工程用镍铁渣粉水泥土三轴试验研究

陈开荣，陈 峰

(1.中国电建集团福建工程有限公司，福建 福州 350008；2.福建江夏学院，福建 福州 350108)

水泥土是指将水、土、水泥和外加剂按一定的配比进行人工拌合而形成的复合工程材料[1-2]，在基坑围护、地基处理、边坡加固及止水帷幕等工程领域得到较为广泛的应用[3]。近年来，矿物掺合料因资源循环利用、绿色发展、经济有效、具有一定活性等特点，应用于水泥土的研究受到学者的广泛关注，工程实践中应用较多的矿物掺合料有纳米硅粉、矿粉、粉煤灰等[4-8]。镍铁渣是冶炼镍铁过程中排放的工业废渣[9]，且排放量巨大，成为中国继矿渣、钢渣、赤泥之后的第四大冶炼工业废渣。将镍铁渣应用于工程材料方面的研究，已取得了诸多成果。Choi Y C等[10]将镍铁渣碾磨制成细集料作为胶凝材料，对其碱-硅反应性进行了实验评估，以供混凝土使用。陈金辉等[11]结合XRD试验、SEM试验和压汞试验对镍铁渣粉水泥土的固化机理进行分析，获得了不同镍铁渣粉掺量对水泥水化产物、水泥土微观结构与孔隙大小等的影响。陈峰等[12]进行了镍铁渣粉水泥土的无侧限抗压强度试验，得到各组配合比下水泥土的钙矾石结晶情况和水泥土强度值。

实际工程应用中，水泥土处于复杂应力状态，为了研究不同围压条件下镍铁渣粉水泥土的力学性能，本文采用应变控制式三轴仪对掺镍铁渣粉水泥土试样进行不同围压下的固结不排水剪切试验，对掺镍铁渣粉水泥土在不同龄期和围压条件下的力学性能进行研究。

1 试验概况

1.1 原材料

本试验所用土料为淤泥质土，取自福州地铁站基坑内，含水率为47.4%，密度为1.64 g/cm3,孔隙比为1.36，黏聚力为31.2 kPa,内摩擦角为13.9°。水泥为福建炼石牌普通硅酸盐水泥，水泥3 d和7 d抗压强度分别为25.7 MPa和46.3 MPa。试验用水为自来水提纯净化后的纯水，采用福建源鑫环保科技有限公司的F85级镍铁渣粉(复掺矿粉)，具体化学组成见文献[12]。

1.2 试验方案

本试验根据《水泥土配合比设计规程》(JGJT 233-2011)的要求，制备直径为39.1 mm，H= 80 mm 的圆柱体试样。其中，土样制备方法为：将取回的土样烘干碾磨筛分后，按原状土的含水率进行配置；水灰比为0.5，水泥掺入比为15%；镍铁渣粉以等量替代水泥质量的方式掺入，参照文献[12]中镍铁渣粉的较优掺入值，选取镍铁渣粉掺入量0%(编号A)与20%(编号B)进行对比试验。

本次试验采用应变控制式三轴仪进行测试，其应变加载的速度为4.5 mm/min。将水泥土试样在标准养护室内分别养护至7 d、28 d、60 d龄期，选用0 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa四种围压进行固结不排水试验，并且试件达到峰值应力后，继续加载3%～5%应变后停止试验(试验方案如表1所示)。

表1 水泥土试验方案

2 试验结果

采用常规三轴试验对镍铁渣粉水泥土进行研究，获得镍铁渣粉水泥土的应力-应变曲线、抗剪强度参数等力学指标，并重点探讨了不同围压和养护龄期对镍铁渣粉水泥土强度性能及变形特性的影响规律。

2.1 镍铁渣粉水泥土的抗剪强度参数

材料的抗剪强度在工程建设中具有重要意义，同时黏聚力和内摩擦角是判断材料抗剪强度大小及工程稳定性的重要工程指标。本文通过三轴试验测得在不同围压σ3下镍铁渣粉水泥土破坏时的最大主应力σ1，绘制出水泥土分别在7 d、28 d、60 d龄期下的摩尔应力圆，并作出莫尔圆的公切线，从而得到不同龄期下水泥土的黏聚力C及内摩擦角φ(如表2所示)，龄期为60 d的镍铁渣粉水泥土的强度包线如图1所示。

表2 水泥土剪切强度参数

(a)试件A (b)试件B

由图1可知：镍铁渣粉水泥土的摩尔应力圆直径随着围压的增大而增大，莫尔圆公切线是斜率为正的倾斜线，这与文献[13]中水泥土的围压影响规律基本一致。镍铁渣粉的掺入对水泥土的抗剪强度参数有较大的影响，镍铁渣粉掺入量为20%时与0%的基准组A相比，黏聚力均有下降，内摩擦角7 d时略有增长，但随龄期提高均较掺量为0%时小。其中各个龄期黏聚力下降率分别为:22.2%、13.4%、2.9%，而且内摩擦角的增减幅度比黏聚力小得多。由此可以看出，镍铁渣粉对水泥土抗剪性能的影响主要体现在黏聚力方面。分析其原因，黏聚力主要是由颗粒之间胶结作用决定，水泥土中土颗粒之间的连接强度必然是由水泥水化所生成的胶结物质所决定。因此，当镍铁渣粉替代部分质量水泥时，会导致水泥早期水化作用生成的胶结物质减少，而且镍铁渣粉的活性较低，早龄期时镍铁渣粉基本不会发生水化作用，主要起到微集料填充孔隙的作用，故水泥土的黏聚力下降。但镍铁渣粉在早龄期具有填充作用，也会使得镍铁渣粉水泥土的结构更加致密，从而使得水泥土的内摩擦角略有增长。随着龄期的增长，掺镍铁渣粉水泥的黏聚力下降的幅度逐渐缩小，同时掺有镍铁渣粉水泥土内摩擦角均小于基准组的内摩擦角，但是并没有发生很大程度的下降。这是由于镍铁渣粉在填充孔隙的同时活性开始发挥作用，生成了对提高黏聚力有益的物质，从而弥补由水泥掺量降低而导致的水泥水化胶结物质减少对其性能的影响。

龄期对水泥土黏聚力和内摩擦角的影响分别如图2、图3所示。由图2和图3可知，掺镍铁渣粉水泥土的黏聚力和内摩擦角均会随着水泥土龄期的增大而增大，但其增大的趋势存在一定差异。在7 d龄期时，掺镍铁渣粉水泥土的黏聚力会明显小于基准组水泥土，但养护至7 d后，掺镍铁渣粉水泥土黏聚力的增长率均会大于基准组水泥土，使得镍铁渣粉水泥土的黏聚力与基准组水泥土之间的差值逐渐减小。养护至60 d时，两者已经非常接近，表明龄期较长时镍铁渣粉的掺入对水泥土黏聚力的影响并不大，黏聚力的下降幅度会随着龄期的增长而变小。同时，镍铁渣粉水泥土的内摩擦角在早龄期时会略大于基准组水泥土，但养护28 d后，基准组水泥土内摩擦角的增长速率明显变大，逐渐超过掺镍铁渣粉水泥土的内摩擦角。

图2 龄期对黏聚力的影响

图3 龄期对内摩擦角的影响

2.2 应力-应变关系

本文选取镍铁渣粉水泥土水化较为完全的60 d龄期进行研究，分析龄期和围压对镍铁渣粉水泥土应力-应变关系的影响。60 d时水泥土的应力-应变关系如图4所示，镍铁渣粉水泥土在0 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa围压下的应力-应变曲线均表现出应力、应变软化的特性，并且均具有一个峰值强度，表明通过在软土中添加水泥和矿物掺和料后，软土性能发生改变，破坏特性由塑性破坏逐渐转变为脆性破坏。

(a)围压为0 kPa

(b)围压为100 kPa

(c)围压为200 kPa

(d)围压为300 kPa

从图4中可以看出，镍铁渣粉水泥土的应力-应变曲线从整体上可以分为三个阶段:第一阶段为线弹性阶段；第二阶段为塑性屈服阶段；第三阶段为峰值软化阶段，即镍铁渣粉水泥土发生破坏后，在微小的应变增量下会出现较大的应力下降，并最终下降到一个趋于稳定的值，为镍铁渣粉水泥土的残余强度。

60 d龄期时，镍铁渣粉不再仅以微集料的填充效应作用于水泥土，而是与水泥的水化物质相互作用，使得镍铁渣粉水泥土表现出与混凝土等脆性材料类似的性质，围压在0 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa下各组试件的最大破坏应变分别为2.13%、3.15%、3.52%、4.28%。

图5 水泥土脆性破坏 图6 水泥土塑性破坏

2.3 镍铁渣粉水泥土的破坏性状

镍铁渣粉水泥土的三轴固结不排水剪切破坏后，试样如图5、图6所示。镍铁渣粉水泥土的破坏有脆性破坏和塑性破坏两种形式。由于水泥和镍铁渣粉的掺入，镍铁渣粉水泥土的破坏性状表现出更加明显的脆性破坏，随着龄期的增长，这种破坏特性表现得更为明显，试件破坏时产生明显的剪切破坏面，见图5。然而，在早龄期和高围压时，镍铁渣粉水泥土在受力过程中表现出比较明显的塑性变形，试件破坏时产生大量的裂纹，剪切破坏面较不明显，见图6。

3 结论

利用三轴仪对镍铁渣粉水泥土进行固结不排水试验研究，获得镍铁渣粉水泥土分别在7 d、28 d、60 d龄期下的抗剪强度参数、应力-应变曲线等力学指标，得出如下结论:

(1)镍铁渣粉等量替代水泥掺入水泥土，对水泥土的黏聚力和内摩擦角产生影响。在7 d龄期时，由于镍铁渣粉的填充作用，掺镍铁渣粉水泥土的内摩擦角略大于基准组水泥土，但黏聚力发生较大的下降。随着龄期增长，镍铁渣粉水泥土的黏聚力与基准组逐渐接近。

(2)镍铁渣粉水泥土在不同围压下的应力-应变曲线均表现出应变软化的力学特性。随着龄期的增长，水泥土破坏具有较为明显的剪切破坏面，其峰值应力逐渐增大，破坏应变逐渐减小。到60 d龄期后，掺镍铁渣粉水泥土的破坏应变和峰值应力已经与基准组非常接近，镍铁渣粉不再仅以微集料的填充效应作用于水泥土，而是与水泥的水化物质相互作用，表现出明显的脆性特性。

(3)镍铁渣粉可部分替代水泥用于软土固化工程中。掺入一定量镍铁渣粉的水泥土，在适当龄期养护后其破坏应变和峰值应力接近未掺镍铁渣粉的水泥土。