鎳鐵渣粉摻量對於泥固化土的剪切強度影響研究

陳開榮，陳 峰，鄭鋮杰，沈世林

(1.中國電建集團福建工程有限公司，福建 福州 350008；2.福建江夏學(xué)院 工程學(xué)院，福建 福州 350108；3.福州大學(xué) 紫金地質(zhì)與礦業(yè)學(xué)院，福建 福州 350116)

沿海灘涂是一種重要的土地再生資源,對其進行圍墾開發(fā),已成為沿海地區(qū)解決土地緊張、促進經(jīng)濟發(fā)展的重要技術(shù)措施[1-5]。但是灘涂圍墾區(qū)淤泥土屬海相沉積土，具有含水率和壓縮性高、強度和透水性低等特點，工程開發(fā)較為困難[6-8]。所以在電力建設(shè)工程中為適應(yīng)灘涂圍墾區(qū)的工程開發(fā)，常常采取水泥土加固技術(shù)來進行地基處理，然而這種技術(shù)會出現(xiàn)因海水的侵蝕作用導(dǎo)致加固土體的抗剪切強度變低所帶來的固化效果不佳的問題。因此為了提高水泥土的抗剪切強度，國內(nèi)外諸多學(xué)者開展了相關(guān)外摻劑的研究。吳王意等[9]通過直剪試驗，發(fā)現(xiàn)纖維的摻入明顯提高了濱海軟土的黏聚力與內(nèi)摩擦角，從而提高了水泥土的抗剪切強度；Wang等[10]通過在納米MgO改性濱海水泥土直剪試驗研究發(fā)現(xiàn)，納米MgO可以增加水泥土抗剪的強度，當(dāng)納米MgO摻入比為1%時，試樣的抗剪強度達(dá)到最大值；梁仕華等[11]將水洗后的垃圾焚燒飛灰摻入到水泥中，通過三軸固結(jié)不排水試驗，得到了相同水泥摻量下，隨著飛灰含量增加，水泥土的抗剪強度增加的結(jié)論；解邦龍等[12]等采用不固結(jié)不排水三軸剪切試驗分析養(yǎng)護齡期對粉煤灰水泥土的影響，結(jié)果表明：摻入粉煤灰試樣的抗剪強度隨養(yǎng)護齡期的增加逐漸增大且28 d的抗剪強度達(dá)到最大。工業(yè)廢料鎳鐵渣粉同樣作為一種具有潛在活性的摻和料，已經(jīng)有學(xué)者將其摻入到水泥土中來提高水泥土的抗剪切強度[13-15]。然而針對鎳鐵渣粉摻量對灘涂圍墾區(qū)於泥質(zhì)固化土的剪切強度影響研究還是鮮有報道。

因此，本試驗將鎳鐵渣粉和水泥摻入灘涂圍墾區(qū)淤泥土中，對鎳鐵渣粉水泥土進行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗。從而研究水泥土對灘涂圍墾區(qū)進行地基加固處理中，在面對施工進度較快且改良土體的透水性和排水條件較差的工況下其抗剪強度隨鎳鐵渣粉摻量的變化規(guī)律，最終為鎳鐵渣粉在電力建設(shè)工程中為提高灘涂地區(qū)軟基原位加固土體的抗剪切破壞提供試驗依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

(1) 土：本試驗所用土料取自某灘涂圍墾區(qū)內(nèi)，土料為海相沉積層的淤泥土，基本物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 淤泥土基本物理力學(xué)指標(biāo)

(2) 水泥：本試驗采用“楊春山水”牌(P.O42.5)普通硅酸鹽水泥，該水泥質(zhì)量符合《通用硅酸鹽水泥》[16](GB 175—2007)的相關(guān)規(guī)定。

(3) 水：本試驗中配制水泥土所使用的水，均為福州自來水經(jīng)過型號為WP-RO-10B超純水機凈化后的提純水。

(4) 鎳鐵渣粉：為高爐鎳鐵渣粉和?；郀t礦粉混合而成，高爐鎳鐵渣粉與礦粉的質(zhì)量比為2∶1。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗方案

本試驗是按原狀土的含水率(58.5%)配制濕土料，水泥土的水膠比為0.5，膠凝材料的摻入比為15%。具體見式(1)、式(2)、式(3)，試驗方案見表2。其中鎳鐵渣粉取代水泥質(zhì)量比30%為代表10%、20%的試驗組(預(yù)試驗和前人研究成果中10%、20%、30%具有相同的變化趨勢)，45%為規(guī)范[17]礦物摻合料的最大摻量限度，60%為超過規(guī)范[17]中最大限度值45%而設(shè)置的對照組。

(1)

式中：Rwb為水膠比；W為水的質(zhì)量；C為水泥加鎳鐵渣粉的質(zhì)量。

(2)

式中：Rcm為膠凝材料摻入比；m1為水泥的質(zhì)量；m2為濕土的質(zhì)量。

(3)

式中：Rn為鎳鐵渣粉等質(zhì)量取代比；m3為鎳鐵渣粉替代水泥的質(zhì)量；m4為摻入凝膠材料的總質(zhì)量。

1.2.2 試驗儀器與試樣制作

本次試驗采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的應(yīng)變控制式三軸儀，試驗?zāi)＞邽?9.1 mm×80.0 mm的圓柱體。

試樣制作流程為：

(1) 按試驗方案稱取土樣和水后均勻攪拌，制備重塑土。

(2) 按試驗方案稱取水泥、鎳鐵渣粉和水均勻攪拌后，制備水泥漿。

(3) 將水泥漿加入重塑土中攪拌5 min。

(4) 將水泥土分四次加入模具中，每次四分之一且每次加入后振搗60 s以上再進行下一次摻入。

(5) 水泥土振搗成型后，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護24 h。

(6) 養(yǎng)護24 h后，將水泥土拆模、貼上標(biāo)簽后繼續(xù)養(yǎng)護至相應(yīng)齡期。

表2 三軸壓縮試驗方案

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

通過將相同鎳鐵渣粉摻量、相同養(yǎng)護齡期的試件分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa的圍壓下進行三軸試驗，畫出在各條件下的摩爾應(yīng)力圓以及其公切線(其中切線與y軸的截距為黏聚力，公切線的斜率為內(nèi)摩擦角)，得到了鎳鐵渣粉水泥土各試驗組分別在7 d、28 d和60 d齡期的黏聚力和內(nèi)摩擦角，具體見表3所示。

表3 水泥土試件的不固結(jié)不排水剪切強度參數(shù)

2.2 結(jié)果分析

圖1、圖2分別為鎳鐵渣粉摻量與水泥土黏聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系，表4為鎳鐵渣粉淤泥水泥土的黏聚力隨摻量的增長率。

圖1 鎳鐵渣粉摻量與黏聚力的關(guān)系圖

圖2 鎳鐵渣粉摻量與內(nèi)摩擦角的關(guān)系圖

表4 鎳鐵渣粉淤泥水泥土的黏聚力隨摻量的增長率

通過上述數(shù)據(jù)進行分析如下：

(1) 在養(yǎng)護齡期7 d時，鎳鐵渣粉的摻量對水泥土的黏聚力影響相對明顯。當(dāng)鎳鐵渣粉摻量從0%上升到30%時，淤泥水泥土的黏聚力從129.9 kPa升高到179.8 kPa，升高了49.9 kPa，增長率為38.42%；當(dāng)鎳鐵渣粉摻量從30%上升到45%時，淤泥水泥土的黏聚力從179.8 kPa升高到187.2 kPa，升高了7.4 kPa，增長率為4.12%；當(dāng)鎳鐵渣粉摻量從45%上升到60%時，淤泥水泥土的黏聚力從187.2 kPa降低到128.8 kPa，降低了58.4 kPa，增長率為-31.2%。

由此可見，養(yǎng)護齡期7 d時，鎳鐵渣粉的摻量對水泥土三軸抗壓性能的影響主要在于黏聚力。分析其主要原因是水泥土內(nèi)部凝膠物質(zhì)將不同粒徑的顆粒聚合在一起，形成黏聚力，而凝膠物質(zhì)的產(chǎn)生在早齡期階段主要是水泥和鎳鐵渣粉水化反應(yīng)生成了水化產(chǎn)物。此時，鎳鐵渣粉受到齡期和礦粉的影響較少，其活性并未被完全激活，即使在此情況下，水泥土的黏聚力仍然受到鎳鐵渣粉摻量的影響，說明鎳鐵渣粉在早齡期時對水泥土摻量的影響就超過了水泥。與此同時，鎳鐵渣粉也起到作為微集料填充孔隙的作用，其顆粒將水泥土結(jié)構(gòu)中的細(xì)小微孔加以填充，使水泥土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性得到提升。

另外於泥土質(zhì)的鎳鐵渣粉水泥土，其黏聚力都是隨著鎳鐵渣粉摻量的提升呈現(xiàn)單峰趨勢，即在摻量0%至摻量45%范圍內(nèi)先增大，在摻量45%時達(dá)到峰值后又隨摻量的增長而有所下降。由此，可見鎳鐵渣粉摻量并非越多越好，而是存在一個較優(yōu)的摻量區(qū)間。在養(yǎng)護齡期為7 d時，可以通過數(shù)據(jù)分析判斷，其較優(yōu)的摻量區(qū)間在摻量45%左右。

(2) 在養(yǎng)護28 d齡期時，鎳鐵渣粉摻量對水泥土的黏聚力影響進一步增大。當(dāng)鎳鐵渣粉摻量從0%上升到30%時，淤泥水泥土的黏聚力從171.8 kPa升高到243.8 kPa，升高了72 kPa，增長率為41.91%；當(dāng)鎳鐵渣粉摻量從30%上升到45%時，淤泥水泥土的黏聚力從243.8 kPa升高到258.3 kPa，升高了14.5 kPa，增長率為5.95%；當(dāng)鎳鐵渣粉摻量從45%上升到60%時，淤泥水泥土的黏聚力從258.3 kPa降低到200.1 kPa，降低了58.2 kPa，增長率為-22.53%。

在28 d齡期時，礦粉對鎳鐵渣粉的活性激發(fā)能力大大增強了，在礦粉的激活下鎳鐵渣粉參與類似水泥的水化反應(yīng)的能力逐漸顯現(xiàn)出來，生成的水化產(chǎn)物充分的填充了鎳鐵渣粉水泥土的孔隙，將土顆粒更加緊密的膠結(jié)在一起，使結(jié)構(gòu)的致密性、完整性相比7 d齡期得到質(zhì)的提升，大大提升了其黏聚力。而鎳鐵渣粉水泥土的內(nèi)摩擦角變化不大，隨著摻量的提升有一定的提升，但提升的幅度相較于黏聚力并不明顯。

28 d齡期的黏聚力受鎳鐵渣粉影響的趨勢與7 d 齡期時保持一致，即在摻量45%之前先隨摻量增大而增大，摻量45%后隨摻量增大而減小。由此也更能夠說明鎳鐵渣粉摻量為45%時會對水泥土的黏聚力較為有利。

(3) 在養(yǎng)護60 d齡期時，當(dāng)鎳鐵渣粉摻量從0%上升到30%時，淤泥水泥土的黏聚力從203.1 kPa升高到299 kPa，升高了95.9 kPa，增長率為47.22%；當(dāng)鎳鐵渣粉摻量從30%上升到45%時，淤泥水泥土的黏聚力從299 kPa升高到321.1 kPa，升高了22.1 kPa，增長率為7.39%；當(dāng)鎳鐵渣粉摻量從45%上升到60%時，淤泥水泥土的黏聚力從321.1 kPa降低到249.5 kPa，降低了71.6 kPa，增長率為-22.3%。

在養(yǎng)護60 d齡期時，此時水泥水化反應(yīng)的影響力已經(jīng)逐步減弱，而鎳鐵渣粉隨著齡期的增長而受到礦粉激活的潛力越大。隨著鎳鐵渣粉的活性逐步增強，生成了更多對水泥土的力學(xué)性能有效的產(chǎn)物，彌補了水泥水化反應(yīng)減弱的影響。因此，鎳鐵渣粉摻量對水泥土的黏聚力影響愈發(fā)顯著，摻量越大，其黏聚力的增長率相比早齡期有更顯著的提升。

摻量對黏聚力的影響比重又有更明顯的增大。

通過以上三個階段黏聚力隨摻量變化的發(fā)展規(guī)律，可以判斷出鎳鐵渣粉等質(zhì)量替代水泥的摻量比例達(dá)到45%時，能夠發(fā)揮的效用接近最大化，對水泥土的黏聚力的影響程度較高，因此鎳鐵渣粉摻量為45%是有利于水泥土的較優(yōu)摻量。

3 結(jié) 論

本文通過不固結(jié)不排水三軸試驗對鎳鐵渣粉水泥土進行抗剪切強度研究，獲得其在不同條件下的黏聚力、內(nèi)摩擦角等數(shù)據(jù)，通過分析對比這兩項數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

(1) 鎳鐵渣粉摻量對水泥土的黏聚力有較明顯的影響，而內(nèi)摩擦角受鎳鐵渣粉摻量的影響并不顯著。

(2) 在鎳鐵渣粉摻量的最大限度范圍內(nèi)黏聚力隨鎳鐵渣粉摻量的增長而增長，呈現(xiàn)單峰趨勢，超過45%摻量后呈現(xiàn)下降趨勢，并且在養(yǎng)護60d后，鎳鐵渣粉淤泥水泥土的黏聚力已經(jīng)達(dá)到了321.1 kPa。由此可以判斷出在鎳鐵渣粉摻量為45%時能讓鎳鐵渣粉在水泥土中發(fā)揮較好的效能，增強水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的凝聚力。