铁尾矿砂水泥复合土的力学性能研究*

陶华强，伍彦廷，陈奕秋，赵卫琪

1.浙江双和环境建设有限公司，浙江 绍兴 312000

2.绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000

铁尾矿砂是铁尾矿石分选作业的产物之一[1-2]。铁尾矿砂的堆存解决方案是重大难题之一，处理不当会对周边环境造成严重的破坏，同时使库区下游人民的生命财产安全受到严重威胁[3-4]。因此，如何利用这些铁尾矿砂，变废为宝，是减少铁尾矿堆存的有效手段之一。许多学者对铁尾矿砂的资源化利用进行了大量研究，其中，包括混凝土细骨料[5]、复合材料填料[6]、道路材料[7]等。水泥土具有高强度、低渗透性的特点，因此在公路、铁路、飞机跑道等路基加固中得到广泛的应用[8]。近年来，国内外众多学者对水泥土的力学性能和耐久性能进行了充分的研究。曹智国等[9]、严红霞等[10]和陈瑞生等[11]研究发现养护龄期、水泥掺量和含水率等是影响水泥土抗压强度的主要因素。张陈等[12]和Lee等[13]研究了纳米材料对水泥土力学性能的影响。鹿群等[14]、黄敏建[15]、陈四利等[16]研究发现在水泥土中掺入掺石灰、玻璃纤维、废钢渣等会明显提高其力学性能。赫文秀等[17]研究发现当水泥土中掺入的砂量为50%时，其力学性能最佳。

综上所述，在水泥土中掺入铁尾矿砂会影响其力学性能。文章选取不同养护龄期、不同铁尾矿砂掺量的铁尾矿砂水泥复合土进行无侧限抗压强度试验，确定其抗压强度、残余强度和峰值应变等参数，分析其变化规律，为铁尾矿砂水泥复合土是否能作为地基土及路基土材料提供依据。

1 试验概况

1.1 试验原材料

试验所用原材料为滨海路基土、铁尾矿砂、水泥和水。路基土取自绍兴滨海新城滨江区域，其主要物理性质指标，如表1所示。

表1 滨海路基土主要物理力学指标

所用铁尾矿砂取自浙江绍兴漓渚铁矿，所用水为实验室普通自来水，水泥选用强度为42.5的普通硅酸盐水泥。通过物理性能测试，铁尾矿砂的比重和比表面积分别为3.06和379m2/kg。利用Mastersizer 2000激光粒度分析仪对铁尾矿砂进行粒度分析，得到小于45μm、45～75μm、75～100μm、100～150μm和大于150μm的颗粒含量，试验结果如表2所示。

表2 铁尾矿砂粒度分析结果

1.2 试样方案

以含水率为80%、水泥掺量为15%的滨海路基土为基础，分别掺入0%、15%、20%、25%铁尾矿砂。试样采用规格为直径为39.1mm和高度为80mm的圆柱体，制作完成后，在表面封上一层滤纸，用橡皮筋固定后放入水中。按养护龄期7d和14d分为两大组试验，每大组按照铁尾矿砂掺量不同分为4小组，每组掺量制作4个试样，共8组32个试样。测试设备采用全自动多功能无侧限抗压机，剪切速度设为1mm/min。

2 试验结果

8组不同养护龄期和不同铁尾矿砂掺量的水泥复合土共32个试样，测得的应力应变数据，如图1、图2所示。其中，横轴表示轴向应变，纵轴表示轴向应力。

由图1可知，4组试样的应力-应变曲线均呈软化型曲线，且大致可以分为三个阶段。（1）加载初期阶段。不同铁尾矿砂掺量下的水泥复合土应力-应变曲线都基本呈线性增长关系。（2）加载中期阶段。试样应力均随应变的增加而上升，最后达到峰值。当铁尾矿砂掺量分别为0%、15%、20%、25%时，试样的峰值强度一般分别出现在2.09%～2.92%、1.26%～2.10%、1.26%～1.88%、1.46%～1.89%。（3）加载后期阶段。当应变为8%时，各铁尾矿砂掺量分别为0%、15%、20%、25%的水泥复合土所对应的残余应力分别为15.63～25.38kPa、6～28.7kPa、6～18kPa、7～ 27.5kPa。

图1中应力-应变曲线的峰值点即为无侧限抗压强度，因此根据每组不同掺量铁尾矿砂水泥复合土可以获得4个无侧限抗压强度值，由于试验时的环境、仪器的测量精度、人员的操作熟练度以及材料等因素，都会造成测试数据发生一定的偏差，并不会达到完全一致，通过对试样进行计算分析，得出4种铁尾矿砂掺量分别为0%、15%、20%、25%的水泥复合土的无侧限抗压强度平均值分别为130.25kPa、110.30kPa、119.19kPa、113.76kPa。由此可知，在7d养护龄期的条件下，铁尾矿砂掺量分别为15%、20%、25%的水泥复合土的强度与纯水泥复合土的强度相比，分别降低了 15.32%、8.49%、12.66%。

图1 水泥土应力-应变曲线（7d养护龄期）

由图2可知，4组试样的应力-应变曲线的变化与7d养护龄期试样的应力-应变曲线大致相同。（1）加载初期阶段。不同铁尾矿砂掺量下的水泥复合土应力-应变曲线都基本呈线性增长关系。（2）加载中期阶段。试样应力均随应变的增加而上升，最后达到峰值。其中，当铁尾矿砂掺量分别为0%、15%、20%、25%时，试样的峰值强度分别出现在1.87%～2.50%、1.88%～2.09%、1.04%～2.50%、1.25%～1.88%。（3）加载后期阶段。当应变为8%时，各铁尾矿砂掺量分别为0%、15%、20%、25%的水泥复合土所对应的残余应力分别为0～36kPa、3.69～31.77kPa、3.56～55.60kPa、12～17.11kPa。通过对试样进行计算分析，计算出14d养护龄期4种铁尾矿砂掺量分别为0%、15%、20%、25%的水泥复合土的无侧限抗压强度平均值分别为 159.22kPa、155.10kPa、161.87kPa、149.80kPa。在14d龄期的条件下，铁尾矿砂掺量分别为15%、20%、25%的水泥复合土的强度与纯水泥复合土的强度相比大致相同。

对比图1、图2可以发现，试样的养护龄期对铁尾矿砂水泥土的强度有所影响。14d养护龄期的铁尾矿砂水泥土的强度比7d养护龄期的铁尾矿砂水泥土的强度有所提高。铁尾矿砂掺量分别为15%、20%和25%的14d养护龄期水泥复合土的强度比7d养护龄期水泥复合土的强度分别提高了40.62%、35.81%和31.68%。养护龄期对试样强度的影响主要是因为水泥的水化反应是个长期的过程，养护时间越长，水泥的水化反应越充分，水化产物越多，因此养护龄期越长会使铁尾矿砂水泥土的强度越大。

图2 水泥土应力-应变曲线（14d龄期）

随着铁尾矿砂掺入量的不断增加，7d养护龄期和14d养护龄期下的铁尾矿砂水泥土强度都先增大后逐渐减少。其中，铁尾矿砂掺量为20%时，铁尾矿砂水泥土无侧限抗压强度达到最大值。但是对于80%的高含水率铁尾矿砂水泥土在7d养护龄期下的强度略低于纯水泥混凝土，在14d养护龄期下的强度与纯水泥土基本相同。

3 结论

（1）铁尾矿砂水泥复合土的抗压强度与养护时间成正比，并且14d养护龄期的强度比7d养护龄期有较多增长。

（2）随着铁尾矿砂掺入量的不断增加，不同养护龄期下的铁尾矿砂水泥土强度都先增大而逐渐减少。其中，铁尾矿砂掺量为20%时，铁尾矿砂水泥土无侧限抗压强度达到峰值。

（3）与纯水泥复合土相比，7d养护龄期的铁尾矿砂水泥复合土的强度略有降低。14d养护龄期的铁尾矿砂水泥复合土强度与纯水泥复合土强度大致相同，因此在高含水率的水泥复合土中添加铁尾矿砂来增加强度的工程实际应用意义不大。