早齡期鎳鐵渣粉水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)研究

柯 開 展

(福建省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司， 福建 福州 350028)

水泥土是指在原狀土或經(jīng)搗碎后的土樣中摻入水泥、水、外摻劑等物質(zhì)后將其攪拌均勻，然后再經(jīng)過一定養(yǎng)護(hù)時(shí)間形成的一種與原狀土相比在整體性、堅(jiān)固性、水穩(wěn)定性等都大大提高的土木工程材料。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的快速進(jìn)行，水泥土憑借其優(yōu)良的性能在工程建設(shè)中的運(yùn)用變的越來越廣，特別是在地基處理、渠道防滲、基坑圍護(hù)、軟土加固等方面已經(jīng)有了很成熟的運(yùn)用。水泥土在工程領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用激起了學(xué)術(shù)領(lǐng)域中眾多專家學(xué)者的興趣，并且多年來已經(jīng)取得了豐碩的研究成果[1-4]。黃鶴等[5]人研究了水泥摻量對(duì)水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。張家柱等[6]通過試驗(yàn)研究了水泥土的抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角隨水泥摻量和齡期變化的影響。張明等[7]和梁仁旺等[8]研究了將粉煤灰摻入到水泥土中對(duì)其強(qiáng)度和抗?jié)B性能的影響。王文軍等[9]對(duì)納米硅粉的固化機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Kaniraj S R等[10]建立了強(qiáng)度與齡期、水泥用量和粉煤灰用量之間的函數(shù)關(guān)系。Ismail M A等[11]通過三軸試驗(yàn)研究不同種類水泥對(duì)固化土抗剪性能的影響。張偉鋒等[12]研究分析了粉煤灰的水化及固結(jié)特性。

目前通過將礦物摻和料摻入到水泥土中的研究已經(jīng)取得了很大的成果，但研究成果還主要集中在?；郀t礦渣、粉煤灰、硅灰等摻和料上。鎳鐵渣是鎳冶煉廠和不銹鋼冶煉廠排放的一種工業(yè)廢渣[13]，通過將鎳鐵渣研磨后形成的鎳鐵渣粉也是一種具有活性的礦物摻和料。Dourdounis E等[14]采用細(xì)磨后的鎳鐵渣制備高鋁水泥。樊佳磊等[15]通過試驗(yàn)生產(chǎn)出了高標(biāo)號(hào)水泥熟料。因此，本文通過將鎳鐵渣粉摻入到水泥土中，研究鎳鐵渣粉對(duì)水泥土早期強(qiáng)度的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用材料主要為水泥、淤泥質(zhì)黏土、鎳鐵渣粉和純凈水。淤泥質(zhì)黏土為取自福州大學(xué)城永嘉天地旁地鐵站基坑內(nèi)，土料取出時(shí)為灰黑色，含有少量粉細(xì)砂，取土深度為20 m～21 m。其主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。水泥為福建煉石水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的煉石牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥的3 d和7 d抗壓強(qiáng)度分別為25.7 MPa和46.3 MPa?；瘜W(xué)成分見表2。鎳鐵渣粉為福建源鑫環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的S85級(jí)鎳鐵渣粉，顏色為灰白色，其化學(xué)成分見表3。

1.2 試驗(yàn)方法

本次水泥土的強(qiáng)度試驗(yàn)采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的方法進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)試塊為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，每一配比每一齡期分別制作3個(gè)平行試樣，其配合比見表4，最后取試樣的平均值作為試樣的強(qiáng)度。

表1 土樣的部分物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

表2 煉石水泥化學(xué)成分

表3 鎳鐵渣粉化學(xué)成分

表4 配合比設(shè)計(jì)

試樣制作的主要過程為：將野外取回的擾動(dòng)土烘干搗碎后過2 mm篩，然后按原狀土的含水率稱取一定水和土的重量進(jìn)行混合均勻，再將由水泥、鎳鐵渣粉、水?dāng)嚢瓒傻乃酀{混合料加入拌好的土料中，經(jīng)膠砂攪拌機(jī)至少攪拌5 min鐘后用三聯(lián)模在膠砂振實(shí)臺(tái)振實(shí)成型，最后將成型好的試樣放置標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至一定齡期。

試驗(yàn)所用儀器為MTS Landmark 370.50型疲勞試驗(yàn)機(jī)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度q按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：F為試件破壞的極限壓力，N；A為試塊與承壓板的接觸面積，mm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎳鐵渣粉摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)測(cè)得了鎳鐵渣粉水泥土7 d和28 d的無側(cè)向抗壓強(qiáng)度，見表5。

表5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由表5可知，鎳鐵渣粉水泥土的強(qiáng)度在7 d和28 d齡期均會(huì)隨著鎳鐵渣粉摻量的增加而下降。對(duì)比7 d與28 d不同鎳鐵渣粉摻量所對(duì)應(yīng)水泥土強(qiáng)度連成的曲線可知，7 d齡期的曲線整體斜率要大于28 d齡期的整體斜率。7 d齡期時(shí)，鎳鐵渣粉摻量分別為10%、20%、30%、40%，相對(duì)于基準(zhǔn)水泥土其強(qiáng)度分別下降了20.4%、26.9%、47.2%、60.2%。28 d時(shí)，強(qiáng)度分別下降了3.4%、12%、20%、41.7%。由此說明，在7 d齡期時(shí)，水泥土的強(qiáng)度下降率大。與基準(zhǔn)組相比，其余各組水泥摻量減少，生成的C-S-H凝膠減少；而鎳鐵渣粉水化緩慢，早期生成的C-S-H凝膠少，總的C-S-H少，從而使得水泥土的早期強(qiáng)度會(huì)大幅度降低。綜上分析可知，鎳鐵渣粉對(duì)水泥土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)非常小，也是和其他摻和料一樣在早齡期時(shí)只起到微集料的填充作用，均勻分布在水泥顆粒之間。到28 d齡期時(shí)，不同鎳鐵渣粉水泥土強(qiáng)度的下降率與7 d齡期時(shí)相比已經(jīng)減小了很多，鎳鐵渣粉摻量為10%時(shí)，與基準(zhǔn)組相比，強(qiáng)度只下降了3.4%。因此可以說明，到28 d齡期時(shí)，摻入到水泥土中的鎳鐵渣粉已經(jīng)對(duì)水泥土的強(qiáng)度發(fā)揮一定的作用，從而使摻有鎳鐵渣粉的水泥土強(qiáng)度下降率在慢慢變小。這主要是由于水泥的強(qiáng)度來源于C3S和C2S，其中C3S的水化速度快，鎳鐵渣粉的強(qiáng)度來源玻璃體中SiO2和Ca(OH)2的反應(yīng)，而該反應(yīng)在高堿度條件下反應(yīng)速率較慢，所以導(dǎo)致其早期強(qiáng)度較低。這也是為什么摻有鎳鐵渣粉的水泥土在7 d齡期時(shí)強(qiáng)度下降率大，而到28 d時(shí)，強(qiáng)度的下降率在慢慢減小。

2.2 變形特性

2.2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖1和圖2分別為7 d齡期和28 d齡期不同摻量鎳鐵渣粉水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

從圖可知，7 d齡期當(dāng)鎳鐵渣粉摻量為0%時(shí)，水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以表現(xiàn)出比較明顯的三階段曲線，即線彈性階段、塑性屈服階段和峰值軟化階段。隨著鎳鐵渣粉摻量的增加，其應(yīng)變軟化的性質(zhì)變的越來越不明顯，當(dāng)鎳鐵渣粉摻量為40%時(shí)，水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)出與黏性土比較相似的性質(zhì)，其趨勢(shì)越來越接近應(yīng)變硬化的性質(zhì)。從而也說明了，當(dāng)鎳鐵渣粉摻量為40%時(shí)，水泥土將變的與普通黏性土并無很大區(qū)別，其性質(zhì)更接近于一般黏性土，強(qiáng)度也很低。

圖1 7 d主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

圖2 28 d主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

28 d齡期時(shí)，不同鎳鐵渣粉水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出很明顯的應(yīng)變軟化特性，曲線的峰值應(yīng)力也更加明顯。由此說明，鎳鐵渣粉水泥土28 d齡期時(shí)與一般黏性土存在較大差別，強(qiáng)度已經(jīng)得到了很大的提高。

2.2.2 破壞應(yīng)變

破壞應(yīng)變是衡量水泥土變形特性的重要指標(biāo)之一，破壞應(yīng)變大則其塑性特征明顯，破壞應(yīng)變小則其脆性特征顯著。從表6和圖1、圖2可知，7 d齡期時(shí)，水泥土的破壞應(yīng)變較大，并且隨著鎳鐵渣粉摻量的增加而變大，說明早齡期時(shí)水泥土的塑性特征更加的顯著，從加載到破壞階段會(huì)發(fā)生更大的塑性變形。到28 d齡期時(shí)，水泥土的塑性變形普遍小于7 d齡期，鎳鐵渣粉摻量為40%的水泥土試樣，其破壞應(yīng)變也已經(jīng)下降到1.5%，說明此時(shí)水泥土已經(jīng)具有較大的強(qiáng)度，其破壞主要表現(xiàn)為脆性破壞，見圖3。

表6 破壞應(yīng)變

圖3試件脆性剪切破壞

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

宏觀是微觀的外在表象，微觀是宏觀的內(nèi)在本質(zhì)，水泥土宏觀力學(xué)性能是由其微觀結(jié)構(gòu)所決定的。因此，試驗(yàn)利用SEM分別對(duì)7 d齡期和28 d齡期的水泥土試樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，如圖4和圖5。

圖4 7 d水泥土微觀結(jié)構(gòu)圖5 28 d水泥土微觀結(jié)構(gòu)

從SEM圖片可以看出，7 d齡期時(shí)，水泥土放大2000倍的微觀結(jié)構(gòu)比較疏松，土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)很少，存在較多的孔隙與裂縫，從而使水泥土的整體性降低，宏觀力學(xué)性能較差。到28 d齡期時(shí)，水泥水化生成的C-S-H、C-A-H、Ca(OH)2等膠凝物質(zhì)越來越多，不僅可以將土顆粒膠結(jié)在一起，使得水泥土形成一個(gè)整體性更強(qiáng)的物體，而且膠凝物質(zhì)等還可以填充土顆粒之間存在的孔隙與裂隙，使得水泥土變的更加致密與堅(jiān)硬。如圖5所示，28 d齡期時(shí)的水泥土微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)比7 d齡期時(shí)得水泥土微觀結(jié)構(gòu)變的更致密，孔隙和裂隙也大大減小，整體性更強(qiáng)，所以其宏觀力學(xué)性得到很大的提高。

3 結(jié) 論

本文通過無側(cè)向抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和SEM試驗(yàn)研究得到如下結(jié)論：

(1) 7 d齡期時(shí)，鎳鐵渣粉水泥土的微觀結(jié)構(gòu)疏松，孔隙與裂隙較多，鎳鐵渣粉取代水泥的摻入會(huì)造成水泥土強(qiáng)度的較大下降，鎳鐵渣粉對(duì)水泥土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)非常小，只起到集料的填充作用。

(2) 28 d齡期時(shí)，與7 d齡期相比，鎳鐵渣粉水泥土的微觀結(jié)構(gòu)變的致密，整體性也更好，強(qiáng)度下降率變的更小，水泥土的脆性破壞特征變的非常明顯。

(3) 鎳鐵渣粉的活性較低，特別是在較早齡期的時(shí)候，對(duì)材料的強(qiáng)度貢獻(xiàn)非常小。到28 d齡期時(shí)，其活性才被激發(fā)，開始發(fā)揮對(duì)材料的作用。