侧限抗压强度的比值，表征试件抗水作用的强度稳定性。水稳系数越高，试件抗水作用的强度稳定性越高，计算公式见式(1)；干湿残留强度比为试件干湿前后无侧限抗压强度的比值，计算公式见式(2)。

η=qu/qu′×100%

(1)

ηwet(n)=quwet(n)/qu′×100%

(2)

式中：η为水稳系数；ηwet(n)为循环n次的干湿残留强度比；qu为浸水后无侧限抗压强度，MPa；qu′为浸水前无侧限抗压强度，MPa；quwet(n)为浸水n次的无侧限抗压强度，MPa。

干湿循环试验中，试件养护至90 d后，从养生室取出试件，选用滤纸和透水石将试件浸润至饱水状态，并置于保湿器中24 h，保证试件含水率均匀；脱湿过程中，试件放于40 ℃干燥箱中，每隔20 min测定试件质量，直至试件含水率达到风干含水率±0.5%，此为干湿循环1次。

2 试验结果与分析

2.1 力学强度

镍铁渣粉水泥土力学强度试验结果如图1所示。

(a)镍铁渣粉掺量-抗压强度关系

从图1可以看出，养生前28 d，水泥土掺入镍铁渣粉后抗压强度降低，随镍铁渣粉掺量增加，水泥土抗压强度呈线性降低，镍铁渣粉增加1%，水泥土抗压强度至少降低6.1%；养生28 d后，1%镍铁渣粉掺量的水泥土抗压强度最高，较未掺镍铁渣粉的水泥土抗压强度提高2.5%以上，且镍铁渣粉水泥土抗压强度与镍铁渣粉掺量呈线性负相关，镍铁渣粉增加1%，水泥土抗压强度降低不超过4.2%，抗压强度降低速率减小。这说明镍铁渣粉较水泥对水泥土强度增长作用偏小，养生初期镍铁渣粉在水泥土中主要填充孔隙，对水泥土强度影响较小；随养生龄期增加，镍铁渣粉活性逐渐激发，水泥土掺入适量的镍铁渣粉后强度提高。另外，在同一镍铁渣粉掺量下，镍铁渣粉水泥土抗压强度与养生龄期曲线呈对数关系，相关系数0.96以上，强度增长方程如表5所示。随养生龄期增加，镍铁渣粉水泥土强度早期强度逐渐提高，且前期抗压强度增长显著，养生龄期28 d后，镍铁渣粉水泥土抗压强度增长速率减缓，在龄期90 d时，镍铁渣粉水泥土抗压强度基本增长至稳定值。这是因为镍铁渣粉水泥土强度主要由水泥水化产物与土粒间物理化学作用组成，在养生初期，水泥水化反应速率快，生成较多的水化硅酸钙等凝胶物质与土粒发生胶接，水泥土强度增长明显；随养生龄期增加，水泥逐渐被消耗，其强度逐渐趋于稳定值。

综上所述，水泥土掺入镍铁渣粉后，抗压强度随镍铁渣粉增加而呈线性降低，且镍铁渣粉水泥土与养生龄期呈对数关系。对此，结合镍铁渣粉水泥土抗压强度增长规律，建立抗压强度增长模型，如式(3)。

qu=a·N·ln(T)+b·N+C·ln(T)+e

(3)

式中：T为养生龄期，d；N为镍铁渣粉掺量，%；a、b、e为拟合值。

2.2 水稳定性

2.2.1水稳系数

镍铁渣粉水泥土水稳定性试验结果如图2所示。

(a)镍铁渣粉掺量-水稳系数关系

从图2可以看出，水泥土掺入镍铁渣粉后水稳系数逐渐降低，抗水破坏作用减小。养生龄期前28 d，镍铁渣粉水泥土水稳系数随镍铁渣粉掺量增加而呈线性减小，且水稳系数减小速率相近，镍铁渣粉掺量增加1%，水泥土水稳系数平均降低2.8%。养生龄期超过28 d，随镍铁渣粉掺量增加，水泥土水稳系数逐渐减小至稳定值，减小速率先增大后降低，水泥土掺1%掺量的镍铁渣粉后水稳系数减小缓慢，较水泥土水稳系数约降低1.4%；镍铁渣粉掺量由3%增至5%，水泥土水稳系数降低较显著，约降低13.1%。另外，在同一镍铁渣粉掺量下，镍铁渣粉水泥土水稳系数与养生龄期关系曲线和镍铁渣粉水泥土抗压强度增长曲线相近，随养生龄期增加，镍铁渣粉水泥土水稳系数呈对数关系增长，水稳系数增长方程如表5所示。在养生前期，镍铁渣粉水泥土水稳系数增长显著，养生龄期超过28 d后，水稳系数增长速率减小，逐渐趋于稳定值。

表5 镍铁渣粉水泥土水稳系数增长方程Tab.5 Growth equation of water stability coefficient of ferronickel slag cement soil

2.2.2干湿残留强度比

镍铁渣粉水泥土干湿残留强度比如图3所示。

(a)镍铁渣粉掺量-干湿残留强度比关系

从图3可以看出，在同一干湿次数下，随镍铁渣粉掺加，水泥土掺入镍铁渣粉后干湿残留强度比降低，且干湿次数增加，镍铁渣粉掺量对水泥土干湿残留强度比降低效果逐渐趋于稳定，当干湿次数超过9次，水泥土掺入7%镍铁渣粉掺量后的干湿残留强度比约降低29.6%。另外，不同镍铁渣粉掺量的水泥土干湿残留强度比变化曲线相近，随干湿次数增加，镍铁渣粉水泥土干湿残留强度比呈线性降低，相关系数0.98以上，干湿次数增加1次，干湿残留强度比约降低5%。

3 结语

通过室内无侧限抗压强度试验和水稳试验，研究了水泥土掺镍铁渣粉后工程性能变化规律。

(1)随镍铁渣粉掺量增加，镍铁渣粉水泥土呈线性降低，养生龄期前28 d，镍铁渣粉增加1%，水泥土抗压强度至少降低6.1%；养生龄期超过28 d，1%镍铁渣粉掺量的水泥土抗压强度最大；

(2)镍铁渣粉水泥土抗压强度与养生龄期曲线呈良好的对数关系，前期抗压强度增长显著，养生龄期28 d后抗压强度增长速率减缓，建立镍铁渣粉水泥土抗压强度增长模型，拟合度高；

(3)水泥土掺入镍铁渣粉后抗水破坏作用减小，养生龄期前28 d，镍铁渣粉掺量增加1%，水泥土水稳系数平均降低2.8%；养生龄期超过28 d，镍铁渣粉掺量由3%增至5%，水泥土水稳系数降低较显著，约降低13.1%；

(4)在同一镍铁渣粉下，随养生龄期增加，镍铁渣粉水泥土水稳系数呈对数关系增长，且水稳系数增长规律与抗压强度增长规律一致，养生龄期超过28 d后，水稳系数增长速率减小，逐渐趋于稳定值；

(5)在同一干湿条件下，随镍铁渣粉掺加，水泥土掺入镍铁渣粉后干湿残留强度比降低；不同镍铁渣粉掺量的水泥土干湿残留强度比随干湿次数增加呈线性趋势降低，干湿次数增加1次，干湿残留强度比约降低5%。