陳開榮，陳 峰

(1.中國電建集團(tuán)福建工程有限公司，福建 福州 350008；2.福建江夏學(xué)院，福建 福州 350108)

水泥土是指將水、土、水泥和外加劑按一定的配比進(jìn)行人工拌合而形成的復(fù)合工程材料[1-2]，在基坑圍護(hù)、地基處理、邊坡加固及止水帷幕等工程領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用[3]。近年來，礦物摻合料因資源循環(huán)利用、綠色發(fā)展、經(jīng)濟(jì)有效、具有一定活性等特點(diǎn)，應(yīng)用于水泥土的研究受到學(xué)者的廣泛關(guān)注，工程實(shí)踐中應(yīng)用較多的礦物摻合料有納米硅粉、礦粉、粉煤灰等[4-8]。鎳鐵渣是冶煉鎳鐵過程中排放的工業(yè)廢渣[9]，且排放量巨大，成為中國繼礦渣、鋼渣、赤泥之后的第四大冶煉工業(yè)廢渣。將鎳鐵渣應(yīng)用于工程材料方面的研究，已取得了諸多成果。Choi Y C等[10]將鎳鐵渣碾磨制成細(xì)集料作為膠凝材料，對其堿-硅反應(yīng)性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評估，以供混凝土使用。陳金輝等[11]結(jié)合XRD試驗(yàn)、SEM試驗(yàn)和壓汞試驗(yàn)對鎳鐵渣粉水泥土的固化機(jī)理進(jìn)行分析，獲得了不同鎳鐵渣粉摻量對水泥水化產(chǎn)物、水泥土微觀結(jié)構(gòu)與孔隙大小等的影響。陳峰等[12]進(jìn)行了鎳鐵渣粉水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到各組配合比下水泥土的鈣礬石結(jié)晶情況和水泥土強(qiáng)度值。

實(shí)際工程應(yīng)用中，水泥土處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，為了研究不同圍壓條件下鎳鐵渣粉水泥土的力學(xué)性能，本文采用應(yīng)變控制式三軸儀對摻鎳鐵渣粉水泥土試樣進(jìn)行不同圍壓下的固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，對摻鎳鐵渣粉水泥土在不同齡期和圍壓條件下的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

本試驗(yàn)所用土料為淤泥質(zhì)土，取自福州地鐵站基坑內(nèi)，含水率為47.4%，密度為1.64 g/cm3,孔隙比為1.36，黏聚力為31.2 kPa,內(nèi)摩擦角為13.9°。水泥為福建煉石牌普通硅酸鹽水泥，水泥3 d和7 d抗壓強(qiáng)度分別為25.7 MPa和46.3 MPa。試驗(yàn)用水為自來水提純凈化后的純水，采用福建源鑫環(huán)保科技有限公司的F85級鎳鐵渣粉(復(fù)摻礦粉)，具體化學(xué)組成見文獻(xiàn)[12]。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)根據(jù)《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJT 233-2011)的要求，制備直徑為39.1 mm，H= 80 mm 的圓柱體試樣。其中，土樣制備方法為：將取回的土樣烘干碾磨篩分后，按原狀土的含水率進(jìn)行配置；水灰比為0.5，水泥摻入比為15%；鎳鐵渣粉以等量替代水泥質(zhì)量的方式摻入，參照文獻(xiàn)[12]中鎳鐵渣粉的較優(yōu)摻入值，選取鎳鐵渣粉摻入量0%(編號A)與20%(編號B)進(jìn)行對比試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式三軸儀進(jìn)行測試，其應(yīng)變加載的速度為4.5 mm/min。將水泥土試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)分別養(yǎng)護(hù)至7 d、28 d、60 d齡期，選用0 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa四種圍壓進(jìn)行固結(jié)不排水試驗(yàn)，并且試件達(dá)到峰值應(yīng)力后，繼續(xù)加載3%～5%應(yīng)變后停止試驗(yàn)(試驗(yàn)方案如表1所示)。

表1 水泥土試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果

采用常規(guī)三軸試驗(yàn)對鎳鐵渣粉水泥土進(jìn)行研究，獲得鎳鐵渣粉水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、抗剪強(qiáng)度參數(shù)等力學(xué)指標(biāo)，并重點(diǎn)探討了不同圍壓和養(yǎng)護(hù)齡期對鎳鐵渣粉水泥土強(qiáng)度性能及變形特性的影響規(guī)律。

2.1 鎳鐵渣粉水泥土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

材料的抗剪強(qiáng)度在工程建設(shè)中具有重要意義，同時黏聚力和內(nèi)摩擦角是判斷材料抗剪強(qiáng)度大小及工程穩(wěn)定性的重要工程指標(biāo)。本文通過三軸試驗(yàn)測得在不同圍壓σ3下鎳鐵渣粉水泥土破壞時的最大主應(yīng)力σ1，繪制出水泥土分別在7 d、28 d、60 d齡期下的摩爾應(yīng)力圓，并作出莫爾圓的公切線，從而得到不同齡期下水泥土的黏聚力C及內(nèi)摩擦角φ(如表2所示)，齡期為60 d的鎳鐵渣粉水泥土的強(qiáng)度包線如圖1所示。

表2 水泥土剪切強(qiáng)度參數(shù)

(a)試件A (b)試件B

由圖1可知：鎳鐵渣粉水泥土的摩爾應(yīng)力圓直徑隨著圍壓的增大而增大，莫爾圓公切線是斜率為正的傾斜線，這與文獻(xiàn)[13]中水泥土的圍壓影響規(guī)律基本一致。鎳鐵渣粉的摻入對水泥土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)有較大的影響，鎳鐵渣粉摻入量為20%時與0%的基準(zhǔn)組A相比，黏聚力均有下降，內(nèi)摩擦角7 d時略有增長，但隨齡期提高均較摻量為0%時小。其中各個齡期黏聚力下降率分別為:22.2%、13.4%、2.9%，而且內(nèi)摩擦角的增減幅度比黏聚力小得多。由此可以看出，鎳鐵渣粉對水泥土抗剪性能的影響主要體現(xiàn)在黏聚力方面。分析其原因，黏聚力主要是由顆粒之間膠結(jié)作用決定，水泥土中土顆粒之間的連接強(qiáng)度必然是由水泥水化所生成的膠結(jié)物質(zhì)所決定。因此，當(dāng)鎳鐵渣粉替代部分質(zhì)量水泥時，會導(dǎo)致水泥早期水化作用生成的膠結(jié)物質(zhì)減少，而且鎳鐵渣粉的活性較低，早齡期時鎳鐵渣粉基本不會發(fā)生水化作用，主要起到微集料填充孔隙的作用，故水泥土的黏聚力下降。但鎳鐵渣粉在早齡期具有填充作用，也會使得鎳鐵渣粉水泥土的結(jié)構(gòu)更加致密，從而使得水泥土的內(nèi)摩擦角略有增長。隨著齡期的增長，摻鎳鐵渣粉水泥的黏聚力下降的幅度逐漸縮小，同時摻有鎳鐵渣粉水泥土內(nèi)摩擦角均小于基準(zhǔn)組的內(nèi)摩擦角，但是并沒有發(fā)生很大程度的下降。這是由于鎳鐵渣粉在填充孔隙的同時活性開始發(fā)揮作用，生成了對提高黏聚力有益的物質(zhì)，從而彌補(bǔ)由水泥摻量降低而導(dǎo)致的水泥水化膠結(jié)物質(zhì)減少對其性能的影響。

齡期對水泥土黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響分別如圖2、圖3所示。由圖2和圖3可知，摻鎳鐵渣粉水泥土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均會隨著水泥土齡期的增大而增大，但其增大的趨勢存在一定差異。在7 d齡期時，摻鎳鐵渣粉水泥土的黏聚力會明顯小于基準(zhǔn)組水泥土，但養(yǎng)護(hù)至7 d后，摻鎳鐵渣粉水泥土黏聚力的增長率均會大于基準(zhǔn)組水泥土，使得鎳鐵渣粉水泥土的黏聚力與基準(zhǔn)組水泥土之間的差值逐漸減小。養(yǎng)護(hù)至60 d時，兩者已經(jīng)非常接近，表明齡期較長時鎳鐵渣粉的摻入對水泥土黏聚力的影響并不大，黏聚力的下降幅度會隨著齡期的增長而變小。同時，鎳鐵渣粉水泥土的內(nèi)摩擦角在早齡期時會略大于基準(zhǔn)組水泥土，但養(yǎng)護(hù)28 d后，基準(zhǔn)組水泥土內(nèi)摩擦角的增長速率明顯變大，逐漸超過摻鎳鐵渣粉水泥土的內(nèi)摩擦角。

圖2 齡期對黏聚力的影響

圖3 齡期對內(nèi)摩擦角的影響

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

本文選取鎳鐵渣粉水泥土水化較為完全的60 d齡期進(jìn)行研究，分析齡期和圍壓對鎳鐵渣粉水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響。60 d時水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖4所示，鎳鐵渣粉水泥土在0 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出應(yīng)力、應(yīng)變軟化的特性，并且均具有一個峰值強(qiáng)度，表明通過在軟土中添加水泥和礦物摻和料后，軟土性能發(fā)生改變，破壞特性由塑性破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐摹?/p>

(a)圍壓為0 kPa

(b)圍壓為100 kPa

(c)圍壓為200 kPa

(d)圍壓為300 kPa

從圖4中可以看出，鎳鐵渣粉水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線從整體上可以分為三個階段:第一階段為線彈性階段；第二階段為塑性屈服階段；第三階段為峰值軟化階段，即鎳鐵渣粉水泥土發(fā)生破壞后，在微小的應(yīng)變增量下會出現(xiàn)較大的應(yīng)力下降，并最終下降到一個趨于穩(wěn)定的值，為鎳鐵渣粉水泥土的殘余強(qiáng)度。

60 d齡期時，鎳鐵渣粉不再僅以微集料的填充效應(yīng)作用于水泥土，而是與水泥的水化物質(zhì)相互作用，使得鎳鐵渣粉水泥土表現(xiàn)出與混凝土等脆性材料類似的性質(zhì)，圍壓在0 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa下各組試件的最大破壞應(yīng)變分別為2.13%、3.15%、3.52%、4.28%。

圖5 水泥土脆性破壞 圖6 水泥土塑性破壞

2.3 鎳鐵渣粉水泥土的破壞性狀

鎳鐵渣粉水泥土的三軸固結(jié)不排水剪切破壞后，試樣如圖5、圖6所示。鎳鐵渣粉水泥土的破壞有脆性破壞和塑性破壞兩種形式。由于水泥和鎳鐵渣粉的摻入，鎳鐵渣粉水泥土的破壞性狀表現(xiàn)出更加明顯的脆性破壞，隨著齡期的增長，這種破壞特性表現(xiàn)得更為明顯，試件破壞時產(chǎn)生明顯的剪切破壞面，見圖5。然而，在早齡期和高圍壓時，鎳鐵渣粉水泥土在受力過程中表現(xiàn)出比較明顯的塑性變形，試件破壞時產(chǎn)生大量的裂紋，剪切破壞面較不明顯，見圖6。

3 結(jié)論

利用三軸儀對鎳鐵渣粉水泥土進(jìn)行固結(jié)不排水試驗(yàn)研究，獲得鎳鐵渣粉水泥土分別在7 d、28 d、60 d齡期下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)、應(yīng)力-應(yīng)變曲線等力學(xué)指標(biāo)，得出如下結(jié)論:

(1)鎳鐵渣粉等量替代水泥摻入水泥土，對水泥土的黏聚力和內(nèi)摩擦角產(chǎn)生影響。在7 d齡期時，由于鎳鐵渣粉的填充作用，摻鎳鐵渣粉水泥土的內(nèi)摩擦角略大于基準(zhǔn)組水泥土，但黏聚力發(fā)生較大的下降。隨著齡期增長，鎳鐵渣粉水泥土的黏聚力與基準(zhǔn)組逐漸接近。

(2)鎳鐵渣粉水泥土在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出應(yīng)變軟化的力學(xué)特性。隨著齡期的增長，水泥土破壞具有較為明顯的剪切破壞面，其峰值應(yīng)力逐漸增大，破壞應(yīng)變逐漸減小。到60 d齡期后，摻鎳鐵渣粉水泥土的破壞應(yīng)變和峰值應(yīng)力已經(jīng)與基準(zhǔn)組非常接近，鎳鐵渣粉不再僅以微集料的填充效應(yīng)作用于水泥土，而是與水泥的水化物質(zhì)相互作用，表現(xiàn)出明顯的脆性特性。

(3)鎳鐵渣粉可部分替代水泥用于軟土固化工程中。摻入一定量鎳鐵渣粉的水泥土，在適當(dāng)齡期養(yǎng)護(hù)后其破壞應(yīng)變和峰值應(yīng)力接近未摻鎳鐵渣粉的水泥土。