冻融循环作用下铁尾矿砂水泥土强度及变形特性研究

胡建林，高鹏飞，张玉龙

(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)

0 引言

冻土是由土颗粒、冰水混合物和气体共同构成的3项复合体，可分为短时冻土、季节性冻土和永久冻土，其中季节性冻土地区在我国的分布十分广泛，占全国面积的53.5%[1]。在北方季节性冻土地区，路基土经过反复冻融，破坏了其原始的水热平衡，致使路基产生不均匀沉降，路面出现裂缝、波浪和塌陷等病害，严重危害了道路的通行。因此，人们通过大量的试验研究，在路基土中加入水泥、粉煤灰和新型固化剂等材料，以求提高路基土的冻融耐久性。其中水泥作为一种常见的固化剂，在加入土中后可明显提高路基土的强度与冻融耐久性[2]。对于水泥土的抗冻性能研究，众多学者进行了广泛的分析。陈四利等[3]对水泥土的冻融耐久性进行了分析，结果表明，冻融循环会导致水泥土的抗剪强度、抗压强度降低，而渗透系数提高。张淑玲等[4]对冻融循环后水泥土的力学性能进行了分析，结果表明，干冻下水泥土的抗压强度明显高于湿冻，并通过对水泥土冻融破坏的分析解释了水泥土的抗冻机理。张经双等[5]对不同龄期水泥土进行了冻融循环试验，结果表明，不同龄期的水泥土经过15次冻融循环后其强度均下降了50%以上。王天亮等[6]对冻融循环作用下水泥土的变形特性进行了研究，分析表明水泥土的应力-应变曲线为应变软化型。宁宝宽等[7]对不同土质、不同水泥配比的水泥土做了冻融循环试验，结果表明，黏土水泥土的抗冻性大于淤泥质水泥土，且存在一个最优水泥配比使水泥土的抗冻性最好。上述研究表明，水泥土较普通土体冻融循环耐久性已有明显的提高，但其在低水泥配比下的抗冻性依旧较差，且受土质、水泥配比和龄期等因素的影响较大。为此，寻找一种合适的水泥合成材料是目前季冻区亟待解决的问题。研究表明，在水泥土中加入微硅粉[8]、赤泥-钢渣[9]、玄武岩纤维[10]和橡胶粉[11]等掺合料可提高水泥土的强度与冻融循环耐久性，但上述掺合料因造价较高或施工不便难以应用到实际工程中。

铁尾矿是铁矿石筛选后剩余的废弃物，是目前尾矿坝的重要组成。铁尾矿的大量堆砌不仅会造成尾矿坝面临坍塌、溃坝的风险，而且会产生重金属流失、环境污染等问题。因此，对铁尾矿的再生利用是今后绿色发展的重要目标。

基于固体废料二次利用的思想。本文尝试在水泥土中加入铁尾矿砂，探究铁尾矿砂对水泥土强度以及抗冻能力的影响，并与素水泥土进行比较。为寒区工程冻融耐久性做一些有益的探索。

1 试验

1.1 试样材料

本次试验所用水泥为张家口市金隅水泥厂生产，强度等级为32.5的矿渣硅酸盐水泥，土样取自张家口市某基坑，土质为典型的粉质黏土，土样的基本物理性质见表1，颗粒级配曲线如图1所示；铁尾矿砂为某钢厂经筛选后的颗粒废弃物，其化学组成见表2，颗粒级配曲线如图2所示。

表1 土样的基本物理性质

图1 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 试样制备

根据《土工试验方法标准》[12]对重塑土的制备要求，将土样烘干并过2 mm土壤筛，铁尾矿砂过2.36 mm砂石筛，去除铁尾矿砂中较大的颗粒杂质。采用静压法制备无侧限抗压强度试验的试件，试件尺寸为φ100 mm×100 mm。通过不同配合比的击实试验得到水泥土的最优含水率和最大干密度，见表3。水泥土试件采用最优含水率制作。首先将素土与铁尾矿砂充分混合后加水至最优含水率并放入保鲜袋中密封24 h，以保证含水率均匀。之后加入水泥充分搅拌，分3层放入钢型模具中静压成型。试件成型后静置4 h脱模并放入养护箱中进行标准养护。

表3 不同配比水泥土击实试验

1.3 试验设计

(1)无侧限抗压强度试验设计

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)[13]的相关内容，将养护一定龄期的水泥土试件称重,测量尺寸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，试件破碎后取部分碎块测量其含水率。

(2)冻融循环试验设计

参考文献[14],并根据北方季冻区气候变化幅度，选定冻结温度为-20 ℃，融化温度为25 ℃。具体操作步骤如下：将养护到龄期的水泥土试件放入20 ℃的恒温水箱中浸泡48 h，之后开始进行冻融循环实验。将水泥土试件放入低温试验箱中冻结12 h，冻结完毕后在常温(25 ℃)环境下融化12 h，此为1次冻融循环。每次循环完成后测量水泥土试件的质量及高度变化，之后进行无侧限抗压强度试验，以单轴抗压强度指标评价水泥土抵抗冻融循环能力的大小。循环次数为0、3、6、9、15次。

1.4 试验方案

试验包括无侧限抗压强度试验和冻融循环试验。为对比不同铁尾矿砂和不同水泥配比对水泥土无侧限抗压强度的影响，得到铁尾矿砂的最优配合比，根据相关规范[15]，选取水泥配比为8%、12%、16%、20%，铁尾矿砂配比为0%、10%、20%、30%、40%，养护龄期为28 d，压实度为95%，每个配比做3个平行试件，测试结果取其平均值，各配比的计算公式如下

(1)

(2)

式中：αT为铁尾矿砂配比，%；αC为水泥配比，%；mC、mT、mS分别为水泥质量、铁尾矿砂质量和素土质量，kg。

冻融循环试验探究循环次数以及水泥配比对铁尾矿砂水泥土耐久性的影响，选定冻融循环次数为0、3、6、9、15次，水泥配比为8%、12%、16%、20%，铁尾矿砂配比为无侧限抗压强度实验中铁尾矿砂的最佳掺入量，同时选取铁尾矿砂配比0%的素水泥土进行对比，养护龄期为28 d，按照压实度95%制作试件，其中每个配比做3个平行试件，测试结果取平均值。

2 试验结果分析

2.1 铁尾矿砂水泥土无侧限抗压强度分析

图3为不同水泥配比下铁尾矿砂配比与水泥土无侧限抗压强度柱状图，从图3中可以看出，在相同水泥配比下，水泥土的抗压强度随铁尾矿砂配比的增加呈先增大后减小的趋势，在铁尾矿砂配比为20%时，水泥土的强度提升最大，在铁尾矿砂配比为40%时强度提升最小。同时可以看出，随着水泥配比的增加，铁尾矿砂对水泥土的强度提升逐渐减小，例如在水泥配比8%时，不同铁尾矿砂水泥土的强度增长率分别为45%、76%、66%、32%，而在水泥配比20%时，水泥土的强度增长率仅为6.5%、14%、8%、4%。究其原因，这是因为铁尾矿砂在水泥土中的骨架填充作用，使得水泥土的结构更加密实[16]，从而提高了水泥土的抗压强度。当水泥配比过大时，水泥土自身水化反应形成的孔隙结构较为致密，铁尾矿的填充作用反而不明显。除此之外，掺入过多的铁尾矿砂会使土体中的黏性颗粒相对减少，土体自身的黏聚力降低，从而导致水泥土的抗压强度在铁尾矿砂配比超过20%后呈下降趋势。

图3 铁尾矿砂水泥土无侧限抗压强度及强度增长率

2.2 冻融循环作用下铁尾矿砂水泥土应力应变曲线

从上述分析可以得出，铁尾矿砂掺入量在20%时，各配比下的水泥土抗压强度最高，其强度增长率也最大，因此，选取铁尾矿砂20%的水泥土进行冻融循环试验。2种水泥土在冻融循环作用下的应力应变曲线如图4和图5所示。其中n为冻融循环次数。从图4和图5中可以看出，相同水泥配比下，2种水泥土的应力应变曲线大部分分布在循环次数为0的曲线下方，这说明冻融循环会对2种水泥土的内部结构造成一定程度的损伤，导致其力学性能发生变化。对比2种水泥土在不同水泥配比下的应力应变曲线得知，素水泥土在水泥配比8%～12%时损伤较大，不同冻融循环次数的曲线相差比较明显，而在水泥配比16%～20%时，不同冻融次数的曲线有较大部分重叠，水泥土损伤较小。而铁尾矿砂水泥土在不同循环次数下的应力应变曲线均处于一定范围之内，各曲线相差较小。因此，可以认为铁尾矿砂水泥土在冻融循环作用下的应力应变优于素水泥土，同时水泥配比越高，水泥土抵抗冻融循环的能力就越强。

2.3 冻融循环作用下铁尾矿砂水泥土脆性指数

从图4和图5中可以看出，2种水泥土的应力-应变曲线都可视为应变-软化型曲线，具有明显的峰值点，破坏方式为典型的脆性破坏。因此，可以用脆性指数(I)[17]来表征铁尾矿砂水泥土和素水泥土的应力应变特性，其公式如下

图4 冻融循环作用下素水泥土应力应变曲线

图5 冻融循环作用下铁尾矿砂水泥土应力应变曲线

(3)

式中：f(σ,ε)为水泥土应力应变曲线函数；σp为水泥土的峰值强度；σr为水泥土的残余强度；εp为水泥土的峰值应变；εr为水泥土的残余应变；0≤I≤1。

脆性指数可定义为水泥土在荷载作用下受到破坏时，释放的弹性能与峰值点之间所存储的总能之比。由脆性指数的定义可知，水泥土在达到峰值点后释放的弹性能越大，其在失稳破坏后释放的能量就越大，水泥土脆性就越大。

2种水泥土的脆性指数如图6所示。由图6可以看出，素水泥土和铁尾矿砂水泥土的脆性指数都会随着冻融循环次数的增加而持续增加，但增加速率逐渐变缓，在循环次数达到9次之后，脆性指数逐渐趋于平缓。同时，水泥配比越大，水泥土的脆性指数越大。这说明，增大水泥配比虽然可以提高水泥土的抗压强度，但脆性也会显著增加，导致水泥土在破坏时残余强度变小。此外，对比2种水泥土的脆性指数可以看出，素水泥土的脆性指数大部分分布在0.4～0.9，而铁尾矿砂水泥土的脆性指数则在0.25～0.6，即加入铁尾矿砂可以使水泥土的脆性指数降低，使其在破坏后释放的能量减小，残余强度增加。

图6 2种水泥土的脆性指数

2.4 冻融循环作用下铁尾矿砂水泥土的峰值应力

为进一步分析2种水泥土在冻融循环作用下的力学特性，取水泥土应力应变曲线上的峰值点作为2种水泥土的峰值应力，建立循环次数与峰值应力的关系曲线，如图7所示。由图7可以看出，2种水泥土的峰值强度都会随循环次数的增加呈先减小后略微增大的趋势，具有明显的拐点。在水泥配比8%和12%时，素水泥土到达拐点的循环次数为9次和6次，而铁尾矿砂水泥土到达拐点的循环次数均为6次。在水泥配比16%和20%时，2种水泥土均在循环次数3次后强度不再下降。这说明随着水泥配比的增加，水泥土到达拐点对应的冻融循环次数明显减少。同时，在相同水泥配比下，加入铁尾矿砂可以使水泥土的拐点有提前的趋势。此外，在低水泥配比下，素水泥土在到达拐点后强度无明显增长，而铁尾矿砂水泥土在到达拐点后强度增长明显。即铁尾矿砂可以明显提高水泥土在到达拐点后的强度。

2.5 冻融循环作用下铁尾矿砂水泥土强度变化机理

冻融循环会对水泥土的强度造成一定程度的劣化，这是因为水泥土在冻结时，土体内部的孔隙水会发生相变，使其体积增大约9%，从而产生了较大的膨胀应力，在与土体作用中很容易产生应力集中，从而使土体结构产生微裂隙。而水泥土在常温状态下融化时，土体中的液态水会向结构裂缝中迁移，产生静水压力[18]，进一步使水泥土内部产生裂缝，致使土体的孔隙持续增大。反复的冻结融化使水泥土内部由最初的微小裂纹逐渐演变成贯穿整个试件的宏观裂缝，进而使水泥土在外力作用下产生极大的变形，致使其强度降低。同时，根据Fick第二定律可知[19]，土体在未冻结时，其表层和内部的液态水含量是不一致的，在养护过程中易产生内外含量差，而水泥土在冻融循环过程中，土体内部的水分子在液相与固相转换时会产生吸热放热现象，使水泥土内部产生温差，加快了其裂隙的发展。

水泥土在冻融过程中，其强度并不会持续减小，而是有一定的阈值，超过这个阈值后强度反而有所回升。这是因为在多次冻融循环后，土体内部的孔隙会产生一定程度的扩展，冻胀融沉产生的变形就会有一定的空间，固态水与土体之间的应力集中也会显著减小，从而使水泥土的强度衰减逐渐降低[20]。此外，在水泥土中加入铁尾矿砂可以有效填充水泥土内部的孔隙，形成以水泥为骨架，铁尾矿砂为中心，土颗粒包裹并填充水泥土内部孔隙的结构，增加了水泥土的密实性，阻止了液态水在裂隙中的流通。从而使水泥土在冻融循环作用下的强度劣化减小。同时，参考文献[21-22]表明，冻融循环会使水泥土的内部结构发生重组，颗粒之间的摩擦力增大，而铁尾矿砂颗粒的表面凹凸不平，更有利于摩擦效应的发挥，致使铁尾矿砂水泥土在一定冻融循环次数后的强度回升十分明显。

3 结论

(1)相同水泥配比下，铁尾矿砂掺入量在20%时对水泥土的强度提升最大，最高强度增长率为76%。同时，铁尾矿砂对水泥土的增强效应在低水泥配比时表现得更明显。

(2)冻融循环会对铁尾矿砂水泥土和素水泥土的应力应变造成一定程度的损伤，但铁尾矿砂水泥土较素水泥土来说其应力应变曲线劣化程度较小。

(3)2种水泥土的脆性指数均会随冻融循环次数的增加呈先增加后逐渐趋于平缓的趋势，但铁尾矿砂水泥土的脆性指数明显小于素水泥土。

(4)2种水泥土的峰值强度均随冻融循环次数的增加呈先减小后略微增大的趋势，但铁尾矿砂水泥土在冻融循环作用下的强度回升十分明显。