铁尾矿砂水泥土强度特性及固化机理研究

胡建林，高鹏飞，崔宏环，崔志远，吕星辰

(1.河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000)

水泥土作为一种成熟的建筑材料被广泛应用于地基处理、基坑支护等工程中，且取得了良好的工程经济效益[1].但其强度较低，后期变形较大等缺点制约着它的使用范围.为此，国内外许多学者进行了大量的试验研究，以求能提高水泥土的力学性能，比较有效的方法为在水泥土中加入各种掺合料，通过一系列物理或化学反应来提高水泥土的强度.KONG等[2]对SiO2固化黄土进行了抗压强度试验，得出掺入少量SiO2可以提高固化土的抗压强度.DUAN X L等[3]对粉煤灰水泥土进行了抗压强度试验，结果表明：存在一个最优粉煤灰掺量6%使水泥土的抗压强度最大.R BO等[4]指出纤维对水泥土的力学性能有改善效果，适量纤维的加入能显著提高水泥土的塑性和侧向约束能力.Omid Amini等[5]通过对镁渣水泥土的力学试验和微观试验得出镁渣可以改善土体内部结构，从而增强水泥土的抗压强度.王立峰等[6]对纳米硅水泥土进行了三轴压缩试验，得出把纳米硅粉作为水泥土掺合料可以改善水泥土的强度，并且得出了影响水泥土强度显著性的因素依次为：水泥加入量、围压以及纳米硅加入量.王凤池等[7]通过在水泥土中加入部分橡胶粉进行了无侧限抗压强度试验，结果表明：加入一定量橡胶粉可以改变水泥土在塑性阶段的变形，但随着橡胶粉的增加，水泥土的强度会持续降低.夏永杰等[8]通过对掺废弃钢渣水泥土抗剪强度的研究，得出废弃钢渣水泥土的应力应变曲线有明显的弹塑性，其破坏模式为脆性破坏，并指出钢渣在10%掺量时水泥复合土的抗剪强度达到最大值；韩鹏举等[9]对掺硫酸钠水泥土进行了抗压强度试验，得出用硫酸钠溶液制作水泥土试件可以改善水泥土的强度，水泥土的强度随硫酸钠浓度的增加呈先增加后减小的趋势.赫文秀等[10-13]对掺砂水泥土做了一系列试验研究，结果表明：在水泥土中掺入一定量河砂可以有效提高水泥土的抗压强度及压缩特性，掺砂后水泥土的抗压强度比素水泥土强度提高20%左右，并指出素土中含砂量的大小对水泥土强度的影响较大.以上研究表明，在水泥土中加入一些掺合料可以有效改善水泥土的力学性能，但上述掺合料因造价较高或施工不便难以应用于实际工程中，因此,寻找一种易施工且经济性较高的掺合料是水泥土材料目前亟待解决的问题.

铁尾矿是冶金工业选矿之后残留的固体废弃物，是目前工艺废弃物的重要组成之一[14].铁尾矿的堆砌,不仅会占用大量的土地资源，而且会产生一系列环境污染问题.此外，铁尾矿的大量堆弃势必产生大量的尾矿坝库，这些尾矿坝库的维护、运行也会需要大量的费用[15].因此，对于尾矿的二次利用是今后发展绿色环保生态的一大重要课题.为此，本文尝试在水泥土中掺入部分铁尾矿砂，通过无侧限抗压强度试验，探究水泥掺量、铁尾矿砂掺量对水泥复合土早期强度特性的影响，并采用比强度及强度贡献率的方式来表征铁尾矿砂对水泥复合土的增强效应，为后续试验及实际工程做一些有益的探索.

1 试验

1.1 试验材料

本次试验用土取自张家口市某施工现场粉质黏土，土样的基本物理性质及颗粒级配如表1、图1所示.铁尾矿砂取自河北张家口某钢厂筛选后的颗粒废弃物，其主要化学成分分析及颗粒级配如表2、图2所示.水泥采用金隅牌P·S 32.5矿渣硅酸盐水泥，水采用自来水.

表1 土样的基本物理性质

图1 粉质黏土的颗粒级配曲线

表2 铁尾矿砂的化学成分

图2 铁尾矿砂的颗粒级配曲线

1.2 试验步骤

将铁尾矿砂过2.36 mm砂石筛，去除铁尾矿中较大的颗粒杂质.将粉质黏土过2 mm土壤筛并烘干备用.试验过程包括试件制作、养护以及无侧限抗压强度试验.参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)[16]的相关规定，选用ψ100×100的钢型模具.具体步骤如下：

(1)通过击实试验确定不同水泥掺量下铁尾矿砂水泥复合土最优含水率以及最大干密度，试件采用最优含水率制备；

(2)将土料及铁尾矿砂混合，喷水至最优含水率的97%，均匀搅拌后放入塑料袋中密封，以保证含水率均匀，24 h后加入水泥和剩余3%含水率，配置成铁尾矿砂水泥土混合料；

(3)将混合料分三次装入钢型模具中，通过静压法制成φ100×100圆柱形试样，之后进行脱模，养护.每个掺量制做6个平行试件，测试结果取其平均值；

(4)将试件在养护前一天浸水24 h，之后在万能试验机上进行无侧限抗压强度试验，加载速率为1 mm/min.

1.3 试验方案及试验结果

采用内掺法，选取水泥掺量为8%、12%、16%、20%，铁尾矿砂掺量为0%、10%、20%、30%、40%，各掺量计算公式如式(1)、式(2)所示，同时计算出水泥及铁尾矿砂质量占铁尾矿砂水泥复合土的质量百分比，如表3所示.压实度及龄期参考《公路路面基层施工技术细则》[17](JTG/TF20-2015)选取压实度为95%，龄期为7 d，试验方案及试验结果如表4所示.

表3 各掺合料质量占水泥复合土质量百分比

表4 铁尾矿砂水泥土试验方案及试验结果

αT=mT/mS

(1)

αC=mC/mS

(2)

式中：αT为铁尾矿砂掺量，%；αC为水泥掺量，%；mC、mT、mS分别为水泥质量，kg、铁尾矿砂质量，kg、素土质量，kg.

2 结果与讨论

2.1 水泥及铁尾矿砂对铁尾矿砂水泥土抗压强度的影响

水泥掺量与抗压强度的关系曲线如图3所示，由图3可以看出，随着水泥掺量的增加，铁尾矿砂水泥土的抗压强度均有所提高，其强度增长规律均可用线性关系表示，其拟合公式及相关系数如表5所示.K.Uddin[18]等将水泥掺量划分为3个区域：即诱导区、反应区和稳定区，当水泥土强度呈直线趋势上升时，水泥掺量即处于反应区，由此可以看出，在水泥掺量8%～20%时，其对铁尾矿砂水泥土的抗压强度影响显著.

图3 水泥与水泥复合土强度的关系

表5 水泥与水泥复合土强度的拟合参数

图4为铁尾矿砂与水泥土抗压强度之间的关系，由图可以看出，在不同水泥掺量下，水泥土的抗压强度随着铁尾矿砂掺量的增加呈先增加后减小的趋势.因此，加入适量的铁尾矿砂可以提高水泥土的抗压强度，但当铁尾矿砂超过一定掺量时，水泥土的抗压强度呈下降趋势，这是因为过量的铁尾矿砂会替代部分黏土颗粒，使颗粒间的粘聚力减小，从而导致其强度降低.总的来说，在本次研究的水泥掺量下，存在一个最优掺砂量20%，使铁尾矿砂水泥土的抗压强度最高.

图4 铁尾矿砂与水泥土强度的关系

2.2 铁尾矿砂水泥土强度增强效应分析

铁尾矿砂水泥土的强度主要由水泥水化效应产生的强度及铁尾矿砂填充效应产生的强度共同耦合而来.为分析单一效应对水泥复合土强度的影响，采用比强度及强度贡献率[19]来表征水泥水化效应及填充效应对水泥复合土的强度贡献.首先，定义1%的单位掺料对水泥土的强度贡献称为水泥土中该掺料的比强度.其公式如下.

K=U/R

(3)

式中：K表示水泥土中某掺合料的比强度；U表示在某掺合料加入后水泥土的实测抗压强度，MPa;R为该掺合料质量占水泥土的质量，%.

当水泥土中仅有水泥掺合料时，其强度由水泥水化效应提供，此时可以通过式(4)计算出水泥复合土中水泥水化效应比强度；当水泥复合土中存在水泥及铁尾矿砂两种掺合料时，水泥复合土的强度主要由水泥水化效应产生的强度和铁尾矿砂填充效应产生的强度共同构成.此时，可以通过式(5)、(6)、(7)计算出铁尾矿砂填充效应比强度及铁尾矿砂填充效应占复合效应的强度贡献百分比，其公式如下.

(4)

(5)

(6)

T(i,j)=ω(i,j)U(i,j)

(7)

式中：KΔi表示i水泥掺量下水泥水化效应比强度，MPa；K(i,j)表示i水泥掺量，j铁尾矿砂掺量下，铁尾矿砂填充效应比强度，MPa，i=8、12、16、20，j=10、20、30、40；UΔi表示水化效应作用时，水泥土的实测抗压强度，MPa；U(i,j)表示复合效应作用时，水泥复合土的实测抗压强度，MPa；Ri表示i水泥掺量时，水泥质量占水泥土的总质量，%；Rj表示j铁尾矿砂掺量下，铁尾矿砂质量占水泥复合土的质量，%；其值列于表3；ω(i,j)为铁尾矿砂填充效应强度贡献率，%；T(i,j)为铁尾矿砂填充效应的强度贡献值；

以8%水泥掺量，10%铁尾矿砂掺量为例，其计算示例如表6所示，其余计算结果见表7及表8.

表6 铁尾矿砂水泥复合土各指标计算示例

表7 水泥复合土中水化效应及填充效应比强度

表8 水泥复合土中填充效应强度贡献率及强度贡献值

由图5和表7可以看出，随着水泥掺量的增加，水泥水化效应比强度呈不断减小趋势，这说明在本次研究的水泥掺量范围内，单位水泥水化效应对水泥土的强度贡献正在减小，同时也可以看出当水泥掺量达到一定程度时，继续增加水泥掺量，其强度虽然有所提高，但其单位强度的增长却在减小，水泥的经济效益大大被削弱.

图5 水泥掺量与水化效应比强度关系曲线

图6、图7为铁尾矿砂填充效应比强度及强度贡献率.从图中可以看出，铁尾矿砂在10%到20%时，对水泥复合土的强度贡献呈正相关，且有增大的趋势.而铁尾矿砂在30%到40%时，只有在高水泥掺量(16%～20%)下，其强度贡献率为正相关，而在低水泥掺量(8%～12%)时，其强度贡献率为负相关.究其原因，可能与水泥复合土内部的结构形成有关，当水泥掺量较低时，水泥的水化作用较低，此时加入适量铁尾矿砂可以有效填充复合土颗粒之间的孔隙，从而提高水泥土的强度，但当铁尾矿砂过多时，过量的铁尾矿砂处于游离松散状态，反而会使水泥复合土的强度降低.当水泥掺量较高时，一部分水化产物与土颗粒形成胶结混合体，多余的水化产物则会与硬度很大的铁尾矿砂胶结，形成一系列胶结体，同时，水泥水化产物会还会形成水泥石硬凝骨架，这种骨架需要大量的铁尾矿砂来填充.此时，即使在高铁尾矿砂掺量下，其对水泥复合土的贡献仍为正值.

图6 铁尾矿砂掺量与填充效应比强度关系

图7 铁尾矿砂对水泥复合土的强度贡献率以及强度贡献值

综上所述，可以把铁尾矿砂水泥土的强度贡献分为以下几个阶段：水泥水化效应主要贡献阶段、铁尾矿砂和水泥共同贡献阶段以及铁尾矿砂填充效应主要贡献阶段.具体表现为：当水泥掺量处于8%到12%时，水泥复合土的强度主要是由水泥水化效应所提供，此时，加入少量铁尾矿砂有益于其强度提升，过多的铁尾矿砂会抑制其强度提升，铁尾矿砂对水泥复合土的强度贡献受其掺量影响；当水泥掺量处于12%到16%时，水泥复合土的强度主要来源于水泥与铁尾矿砂的共同作用，此时铁尾矿砂对水泥复合土的强度贡献基本为正值；当水泥掺量处于16%到20%时，任意掺量下的铁尾矿砂对水泥复合土的强度贡献都为正值.这种相对强度贡献可以解释为：在水泥复合土中，水泥水化效应产生的强度贡献会随着水泥掺量的增加呈下降趋势，此时水泥复合土的强度贡献主要为铁尾矿砂的填充作用.

2.3 铁尾矿砂水泥复合土强度机理分析

铁尾矿砂水泥复合土的强度主要来源于水泥的水化效应及铁尾矿砂的填充效应.其中，水泥水化效应会生成一系列水化产物，水化产物会以颗粒的形式存在，一定时间后会胶结土颗粒以及铁尾矿砂颗粒，同时，水泥水化物中的钙离子会与素土中的钾离子、钠离子等发生离子交换作用，使土颗粒之间相互靠近，结构更加致密.此外，水泥水化产物还能吸收空气中的二氧化碳生成碳酸钙等较硬的化合物从而提高了水泥复合土的抗压强度.杨滨[20]还提出水化产物会产生结晶效应，这种效应构成了复合土体的骨架，起着联结水泥、土、铁尾矿的作用.

铁尾矿砂填充效应会填充水泥复合土中的孔隙，使土颗粒之间的距离靠近，加强复合土体之间的联结作用[21].由于铁尾矿砂表面凹凸不平，颗粒之间的摩擦力也会间接抵抗外力的变形，从而增加了复合土体的抗压强度，又因为铁尾矿砂中存在大量的二氧化硅以及氧化铝等金属矿物，这些金属矿物会在氢氧化钙等碱性条件下发生少量水化反应及火山灰反应，生成水化硅酸钙以及水化铝酸钙等产物，使水泥复合土的强度提高，但是大量的研究表明[22-24]，铁尾矿砂中存在的金属矿物为低活性石英矿砂，这些金属矿物活性较低，只有在大量的碱性条件、高温作用以及长龄期下才可能大量发生反应.综上所述：铁尾矿砂对水泥土的增强作用为颗粒填充作用、土体的置换作用、颗粒间的摩擦作用以及少量水化及火山灰反应的综合增强作用.

3 结论

(1)在水泥掺量8%～20%范围内，随着水泥掺量的增加，水泥土的抗压强度呈线性增长，水泥掺量对水泥土的强度影响显著；

(2)在铁尾矿砂掺量0%～40%范围内，随着铁尾矿砂掺量的增加，水泥土的抗压强度呈先增加后减小的趋势，掺砂量为20%时，水泥土的抗压强度最大，其最大强度在2.29～3.89 MPa之间；

(3)水泥水化效应对水泥土的强度贡献会随着水泥掺量的增加越来越小；铁尾矿砂填充效应对水泥复合土的强度贡献在高水泥掺量时表现的更为明显；

(4)从不同角度分析了铁尾矿砂水泥土的固化机理，指出其强度主要来源于水泥的水化效应以及铁尾矿砂的填充效应.