镍铁渣-黏土改性土承载特性试验研究*

王书勤，尹平保，贺炜，邹敏，陈彦虎，王泽华

(1.长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙 410114；2.长沙理工大学 特殊环境道路工程湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114；3.广东广青金属科技有限公司，广东 阳江 529533)

中国是镍铁渣储量大国。目前对镍铁渣的处理以堆存或填埋为主，造成大量耕地被占用、地下水污染和资源浪费，需加强对镍铁渣的综合利用。刘龙武等利用静态图像法和筛分法分析了镍铁渣的级配特征。刘云等借助XRD和SEM，从微观角度证实了富镁镍渣制备地质聚合物的可行性。付海峰等发现将镍铁渣用作水泥中部分集料，能有效提高水泥胶砂的强度。李琦等利用高MgO镍铁渣研制了性能良好的轻质耐火材料。此外，还有将镍铁渣用于陶粒、肥料等领域的报道，但利用率较低，镍铁渣的大量处置迫在眉睫。道路工程建设中需要大量填土或砂石材料，将垃圾炉渣、硅锰渣和钢渣等工业废渣作为路基土已取得了较多研究成果和工程经验。若能将镍铁渣用于路基修筑，将扩大镍铁渣应用范围，进一步解决镍铁渣综合利用和保护环境等问题。

关于固体废弃物的改良，一些学者开展了相关研究。如王士革等通过室内试验，分析了钢渣掺入比、粒径大小对石灰-钢渣混合料承载特性的影响；高朋等通过电石渣-粉煤灰稳定土的无侧限抗压强度试验，获得了电石渣-粉煤灰的最优配比；程涛等对比分析了粉煤灰、煤矸石、钢渣和炉渣等石灰渣稳定土的力学特性。但关于镍铁渣承载特性和体积膨胀特性的研究很少。鉴于此，该文将镍铁渣和黏土混合制作不同配比和压实度的镍铁渣-黏土改性土试样进行加州承载比(CBR)试验，研究其干密度-含水率、单位压力-贯入量和浸水膨胀率的变化规律，进而分析配比和压实度对改性土承载特性和膨胀特性的影响机理。

1 试验方法

1.1 试验材料

镍铁渣取自广东广青金属科技有限公司经回转窑-矿热炉工艺产生的镍铁水淬渣，偏黑色(见图1)，其主要化学成分见表1。黏土取自广东阳江某工地，其基本物理性质见表2。2种材料的颗粒级配见图2。

图1 镍铁渣

表1 镍铁渣的主要化学成分

表2 黏土的基本物理指标

图2 试验材料的颗粒级配曲线

1.2 试样制备

采用质量控制压实度法，按式(1)计算不同压实度下每个镍铁渣-黏土改性土试样所需镍铁渣和黏土的总质量m。

m=kρdmax(1+w)V

(1)

式中：k为目标压实度，k=ρd/ρdmax；ρd为试样目标压实度所对应的干密度(g/cm3)；ρdmax为土样最大干密度；w为含水率；V为试样的体积。

试样制备依据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》进行，流程如下：先将足量的镍铁渣和黏土烘干，采用5 mm筛筛分；根据表3所示配比称取相应质量的试验材料充分拌合；依照配比中各自最优含水率掺水拌合均匀，闷料1 h；最后把称量好的混合料分3层击实至试筒满为止，每层击实50次，制成直径为152 mm、高度为120 mm的试样。

表3 镍铁渣-黏土改性土的击实结果

通过重型击实试验得出不同配比下改性土试样的最大干密度和最优含水率(见表3)。

1.3 试验方案

为探究镍铁渣-黏土改性土中镍铁渣与黏土掺量、压实度对其承载特性和体积膨胀特性的影响，按表4所示方案进行CBR试验。试验前把试样放入水槽中浸水4 d，每组试验制作2个平行试样进行贯入度试验，测试其CBR值。路面强度试验仪转速为1 mm/min，量力环系数为98.4 N/(0.01 mm)，贯入杆面积为0.001 963 5 m2，测力计与位移计均为百分表。记录测力计内百分表读数为50×10-2mm的整数倍数贯入量，当试样贯入量为550×10-2mm时终止试验。

表4 镍铁渣-黏土改性土CBR试验方案

1.4 试验过程

加州承载比CBR是评价路基土承载力的重要指标，它为试样贯入量l为2.5 mm时单位压力与标准碎石压入相同贯入量时标准荷载强度的比值，按式(2)计算。同时按式(3)计算l=5 mm时的承载比，若CBR2.5 mm

2.热锅放油，放入肉片、花椒面、葱花翻炒至5成熟，然后放入胡萝卜片、生抽，继续翻炒至胡萝卜断生，然后加入清水炖煮2分钟。

CBR2.5=p/7 000×100

(2)

CBR5.0=p/10 500×100

(3)

式中：p为单位压力(kPa)。

根据CBR浸水试验实测试样高度变化量，按下式计算浸水膨胀率γ：

γ=(d1-d0)/h×100

(4)

式中：d1为浸水4 d后试件上百分表的最终读数(mm)；d0为浸水前试件上百分表的初始读数(mm)；h为原试件高度，h=120 mm。

2 试验结果分析

2.1 击实试验结果分析

根据JTG 3430—2020《公路土工试验规程》，分别对5种镍铁渣-黏土改性土进行击实，得到图3所示击实曲线。图4为最大干密度ρdmax与镍铁渣掺入比az关系曲线。

图3 镍铁渣-黏土改性土击实曲线

图4 最大干密度与镍铁渣掺入比的关系曲线

由图3可知：纯镍铁渣无明显最大干密度和最佳含水率，其压实度较差，相对来说，含水率为2%时干密度最大，为1.82 g/cm3；对于镍铁渣-黏土改性土试样，镍铁渣掺入比az为80%、75%、70%、65%、60%时，对应最大干密度ρdmax分别为2.04 g/cm3、2.10 g/cm3、2.13 g/cm3、2.18 g/cm3、2.15 g/cm3。总体来说，掺配黏土可有效提高压实后土体干密度,这是由于掺入黏土混合后能形成级配良好的镍铁渣-黏土改性土，其更容易压实。

由图4可知：对于镍铁渣掺入比az为80%、75%、70%、65%、60%的改性土试样，后者与前者相比，最大干密度变化幅度分别为2.9%、1.4%、2.3%、-1.4%，镍铁渣-黏土改性土的最大干密度随着az的减小先增大后减小，az为65%时最大干密度达到峰值，约为2.18 g/cm3。az>65%时，az每减小5.0%，最大干密度约增加2.2%；az<65%时，az每减小5.0%，最大干密度约减小1.4%。这是由于黏土掺入体积低于颗粒间孔隙时，增加黏土，可有效填充镍铁渣颗粒之间的孔隙，从而改善镍铁渣的颗粒级配，干密度增大；黏土掺入体积超出孔隙后，由于黏土比重比镍铁渣小，多出的黏土等质量替换镍铁渣，试样体积变大，干密度变小，导致最大干密度随黏土增多而减小。

2.2 CBR试验结果分析

图5为压实度为90%、93%、96%时不同配比下镍铁渣-黏土改性土试样的p-l曲线。计算发现l为2.5 mm时的CBR值小于l为5 mm时的CBR值，取l为5.0 mm时的CBR值作为试验结果。图6、图7为CBR值与配比和压实度的关系曲线。

图5 不同配比下镍铁渣改性土p-l曲线

图6 CBR值与配比的关系

图7 CBR值与压实度关系

由图5可知：在不同配比和压实度下，镍铁渣-黏土改性土试样的单位压力与贯入量呈线性增长的发展规律。

由图6可知：压实度一定时，镍铁渣-黏土改性土的CBR值随镍铁渣掺入比az的减小先增大后减小，az从80%减小至65%时，镍铁渣-黏土改性土的CBR值平均提高90%。az为70%、65%、60%时，后者与前者相比，CBR值平均变化幅度分别为6.4%、-12.1%，az为60%改性土的CBR值小于az为70%改性土的CBR值。az从65%变化到60%时，黏土含量增加，在压实中镍铁渣颗粒之间的咬合力降低，试样受到外界影响变大，承载力减小。

由图7可知：az相同时，镍铁渣-黏土改性土的CBR值随压实度增加近似呈线性关系增大，压实度从90%增至96%时，az为60%、65%、70%、75%、80%改性土的CBR值分别增加13.8%、13.4%、13.6%、11.3%、4.8%，az为60%改性土的增幅最大，约为40%。相对来说，压实度对az为80%改性土的影响较小。另外，镍铁渣-黏土改性土的压实度大于90%时，其CBR值均大于8%，经黏土改性后镍铁渣的承载力良好，满足规范要求。

2.3 浸水试验结果分析

通过CBR浸水试验研究不同镍铁渣掺入比和压实度时镍铁渣-黏土改性土的浸水膨胀率，试验结果见图8。

图8 不同试验条件下镍铁渣-黏土改性土的膨胀率

由图8可知：镍铁渣-黏土改性土的浸水膨胀率为0.01～0.42，均小于路基规范限值2%，说明不论镍铁渣掺入比和压实度如何，镍铁渣-黏土改性土的稳定性都较好，可用作路基填料。

3 镍铁渣环境可行性分析

镍铁渣中含有Ni、Cr、Cd等重金属元素，工程应用时需考虑重金属元素对周围土壤、地下水及生物生命安全的影响。根据HJ/T 299—2007《固体废物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》进行镍铁渣浸出毒性分析，结果见表5。

表5 镍铁渣浸出液试验结果

由表5可知：镍铁渣浸出液中有害物质最大检测值低于毒性鉴别标准值，表明镍铁渣为一般工业固体废渣，不属于危险废弃物，可直接作为路基掺合料加以应用。

另外，镍铁渣浸出液呈弱碱性状态(pH值=9)，其浸出液不会对周围土壤造成腐蚀危害。

4 结论

(1) 镍铁渣-黏土改性土的最大干密度随镍铁渣掺入比减小先增大后减小，镍铁渣掺入比为65%时，最大干密度达到峰值，约为2.18 g/cm3。

(2) 相同压实度下，镍铁渣-黏土改性土的CBR值随镍铁渣掺入比减小先增大后减小；随压实度增加，镍铁渣-黏土改性土的CBR值近似呈线性增长，增长幅度为40%。不论镍铁渣掺入比和压实度如何，镍铁渣-黏土改性土的承载力和浸水膨胀率均满足路基规范要求。

(3) 镍铁渣材料为一般工业固体废渣，且不会对周围土壤造成腐蚀危害，可直接作为路基掺合料加以应用。