鐵尾礦和水泥改性生土材料抗壓試驗研究

袁衛(wèi)寧，魏佳妮，張坤，蘆白茹，渠浩

（1.長安大學 建筑工程學院，陜西 西安 710061；2.西安石油大學 博士后創(chuàng)新基地，陜西 西安 710065；3.西安歐亞學院 人居環(huán)境學院，陜西 西安 710065）

0 概述

生土建筑是指使用未經(jīng)焙燒的原生土為主要材料建造而成的建筑[1-3]。因其具有材質(zhì)天然、因地制宜、施工方便、經(jīng)濟節(jié)約、低能耗、可持續(xù)發(fā)展、保溫隔熱性能好等諸多優(yōu)點，在我國西北以及福建、云南、廣西等農(nóng)村地區(qū)得到了普遍使用[4-6]。然而，傳統(tǒng)生土材料的低強度特性導(dǎo)致其使用受到了諸多限制。

為了提高生土材料的力學性能，國內(nèi)外研究人員在生土改性方面做了大量工作。胡明玉等[7]、馬澤等[8]通過土壤固化劑對生土材料進行改性研究，改性后的生土材料在強度和耐久性方面得到了顯著提高。王毅紅等[9]使用礫石與水泥對生土材料進行改性，改性試件的抗壓強度是生土試件的1.16～3.55倍，同時試件抵抗變形的能力也得到提高。徐春一等[10]采用粉煤灰和爐渣改性生土，研究發(fā)現(xiàn)，混摻粉煤灰和爐渣制得的生土坯平均抗壓強度高于單摻改性材料的生土坯，混摻所制得的生土坯抗壓強度最大值可達5.25 MPa。Nagaraj等[11]將水泥、石灰與酶結(jié)合使用提高土壤的穩(wěn)定性。Maskell等[12]選取用來制作工業(yè)擠壓燒結(jié)磚的生土，將其與氫氧化鈉和硅酸鈉活化劑混合，研究地質(zhì)聚合物對生土材料的改性效果，研究發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)聚合物可提高生土的強度，在高溫條件下固化生土時，試件的耐水性提高。

研究人員也利用砂石對生土材料進行改性優(yōu)化。隨著砂石資源日益減少，可替代材料得到了廣泛關(guān)注。鐵尾礦主要化學成分為SiO2、Al2O3，具有與砂相同的物理及化學性質(zhì)。在我國，鐵尾礦被用來制備鐵尾礦砂、鐵尾礦砂混凝土、復(fù)合墻板、免燒磚等[13]。據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生的鐵尾礦達到1.5億t以上，鐵尾礦的堆存占用大量土地，給環(huán)境造成了一定負擔，也造成了資源浪費[14]。目前，將鐵尾礦作為生土改性材料研究尚少。本研究利用鐵尾礦和水泥對生土材料進行改性，采用單形格子法進行配方設(shè)計，通過抗壓強度試驗，對改性材料的破壞形態(tài)、抗壓強度及應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行分析研究，并運用頻數(shù)分析法構(gòu)建計算模型得到最優(yōu)配方，為工程實踐及理論研究提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

（1）黃土：取自西安市長安區(qū)，將黃土置于烘干機中烘干，用裝有5 mm篩的粉土機將干土粉碎，剔除大顆粒及雜質(zhì)后備用。根據(jù)GB/T 50123—2019《土工實驗方法標準》測得土樣的塑限指標為14%，液限指標為24%，塑性指數(shù)為10，采用環(huán)刀法測得土樣的最優(yōu)含水率為19.08%，最大干密度為2.03 g/cm3。

（2）鐵尾礦：陜西省柞水縣大西溝礦業(yè)，該礦石質(zhì)地較軟，主要礦物組成為石英、赤鐵礦、鈉長石和鎂角閃石。試驗前將鐵尾礦經(jīng)粉碎機研磨過篩，制成鐵尾礦顆粒。采用河砂對生土材料進行改性，當河砂粒徑小于2.36 mm時，改性生土材料的抗壓性能最優(yōu)[15]。因此本試驗所用鐵尾礦砂粒徑小于2.36 mm。通過X-熒光元素分析儀，得到鐵尾礦的主要化學成分如表1所示。

表1 鐵尾礦的主要化學成分 %

（3）水泥：秦嶺牌P·O42.5水泥。

（4）拌合水：自來水。

1.2 試驗配合比設(shè)計

本試驗共有3種組分，分別為鐵尾礦（Z1）、水泥（Z2）、生土（Z3）。采用{3，3}單形格子設(shè)計，試驗點個數(shù)為10個[16]。根據(jù)課題組前期試驗得到，鐵尾礦摻量不少于10%、水泥摻量不少于5%，生土作為主要材料，其摻量不少于65%，此配方的限制條件為：

此限制區(qū)域如圖1（a）中陰影部分所示，設(shè)計試驗點如圖1（b）所示，具體配方設(shè)計見表2。其中X1、X2、X3分別表示鐵尾礦、水泥、生土的編碼代表值，Z1、Z2、Z3分別表示鐵尾礦、水泥、生土的實際摻量。Xi與Zi的具體換算見式（2）：

式中：a1、a2、a3——分別為鐵尾礦、水泥、生土摻量最小值，a1=0.10、a2=0.05、a3=0.65，將其代入式（2）可得式（3）：

1.3 試件制作

按表2實際配合比制備10組試件，每組6個，共60個試件，同時再制作6個生土試件作為對照組。以課題組前期研究的制作方法、養(yǎng)護條件及試驗方法[17]為基礎(chǔ)進行試驗。試件制備裝置如圖2（a）所示，成型試件如圖2（b）所示。試件制備完成后放置在相對濕度為30%～40%、溫度為25～30℃的室內(nèi)養(yǎng)護28 d。

1.4 試驗加載方案

本試驗在長安大學建筑工程結(jié)構(gòu)實驗室進行，測試儀器為YDL1000型電液伺服萬能試驗機，儀器可自動輸出試驗時位移和荷載的關(guān)系數(shù)值。試驗開始前先用水平尺檢查試件平整度并進行打磨，然后將試件對中并水平放置于球鉸支座上。通過位移控制加載，設(shè)定加載速率為2 mm/min，當荷載達到峰值荷載的70%認為試驗結(jié)束。正式試驗前先進行預(yù)加壓，確保壓力機正常運行并與試件緊密接觸后再開始試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 生土試件試驗過程及現(xiàn)象

對于未摻改性材料的生土試件：加載初期，試件表面無裂縫；隨著壓力增大，裂縫首先出現(xiàn)在試件角部受力薄弱處，角部裂縫向下擴展形成斜裂縫和豎向裂縫，裂縫呈上寬下窄狀態(tài)，主裂縫周圍出現(xiàn)多條分叉細小裂縫并向不同方向發(fā)展延伸。同時，試件上端逐漸出現(xiàn)多條裂縫并逐步向下延伸，裂縫間的土皮逐漸脫落；當壓力達到峰值荷載附近時，試件下端開始出現(xiàn)多條細小裂縫并豎直向上或斜向上發(fā)展，最終與向下發(fā)展的角部裂縫和試件上端的中部裂縫連成一體，形成2～3條主要貫通裂縫。主裂縫將試件分成3～4個部分，各部分逐漸分離，呈上寬下窄的形態(tài)，最終發(fā)生破壞。剝掉試件周圍脫落的土塊可觀察到試件的破壞形態(tài)為“沙漏型”，試驗現(xiàn)象如圖3所示。

2.2 改性生土試件試驗過程及現(xiàn)象

改性生土試件抗壓試驗現(xiàn)象與生土試件基本相似，不同之處在于試件開裂后，裂縫開展以豎向發(fā)展為主、斜向發(fā)展為輔。同時，主裂縫周圍出現(xiàn)少量的細小裂縫，有的甚至不出現(xiàn)細小裂縫。達到極限荷載時，主裂縫貫通，部分試件主裂縫間產(chǎn)生橫向裂縫。試件邊緣及試件中部被裂縫分割的大塊土體脫落，最終試件發(fā)生破壞。剝?nèi)ピ嚰砻婷撀涞耐翂K發(fā)現(xiàn)其質(zhì)地較生土試件堅硬，破壞呈“沙漏型”。試驗現(xiàn)象如圖4所示。

2.3 試驗結(jié)果及分析

各組試件的試驗結(jié)果見表3。

表3 各組試件的試驗結(jié)果

2.3.1 破壞形態(tài)

生土試件與改性生土試件的破壞形式基本相似，裂縫多始于試件角部或試件邊緣受力薄弱處，隨試驗的進行裂縫逐漸擴展至貫通而破壞，且均為“沙漏型”破壞。分析原因是因為試件在受壓過程中受到試驗儀器上下承壓板的“約束效應(yīng)”所致。在試驗過程中可以發(fā)現(xiàn)，改性生土試件較生土試件具有更好的抗壓性能。除TS1、TS3外，改性試件的極限荷載均高于生土試件，試件的抗壓性能得到提高。

2.3.2 抗壓強度

由表3可知，生土試件的平均抗壓強度為1.69 MPa，除TS1和TS3外，其余由鐵尾礦和水泥改性的生土試件的平均抗壓強度都顯著高于生土試件，是生土試件平均抗壓強度的1.05～5.62倍。

比較TS3、TS6、TS1可知，當水泥摻量為5%，鐵尾礦摻量分別為10%、20%、30%時，改性生土試件的抗壓強度分別為1.35、1.77、1.13 MPa，抗壓強度隨鐵尾礦摻量的增加呈先提高后降低的趨勢。比較TS9、TS7可知，當水泥摻量為8%，鐵尾礦摻量分別為13%、23%時，改性生土試件的抗壓強度分別為2.62、3.71 MPa，抗壓強度隨鐵尾礦摻量的增加呈逐漸提高的趨勢。由此可知，在水泥摻量恒定時，鐵尾礦的合理摻量應(yīng)在15%～20%，當鐵尾礦摻量小于20%時，試件的抗壓強度總體上隨著鐵尾礦摻量的增加而提高。比較TS2、TS3、TS5，TS4、TS6或TS8、TS9可知，當鐵尾礦摻量固定時，試件抗壓強度隨水泥摻量的增加而提高。

改性材料摻量與抗壓強度的散點圖如圖5所示。

分析圖5及表3可知，鐵尾礦及水泥摻量直接影響改性生土試件的抗壓強度，當鐵尾礦摻量不大于20%、水泥摻量大于15%時，試件的抗壓強度最高。水泥摻量的影響作用最顯著，但是考慮到環(huán)境保護的因素，改性試件中水泥摻量不能太多，且要最大程度利用鐵尾礦，因此建議鐵尾礦摻量在20%左右，水泥摻量在15%左右，即TS4配方較為合理。

2.3.3 抗壓強度的離散性

生土試件是一種多項復(fù)雜體系，摻合料的加入使得試件的組成結(jié)構(gòu)及性能發(fā)生了較大變化，導(dǎo)致了各改性試件的抗壓強度離散性變化不一。因此，研究各摻合料下抗壓強度離散程度的變化規(guī)律，對于各摻合料含量的選取具有指導(dǎo)作用。改性材料摻量與抗壓強度變異系數(shù)的散點圖如圖6所示。

分析圖6可知,當水泥摻量固定，TS3、TS6、TS1及TS5、TS4的變異系數(shù)隨鐵尾礦摻量的增加而逐漸增大。這說明當水泥摻量固定時，改性生土試件抗壓強度的離散性隨鐵尾礦摻量的增加而增大。當鐵尾礦摻量固定時，TS3、TS5、TS2的抗壓強度變異系數(shù)隨水泥摻量的增加而增大，而TS9、TS8以及TS6、TS4的抗壓強度變異系數(shù)隨水泥摻量的增加而減小。

2.3.4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線（見圖7）

由圖7可知：

（1）各組試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本相似，曲線分為上升段和下降段2個部分。上升段主要分為3個階段，分別為試件壓縮階段、近似彈性受力階段及非彈性受力階段；下降段為試件破壞階段。

（2）比較TS3、TS6、TS1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，當水泥摻量為5%，鐵尾礦摻量分別為10%、20%、30%時，3組曲線的斜率先增大后減小，其中TS1組的斜率最小。TS3組內(nèi)6條曲線排列緊密，各條曲線極限荷載主要集中在1.4 MPa附近，極限應(yīng)變集中在0.04附近，說明該組試件的離散程度較小。而TS1及TS6各組內(nèi)6條曲線排列稀疏，各曲線間的極限應(yīng)力和極限應(yīng)變變化幅度較大，表明TS1及TS6兩組試件的離散性較大。由此可得，當水泥摻量固定時，鐵尾礦摻量的增加會增大改性材料的離散性。

（3）比較TS3、TS5、TS2的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，當鐵尾礦摻量均為10%，水泥摻量分別為5%、15%、25%時，曲線的斜率及極限應(yīng)力隨之增大，TS2的增幅最大。水泥摻量的增加對改性材料極限應(yīng)力作用下的應(yīng)變影響較小，3組曲線極限應(yīng)力作用下的應(yīng)變均集中在0.04左右。TS5及TS2兩組6條曲線的排列緊密程度相對于TS3較稀疏，稀疏度從小到大依次為TS3、TS5、TS2，因此水泥摻量的增加加劇了改性材料的離散程度。由此可得，當鐵尾礦摻量固定時，水泥摻量對改性材料強度及離散性影響較大，對變形影響較小，改性材料的強度及離散性隨水泥摻量的增加而增大。

2.3.5 機理分析

材料的力學性能與材料組成密切相關(guān)。改性生土材料是由土、水泥及鐵尾礦共同組成的混合體，其力學性能是三者共同作用的結(jié)果。黃土和鐵尾礦的主要化學成分為SiO2，化學性質(zhì)很穩(wěn)定。在試件制作過程中，黃土和鐵尾礦充分混合，鐵尾礦會進入改性材料的空隙中，減少試件空隙，增加試件的密實度，同時硬度較大的鐵尾礦起到骨料作用。水泥的主要礦物組成為C3S、C2S等，化學性質(zhì)活躍。水泥熟料遇水發(fā)生化學反應(yīng)生成水化硅酸鈣及Ca（OH）2等。Ca（OH）2和SiO2在常溫下進一步緩慢發(fā)生反應(yīng)生成硅酸鈣。大量水化硅酸鈣及Ca（OH）2等凝膠包裹在生土顆粒及鐵尾礦表面逐漸形成凝聚結(jié)構(gòu)，并進一步填充改性材料內(nèi)部的空隙。隨著養(yǎng)護的進行，凝膠物質(zhì)逐漸硬化，將土顆粒及鐵尾礦膠結(jié)成一個堅實的整體，穩(wěn)固了土體與鐵尾礦的松散狀態(tài)。同時試件的密實度提高，抵抗外力作用增強。因此，改性生土試件的抗壓強度整體上高于生土試件[18]。

但并非所有改性生土試件的抗壓強度均高于生土試件，如TS3、TS1。原因在于TS3和TS1的水泥摻量均為5%，水泥摻量較少，TS3中鐵尾礦摻量為10%，摻量偏少不能完全填充試件土體之間的空隙，無法充分發(fā)揮出骨料的作用。而TS1中鐵尾礦摻量為30%，生土顆粒與鐵尾礦的接觸面積增大，導(dǎo)致2種異性材料接觸面會產(chǎn)生較多受力薄弱面，在壓力作用下受力薄弱面極易破壞。這就導(dǎo)致TS1和TS3的抗壓強度低于生土試件。

抗壓強度的離散性表明改性生土材料不同組分下抗壓強度的穩(wěn)定性，建筑工程中需要穩(wěn)定的建筑材料。本研究中改性生土材料由3種異性材料組成，打破了原有單一生土體系，導(dǎo)致試件的組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在力的作用下表現(xiàn)出不同的力學性能。水泥摻量固定時，隨鐵尾礦摻量的增加，鐵尾礦在試件中的分布離散度增加，降低了改性試件各組分分布的均勻性。同時增加了各組分間力學性能的差異性，這導(dǎo)致了改性試件抗壓強度的離散程度隨之增大。

在鐵尾礦摻量固定時，改性生土試件的抗壓強度離散性隨水泥摻量的增加有增大，也有減小的規(guī)律，如TS3、TS5、TS2的抗壓強度離散性增大，TS9、TS8以及TS6、TS4的抗壓強度離散性減小。主要原因在于TS3、TS5、TS2中鐵尾礦摻量為10%，處于低水平，對試件的整體性能影響較小。隨著水泥摻量的增加，水泥水化作用增強，水化產(chǎn)物增多，水化產(chǎn)物對抗壓強度的離散性起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致改性試件各成分分布不均勻性以及力學性能差異增大，從而影響了改性試件抗壓強度的離散性。對于TS9、TS8以及TS6、TS4中鐵尾礦摻量分別為13%、20%，鐵尾礦摻量增大，對試件的整體性能影響較大。隨著水泥摻量的增加，水化產(chǎn)物增多，大量的水化產(chǎn)物凝膠能夠?qū)⑦^多的鐵尾礦和生土顆粒進行結(jié)合，使鐵尾礦和生土顆粒之間具有較好的粘結(jié)作用，提高了試件的整體性，在受力過程中三者的力學性能能夠相對統(tǒng)一地發(fā)揮作用，從而變異系數(shù)會有所減小，但隨水泥摻量繼續(xù)增加，變異系數(shù)仍會增大。

2.3.6 回歸分析及頻數(shù)尋優(yōu)

為了較準確地反映抗壓強度與各成分編碼的關(guān)系，本文采用{3，3}三次多項式建立改性生土試件抗壓強度（Y）與鐵尾礦（X1）、水泥（X2）、生土（X3）各編碼之間的回歸方程。

根據(jù)表2及表3的數(shù)據(jù)，采用Design Expert軟件對數(shù)據(jù)進行回歸分析，建立統(tǒng)計模型如式（4）所示：

對式（4）進行擬合度評價，其中相關(guān)系數(shù)R2=0.9997，表明此模型能很好地擬合改性生土材料強度與鐵尾礦、水泥及生土配方的比例關(guān)系。

本文對統(tǒng)計模型進行頻數(shù)分析及尋優(yōu)[19-20]。將X1、X2及X3三個因素的步長設(shè)置為0.1，每個因素取11個水平：0～1，且各因素編碼Xi滿足的條件，將各因素水平代入統(tǒng)計模型中得到66個抗壓強度、鐵尾礦摻量、水泥摻量及生土摻量的不同處理組合，用頻數(shù)分析法對66個組合方案進行尋優(yōu)。將抗壓強度范圍定在6～9 MPa，即6 MPa＜Y＜9 MPa，在66個方案中共有11個符合要求，占16.7%，相關(guān)頻數(shù)分析見表4。根據(jù)Xi在95%置信區(qū)間的取值及Xi和Zi轉(zhuǎn)換關(guān)系式（3）可得到各混料成分Zi的實際取值。

表4 鐵尾礦、水泥改性生土材料配方試驗頻數(shù)分析

由表4可見，當鐵尾礦摻量為12.1%～19.5%，水泥摻量為13.9%～19.1%，生土摻量為65.5%～69.9%時，鐵尾礦及水泥改性生土材料的抗壓強度有95%保證率處于6～9 MPa之間，此為最優(yōu)配比范圍。

3 結(jié) 論

（1）鐵尾礦與水泥改性試件與生土試件破壞形態(tài)基本相似。裂縫出現(xiàn)在試件邊緣等受力薄弱處，最終破壞形態(tài)均為“沙漏型”。改性試件的極限荷載總體高于生土試件，改性試件表現(xiàn)出較好的抗壓性能。

（2）鐵尾礦及水泥在改善生土材料抗壓強度方面有顯著作用。水泥摻量固定時，鐵尾礦的合理摻量為15%～20%，且當鐵尾礦摻量低于20%時，試件抗壓強度總體上隨鐵尾礦摻量的增加而提高。鐵尾礦摻量固定時，試件抗壓強度隨水泥摻量的增加而提高。

（3）水泥摻量固定時，改性生土試件抗壓強度的離散性隨鐵尾礦摻量的增加而增大。鐵尾礦摻量固定時，改性試件抗壓強度的離散性隨水泥摻量的增加而增大。同時，生土及改性生土材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律相似。但隨鐵尾礦、水泥及生土摻量的不同，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在斜率、離散性等方面表現(xiàn)出不同的差異性。

（4）水泥作為生土基材料的改性材料，通過水化反應(yīng)在鐵尾礦和土體之間形成大量凝膠，提高材料的密實度，增強骨料顆粒表面的粘結(jié)性能。鐵尾礦砂可以有效改善生土材料的強度，經(jīng)過3種材料的有機結(jié)合，使得改性生土材料的抗壓性能得到顯著提高。

（5）根據(jù)統(tǒng)計模型和頻數(shù)分析法得出，當鐵尾礦摻量為12.1%～19.5%，水泥摻量為13.9%～19.1%，生土摻量為65.5%～69.9%時，鐵尾礦及水泥改性生土材料的抗壓強度有95%保證率處于6～9 MPa之間，此為最優(yōu)配比范圍。