海水侵蚀下复掺矿粉和镍铁渣粉的水泥土力学性能分析

蔡隆文 刘同 陈峰

摘 要：【目的】研究地基处理采用的水泥土在海水侵蚀环境影响下的力学性能，为沿海地区地基处理工程提供技术支持。【方法】将复合镍铁渣粉以等质量替代的方式掺入到水泥土中，通过无侧限抗压强度试验，进行抗侵蚀系数分析。【结果】海洋环境对水泥土的强度具有劣化作用，而掺入复合镍铁渣粉能提升水泥土的强度性能，缓解海洋环境对其强度的劣化作用。【结论】复合镍铁渣粉能起到微集料效应、形貌效应和活性效应，提升水泥土的密实程度，对水泥土的性能产生有利影响。

关键词：复合镍铁渣粉；水泥土；抗压强度；海洋环境

中图分类号：TU41                  文献标志码：A                 文章編号：1003-5168（2023）14-0082-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.016

Analysis on Strength Property of Cemented Soil with Additions of Compound Ferronickel Slag Powder in Marine Environment

CAI Longwen1 LIU Tong1 CHEN Feng2

（1.Research and Development Center of Transport Industry of New Materials， Technologies Application for Highway Construction and Maintenance of Offshore Areas （ Fujian Communications Planning & Design Institute Co.， Ltd）， Fuzhou 350004， China; 2.College of Engineering， Fujian Jiangxia University， Fuzhou 350108，China）

Abstracts： [Purposes] This paper aims to study the strength property of cement-soil used in foundation treatment under the influence of marine environment， which can provide technical support for foundation treatment projects in coastal areas. [Methods] The same quality of compound ferronickel slag powder instead of cement is mixed into soil-cement. Through unconfined compressive strength test， the anti-erosion coefficient is analyzed. [Findings] The marine environment had bad influences on the strength of soil-cement， and the addition of compound ferronickel slag powder can enhance the strength of soil-cement， and the deterioration of the strength of soil-cement is reduced. [Conclusions] The compound ferronickel slag powder has micro-aggregate effect， morphological effect and activation effect， which not only improves compaction rate of soil-cement， prevents invasion of erosive ions in marine environment， but also has positive effects on performance of soil-cement.

Keywords： compound ferronickel slag powder; cemented soil; compressive strength; marine environment

0 引言

水泥土主要是由土、水泥、水和外加剂等物质按一定比例混合而成的复合材料［1］。水泥土凭借因地制宜、就地取材、施工灵活和低渗透性等特性［2］，在工程中得到广泛应用，并取得显著效果。Daraei等［3］利用水泥土搅拌法加固公路边坡，并对加固后公路边坡的稳定性进行研究。水泥土的龄期、养护条件、施工工艺等都对水泥土强度产生一定的影响，已经有许多学者对其进行了充分研究［4-5］。近年来，随着工程建设技术的快速发展，现代海洋开发的可持续发展战略越来越受到重视。同时，水泥土在海岸工程、海岛工程和海底隧道等海洋岩土工程的应用中发挥了不可替代的作用。由于在海洋环境场地条件中存在大量对水泥土具有腐蚀性的侵蚀离子，因此水泥土在工程中的安全使用和耐久性越来越受到学者们的重视。Pham等［6］研究了海洋环境中的硫酸盐对水泥土柱的劣化影响。Shihata 等［7］研究了水泥土长时间暴露在含有盐渍离子的地下水中侵蚀离子对水泥土的耐久性和抗压强度的影响。

在水泥土中掺入特定的外加剂，不仅能提升水泥土的力学性能和耐久性能，而且能取得良好的经济效益。目前，常见的水泥土外加剂主要有苛性钠、硫酸盐、氯化钙、纤维、粉煤灰、矿粉和纳米硅粉等。陈峰［8］的研究结果表明，在水泥土中掺入适量的玄武岩纤维能提升水泥土的力学性能。Meng等［9］研究了在海洋环境中复合纳米碳酸钙对水泥土的强度及微观结构的影响，并得到海洋环境对水泥土的强度和耐久性有很大影响的结论。Kalantari等［10］的研究表明硅粉能提升水泥土的强度和承载力。

镍铁渣是冶炼镍合金时排放的工业固体废渣，若该废渣处理不当会对环境造成严重污染。目前，已有学者开始把镍铁渣应用于水泥的制作和合成材料［11］等方面的研究中。镍铁渣粉具有潜在活性、价格低廉和耐久性等优点［12］。如果能把镍铁渣碾磨成粉，并将它应用于水泥土材料中，这不仅能有效消纳镍铁废渣，还能降低工程的建设成本。本研究通过在水泥土中掺入镍铁渣粉-矿粉复合掺和料，对比分析清水环境和海洋环境下水泥土的力学性能差异。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

主要试验材料为土、水泥、水和复合镍铁渣粉。土料取自福建省福州市某地铁站的基坑内的淤泥，pH值为6.82，土壤的基本物理力学指标见表1。水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，该水泥质量符合《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）的相关标准。试验用水为福州市自来水经提纯后的纯水。镍铁渣粉虽然价格低廉，但它的化学活性相对水泥较低。为了克服这一缺点，在镍铁渣粉中掺入化学活性较高的矿粉。镍铁渣粉质量与矿粉质量之比为2∶1。

1.2 试验方案

1.2.1 强度试验。本试验参考《水泥土配合比设计规程》（JGJT 233—2011），进行水泥土无侧限抗压强度试验，以此研究水泥土的强度性能。试验研究采用尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的标准立方体试样，试验所用装置为MTS landmark 370.25试验机。

本研究选用水泥土的水灰比值为0.5，胶凝材料的掺入比例为15%。试验中复合镍铁渣粉以等质量替代水泥质量的方式掺入到水泥土中。复合镍铁渣粉的掺入比例为0%、10%、20%、30%、40%和50%。试验中有两种养护环境，分别为清水环境和海洋环境，养护龄期分别为7 d、28 d、60 d和90 d。海洋环境用水根据《制盐工业手册》人工配制得到，人工海水的主要盐类含量见表2。

水泥土的无侧限抗压强度的计算公式见式（1）。

fu= [pA] （1）

式中：p为试样的破坏荷载，N；A为试样与夹具接触的受压面积，mm2；fu为无侧限抗压强度，MPa，精确至0.01 MPa。

1.2.2 抗侵蚀性分析。海水中的盐渍离子对水泥土具有侵蚀作用，本研究参考《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》（GB/T 749—2008）中水泥抗蚀性能的评价指标，设计出适合评价水泥土的抗海洋环境侵蚀性能的评价方法。在对比分析清水环境和海洋环境中水泥土强度差异的基础上，对水泥土抗环境侵蚀性能进行研究，得到抗侵蚀系数KT，见式（2）。

KT = [海洋环境下水泥土T时的抗压强度清水环境下水泥土T时的抗压强度] （2）

式中：KT为水泥土的抗侵蚀系数，精确至0.001；T为水养浸泡时间。

2 试验结果

2.1 复合镍铁渣粉掺量与强度的关系

清水环境和海洋环境下水泥土的强度试验结果分别如图1和图2所示。镍铁渣粉水泥土无论是在清水环境中还是在海洋环境中，其强度的定基增长率均随着镍铁渣粉掺量的增加而增长。7 d龄期时，水泥土的强度低，强度随着镍铁渣粉掺量增加的增长趋势缓慢。28 d龄期时，水泥土强度整体上升趋势增幅较大，镍铁渣粉掺量20%～40%区间时的强度增幅会大于0%～20%的强度增幅，而镍铁渣粉掺量40%～50%区间时水泥土强度的增长趋势略有放缓。相比于早龄期60 d和90 d时，水泥土强度—镍铁渣粉掺量关系曲线的增长趋势大幅上升，镍铁渣粉掺量在20%～40%区间时尤为明显。因此，掺入镍铁渣粉能提升水泥土的强度性能，且其强度性能会随掺量的增加呈现增长趋势。

为了较直观地对比分析不同环境下水泥土强度变化的异同点，绘制出清水环境和海水环境水泥土强度的对比曲线，如图3所示。同时，为了更好地分析镍铁渣粉掺入量对水泥土强度的增强效果及发展程度，本研究将以环比的方式对镍铁渣粉水泥土的强度进行等步逐期对比分析。

①7 d龄期时，海洋环境与清水环境两条强度曲线的增长趋势基本一致，但海洋环境水泥土的强度曲线始终略低于清水环境的强度曲线，这表明7 d龄期时海洋环境对镍铁渣粉水泥土的强度有不良影响。清水環境镍铁渣粉掺量0%～50%的5组水泥土的环比增长率分别为1.9%、9.3%、5.1%、37.6%和-1.0%，海洋环境下5组水泥土的环比增长率分别为20.7%、7.4%、11.9%、34.2%、1.0%，这也表明掺入复合镍铁渣粉对水泥土强度是有利的。

②28 d龄期时，在相同复合镍铁渣粉掺量条件下，海洋环境下水泥土强度比清水环境下的强度有较明显的下降，且掺和料掺量低的强度下降幅度会略大于掺量高的情况。这表明28 d龄期时镍铁渣粉对水泥土的强度发挥了较大的作用，使水泥土的强度得以增强。该龄期时海洋环境的不利影响程度也开始增强，导致海洋环境下水泥土强度比清水环境下的水泥土强度降低明显。清水环境下5组水泥土的环比增长率分别为6.3%、11.1%、19.8%、20.4%和14.2%，海洋环境下5组水泥土的环比增长率分别为6.4%、12.4%、21.1%、22.5%和11.3%。所有的环比增长率都是正值，且水泥土强度环比增长率随着掺和料掺量的增加呈现先上升后下降的发展趋势。同时，镍铁渣粉掺量40%的强度环比增长速度最快，说明对水泥土强度增长效果较为有利的复合镍铁渣粉的掺量较优值为40%。

③60 d和90 d龄期时，同样水泥土强度随镍铁渣粉掺量的增加会有大幅度提升。水泥土中水泥的水化作用趋于稳定，而镍铁渣粉的化学活性对强度的发展有明显作用。清水环境与海洋环境下水泥土的强度发展曲线已经有了较明显的差异，即复合镍铁渣粉掺量低时两种环境下水泥土强度差值较大。

2.2 水泥土的抗侵蚀系数

7 d龄期时水泥土中水泥的水化作用强烈，海洋环境中的侵蚀离子对水泥土强度的侵蚀劣化作用远小于其自身的固化作用。此时，水泥土的强度得到较快增长，但其强度发展并不稳定，水泥土的抗侵蚀系数K7不能很好地评价水泥土抗海洋环境侵蚀的性能，因此本研究不将其作为评定指标。

由水泥土强度发展规律可知，28 d龄期后水泥土的强度还能持续增长，且海洋环境对水泥土强度的影响表现得更为明显。因此，本研究采用28 d龄期后的抗侵蚀系数K28、K60和K90作为评定指标。同时，根据式（2）的意义，本研究认为在相同龄期下水泥土的抗侵蚀系数越接近1，其抗海洋环境侵蚀性能越好。28 d、60 d和90 d龄期时的抗侵蚀系数如图4所示。从图4中可以看出，在28 d龄期时，水泥土的抗侵蚀系数KT值都在0.9以上且差值较小，随着侵蚀龄期的增加，抗侵蚀系数呈现出不同程度的下降趋势，未掺掺和料的水泥土抗侵蚀系数下降速度最快，这表明未掺镍铁渣粉的水泥土的抗海洋环境侵蚀性能比掺镍铁渣粉水泥土的差。对比掺有镍铁渣粉的水泥土，显然镍铁渣粉掺量低时其抗侵蚀系数KT下降得快，镍铁渣粉掺量小于20%时KT的下降速度明显快于掺量大于20%时的下降速度，当镍铁渣粉掺量为50%时其抗侵蚀系数的下降幅度略有减小。同时可以看出，K28、K60和K90随镍铁渣粉掺量变化的规律整体上呈先上升后下降的趋势，这说明水泥土的抗海洋环境侵蚀性能会随着镍铁渣粉掺量的增加而提升，但这种趋势并不会无限增长。当镍铁渣粉掺量超过40%时其抗海洋环境侵蚀性能略呈下降趋势，因此水泥土中存在一个抗侵蚀性能较优的掺量值，且该掺量值为40%。

3 结论

通过本研究可以得到以下几个结论。

①水泥土中掺入一定量的复合镍铁渣粉对其强度性能是有利的，并且随着掺和料掺入量的增加其强度呈增长趋势。当复合镍铁渣粉的掺入量达到40%后，水泥土强度增长的速度开始减小。

②海洋环境对水泥土的强度产生不利影响。掺入复合镍铁渣粉后，能减缓海洋环境对水泥土强度的劣化作用。在海洋环境下对水泥土最为有利的掺和料掺量为40%。

③复合镍铁渣粉水泥土的抗侵蚀系数具有时间效应，28 d龄期后的抗侵蚀系数KT能较好地判别水泥土的抗侵蚀能力。水泥土抗侵蚀系数的值越趋近于1，水泥土的抗侵蚀性能越好。本研究得出抗侵蚀性能较好的掺和料掺入值为40%。

参考文献：

［1］DUAN X L，ZHANG J S.Mechanical properties， failure mode， and microstructure of soil-cement modified with fly ash and polypropylene fiber［J］.Advances in Materials Science and Engineering，2019，2019：1-13.

［2］BRUCE D A. An introduction to the deep soil mixing methods as used in geotechnical applications［J］. European Journal of Organic Chemistry，2000，578（1）：94-100.

［3］DARAEI A，HERKI B M A，SHERWANI A F H，et al. Slope stability in swelling soils using cement grout： a case study［J］. International Journal of Geosynthetics and Ground Engineering， 2018，4（1）：1-10.

［4］陈瑞生，蔡荣坤.水泥土无侧限抗压强度的影响因素分析［J］.中外公路， 2005，25（2）：140-142.

［5］嵇晓雷，朱逢斌.水泥土无侧限抗压强度室内试验研究［J］.四川建筑科学研究，2011，37（5）：146-148.

［6］PHAM V N，TURNER B，HUANG J，et al. Long-term strength of soil-cement columns in coastal areas［J］. Soils and Foundations，2017，57（4）：645-654.

［7］SHIHATA S A，BAGHDADI Z A. Long-term strength and durability of soil cement［J］. Journal of Materials in Civil Engineering，2001，13（3）：161-165.

［8］陈峰.玄武岩纤维水泥土抗拉性能试验研究［J］. 深圳大学学报（理工版）， 2016，33（2）：188-193.

［9］MENG T，QIANG Y J，HU A F，et al. Effect of compound nano-CaCO3 addition on strength development and microstructure of cement-stabilized soil in the marine environment［J］. Construction and Building Materials，2017，151：775-781.

［10］KALANTARI B，PRASAD A，HUAT B B K. Cement and silica fume treated columns to improve peat ground［J］. Arabian Journal for Science and Engineering，2013，38（4）：805-816.

［11］KATSIOTIS N S，TSAKIRIDIS P E，VELISS ARIOU D，et al. Utilization of ferronickel slag as additive in portland cement： a hydration leaching study［J］. Waste and Biomass Valorization， 2015，6（2）：177-189.

［12］李浩，楊鼎宜，沈武，等.掺镍渣对混凝土耐磨性能的影响研究［J］.硅酸盐通报，2015，34（11）：3122-3128.