铁尾矿和水泥改性生土材料抗压试验研究

袁卫宁，魏佳妮，张坤，芦白茹，渠浩

（1.长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 710061；2.西安石油大学 博士后创新基地，陕西 西安 710065；3.西安欧亚学院 人居环境学院，陕西 西安 710065）

0 概述

生土建筑是指使用未经焙烧的原生土为主要材料建造而成的建筑[1-3]。因其具有材质天然、因地制宜、施工方便、经济节约、低能耗、可持续发展、保温隔热性能好等诸多优点，在我国西北以及福建、云南、广西等农村地区得到了普遍使用[4-6]。然而，传统生土材料的低强度特性导致其使用受到了诸多限制。

为了提高生土材料的力学性能，国内外研究人员在生土改性方面做了大量工作。胡明玉等[7]、马泽等[8]通过土壤固化剂对生土材料进行改性研究，改性后的生土材料在强度和耐久性方面得到了显著提高。王毅红等[9]使用砾石与水泥对生土材料进行改性，改性试件的抗压强度是生土试件的1.16～3.55倍，同时试件抵抗变形的能力也得到提高。徐春一等[10]采用粉煤灰和炉渣改性生土，研究发现，混掺粉煤灰和炉渣制得的生土坯平均抗压强度高于单掺改性材料的生土坯，混掺所制得的生土坯抗压强度最大值可达5.25 MPa。Nagaraj等[11]将水泥、石灰与酶结合使用提高土壤的稳定性。Maskell等[12]选取用来制作工业挤压烧结砖的生土，将其与氢氧化钠和硅酸钠活化剂混合，研究地质聚合物对生土材料的改性效果，研究发现，地质聚合物可提高生土的强度，在高温条件下固化生土时，试件的耐水性提高。

研究人员也利用砂石对生土材料进行改性优化。随着砂石资源日益减少，可替代材料得到了广泛关注。铁尾矿主要化学成分为SiO2、Al2O3，具有与砂相同的物理及化学性质。在我国，铁尾矿被用来制备铁尾矿砂、铁尾矿砂混凝土、复合墙板、免烧砖等[13]。据统计，我国每年产生的铁尾矿达到1.5亿t以上，铁尾矿的堆存占用大量土地，给环境造成了一定负担，也造成了资源浪费[14]。目前，将铁尾矿作为生土改性材料研究尚少。本研究利用铁尾矿和水泥对生土材料进行改性，采用单形格子法进行配方设计，通过抗压强度试验，对改性材料的破坏形态、抗压强度及应力-应变曲线进行分析研究，并运用频数分析法构建计算模型得到最优配方，为工程实践及理论研究提供参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）黄土：取自西安市长安区，将黄土置于烘干机中烘干，用装有5 mm筛的粉土机将干土粉碎，剔除大颗粒及杂质后备用。根据GB/T 50123—2019《土工实验方法标准》测得土样的塑限指标为14%，液限指标为24%，塑性指数为10，采用环刀法测得土样的最优含水率为19.08%，最大干密度为2.03 g/cm3。

（2）铁尾矿：陕西省柞水县大西沟矿业，该矿石质地较软，主要矿物组成为石英、赤铁矿、钠长石和镁角闪石。试验前将铁尾矿经粉碎机研磨过筛，制成铁尾矿颗粒。采用河砂对生土材料进行改性，当河砂粒径小于2.36 mm时，改性生土材料的抗压性能最优[15]。因此本试验所用铁尾矿砂粒径小于2.36 mm。通过X-荧光元素分析仪，得到铁尾矿的主要化学成分如表1所示。

表1 铁尾矿的主要化学成分 %

（3）水泥：秦岭牌P·O42.5水泥。

（4）拌合水：自来水。

1.2 试验配合比设计

本试验共有3种组分，分别为铁尾矿（Z1）、水泥（Z2）、生土（Z3）。采用{3，3}单形格子设计，试验点个数为10个[16]。根据课题组前期试验得到，铁尾矿掺量不少于10%、水泥掺量不少于5%，生土作为主要材料，其掺量不少于65%，此配方的限制条件为：

此限制区域如图1（a）中阴影部分所示，设计试验点如图1（b）所示，具体配方设计见表2。其中X1、X2、X3分别表示铁尾矿、水泥、生土的编码代表值，Z1、Z2、Z3分别表示铁尾矿、水泥、生土的实际掺量。Xi与Zi的具体换算见式（2）：

式中：a1、a2、a3——分别为铁尾矿、水泥、生土掺量最小值，a1=0.10、a2=0.05、a3=0.65，将其代入式（2）可得式（3）：

1.3 试件制作

按表2实际配合比制备10组试件，每组6个，共60个试件，同时再制作6个生土试件作为对照组。以课题组前期研究的制作方法、养护条件及试验方法[17]为基础进行试验。试件制备装置如图2（a）所示，成型试件如图2（b）所示。试件制备完成后放置在相对湿度为30%～40%、温度为25～30℃的室内养护28 d。

1.4 试验加载方案

本试验在长安大学建筑工程结构实验室进行，测试仪器为YDL1000型电液伺服万能试验机，仪器可自动输出试验时位移和荷载的关系数值。试验开始前先用水平尺检查试件平整度并进行打磨，然后将试件对中并水平放置于球铰支座上。通过位移控制加载，设定加载速率为2 mm/min，当荷载达到峰值荷载的70%认为试验结束。正式试验前先进行预加压，确保压力机正常运行并与试件紧密接触后再开始试验。

2 试验结果与分析

2.1 生土试件试验过程及现象

对于未掺改性材料的生土试件：加载初期，试件表面无裂缝；随着压力增大，裂缝首先出现在试件角部受力薄弱处，角部裂缝向下扩展形成斜裂缝和竖向裂缝，裂缝呈上宽下窄状态，主裂缝周围出现多条分叉细小裂缝并向不同方向发展延伸。同时，试件上端逐渐出现多条裂缝并逐步向下延伸，裂缝间的土皮逐渐脱落；当压力达到峰值荷载附近时，试件下端开始出现多条细小裂缝并竖直向上或斜向上发展，最终与向下发展的角部裂缝和试件上端的中部裂缝连成一体，形成2～3条主要贯通裂缝。主裂缝将试件分成3～4个部分，各部分逐渐分离，呈上宽下窄的形态，最终发生破坏。剥掉试件周围脱落的土块可观察到试件的破坏形态为“沙漏型”，试验现象如图3所示。

2.2 改性生土试件试验过程及现象

改性生土试件抗压试验现象与生土试件基本相似，不同之处在于试件开裂后，裂缝开展以竖向发展为主、斜向发展为辅。同时，主裂缝周围出现少量的细小裂缝，有的甚至不出现细小裂缝。达到极限荷载时，主裂缝贯通，部分试件主裂缝间产生横向裂缝。试件边缘及试件中部被裂缝分割的大块土体脱落，最终试件发生破坏。剥去试件表面脱落的土块发现其质地较生土试件坚硬，破坏呈“沙漏型”。试验现象如图4所示。

2.3 试验结果及分析

各组试件的试验结果见表3。

表3 各组试件的试验结果

2.3.1 破坏形态

生土试件与改性生土试件的破坏形式基本相似，裂缝多始于试件角部或试件边缘受力薄弱处，随试验的进行裂缝逐渐扩展至贯通而破坏，且均为“沙漏型”破坏。分析原因是因为试件在受压过程中受到试验仪器上下承压板的“约束效应”所致。在试验过程中可以发现，改性生土试件较生土试件具有更好的抗压性能。除TS1、TS3外，改性试件的极限荷载均高于生土试件，试件的抗压性能得到提高。

2.3.2 抗压强度

由表3可知，生土试件的平均抗压强度为1.69 MPa，除TS1和TS3外，其余由铁尾矿和水泥改性的生土试件的平均抗压强度都显著高于生土试件，是生土试件平均抗压强度的1.05～5.62倍。

比较TS3、TS6、TS1可知，当水泥掺量为5%，铁尾矿掺量分别为10%、20%、30%时，改性生土试件的抗压强度分别为1.35、1.77、1.13 MPa，抗压强度随铁尾矿掺量的增加呈先提高后降低的趋势。比较TS9、TS7可知，当水泥掺量为8%，铁尾矿掺量分别为13%、23%时，改性生土试件的抗压强度分别为2.62、3.71 MPa，抗压强度随铁尾矿掺量的增加呈逐渐提高的趋势。由此可知，在水泥掺量恒定时，铁尾矿的合理掺量应在15%～20%，当铁尾矿掺量小于20%时，试件的抗压强度总体上随着铁尾矿掺量的增加而提高。比较TS2、TS3、TS5，TS4、TS6或TS8、TS9可知，当铁尾矿掺量固定时，试件抗压强度随水泥掺量的增加而提高。

改性材料掺量与抗压强度的散点图如图5所示。

分析图5及表3可知，铁尾矿及水泥掺量直接影响改性生土试件的抗压强度，当铁尾矿掺量不大于20%、水泥掺量大于15%时，试件的抗压强度最高。水泥掺量的影响作用最显著，但是考虑到环境保护的因素，改性试件中水泥掺量不能太多，且要最大程度利用铁尾矿，因此建议铁尾矿掺量在20%左右，水泥掺量在15%左右，即TS4配方较为合理。

2.3.3 抗压强度的离散性

生土试件是一种多项复杂体系，掺合料的加入使得试件的组成结构及性能发生了较大变化，导致了各改性试件的抗压强度离散性变化不一。因此，研究各掺合料下抗压强度离散程度的变化规律，对于各掺合料含量的选取具有指导作用。改性材料掺量与抗压强度变异系数的散点图如图6所示。

分析图6可知,当水泥掺量固定，TS3、TS6、TS1及TS5、TS4的变异系数随铁尾矿掺量的增加而逐渐增大。这说明当水泥掺量固定时，改性生土试件抗压强度的离散性随铁尾矿掺量的增加而增大。当铁尾矿掺量固定时，TS3、TS5、TS2的抗压强度变异系数随水泥掺量的增加而增大，而TS9、TS8以及TS6、TS4的抗压强度变异系数随水泥掺量的增加而减小。

2.3.4 应力-应变曲线（见图7）

由图7可知：

（1）各组试件的应力-应变曲线基本相似，曲线分为上升段和下降段2个部分。上升段主要分为3个阶段，分别为试件压缩阶段、近似弹性受力阶段及非弹性受力阶段；下降段为试件破坏阶段。

（2）比较TS3、TS6、TS1的应力-应变曲线可知，当水泥掺量为5%，铁尾矿掺量分别为10%、20%、30%时，3组曲线的斜率先增大后减小，其中TS1组的斜率最小。TS3组内6条曲线排列紧密，各条曲线极限荷载主要集中在1.4 MPa附近，极限应变集中在0.04附近，说明该组试件的离散程度较小。而TS1及TS6各组内6条曲线排列稀疏，各曲线间的极限应力和极限应变变化幅度较大，表明TS1及TS6两组试件的离散性较大。由此可得，当水泥掺量固定时，铁尾矿掺量的增加会增大改性材料的离散性。

（3）比较TS3、TS5、TS2的应力-应变曲线可知，当铁尾矿掺量均为10%，水泥掺量分别为5%、15%、25%时，曲线的斜率及极限应力随之增大，TS2的增幅最大。水泥掺量的增加对改性材料极限应力作用下的应变影响较小，3组曲线极限应力作用下的应变均集中在0.04左右。TS5及TS2两组6条曲线的排列紧密程度相对于TS3较稀疏，稀疏度从小到大依次为TS3、TS5、TS2，因此水泥掺量的增加加剧了改性材料的离散程度。由此可得，当铁尾矿掺量固定时，水泥掺量对改性材料强度及离散性影响较大，对变形影响较小，改性材料的强度及离散性随水泥掺量的增加而增大。

2.3.5 机理分析

材料的力学性能与材料组成密切相关。改性生土材料是由土、水泥及铁尾矿共同组成的混合体，其力学性能是三者共同作用的结果。黄土和铁尾矿的主要化学成分为SiO2，化学性质很稳定。在试件制作过程中，黄土和铁尾矿充分混合，铁尾矿会进入改性材料的空隙中，减少试件空隙，增加试件的密实度，同时硬度较大的铁尾矿起到骨料作用。水泥的主要矿物组成为C3S、C2S等，化学性质活跃。水泥熟料遇水发生化学反应生成水化硅酸钙及Ca（OH）2等。Ca（OH）2和SiO2在常温下进一步缓慢发生反应生成硅酸钙。大量水化硅酸钙及Ca（OH）2等凝胶包裹在生土颗粒及铁尾矿表面逐渐形成凝聚结构，并进一步填充改性材料内部的空隙。随着养护的进行，凝胶物质逐渐硬化，将土颗粒及铁尾矿胶结成一个坚实的整体，稳固了土体与铁尾矿的松散状态。同时试件的密实度提高，抵抗外力作用增强。因此，改性生土试件的抗压强度整体上高于生土试件[18]。

但并非所有改性生土试件的抗压强度均高于生土试件，如TS3、TS1。原因在于TS3和TS1的水泥掺量均为5%，水泥掺量较少，TS3中铁尾矿掺量为10%，掺量偏少不能完全填充试件土体之间的空隙，无法充分发挥出骨料的作用。而TS1中铁尾矿掺量为30%，生土颗粒与铁尾矿的接触面积增大，导致2种异性材料接触面会产生较多受力薄弱面，在压力作用下受力薄弱面极易破坏。这就导致TS1和TS3的抗压强度低于生土试件。

抗压强度的离散性表明改性生土材料不同组分下抗压强度的稳定性，建筑工程中需要稳定的建筑材料。本研究中改性生土材料由3种异性材料组成，打破了原有单一生土体系，导致试件的组成结构发生变化，在力的作用下表现出不同的力学性能。水泥掺量固定时，随铁尾矿掺量的增加，铁尾矿在试件中的分布离散度增加，降低了改性试件各组分分布的均匀性。同时增加了各组分间力学性能的差异性，这导致了改性试件抗压强度的离散程度随之增大。

在铁尾矿掺量固定时，改性生土试件的抗压强度离散性随水泥掺量的增加有增大，也有减小的规律，如TS3、TS5、TS2的抗压强度离散性增大，TS9、TS8以及TS6、TS4的抗压强度离散性减小。主要原因在于TS3、TS5、TS2中铁尾矿掺量为10%，处于低水平，对试件的整体性能影响较小。随着水泥掺量的增加，水泥水化作用增强，水化产物增多，水化产物对抗压强度的离散性起主导作用，导致改性试件各成分分布不均匀性以及力学性能差异增大，从而影响了改性试件抗压强度的离散性。对于TS9、TS8以及TS6、TS4中铁尾矿掺量分别为13%、20%，铁尾矿掺量增大，对试件的整体性能影响较大。随着水泥掺量的增加，水化产物增多，大量的水化产物凝胶能够将过多的铁尾矿和生土颗粒进行结合，使铁尾矿和生土颗粒之间具有较好的粘结作用，提高了试件的整体性，在受力过程中三者的力学性能能够相对统一地发挥作用，从而变异系数会有所减小，但随水泥掺量继续增加，变异系数仍会增大。

2.3.6 回归分析及频数寻优

为了较准确地反映抗压强度与各成分编码的关系，本文采用{3，3}三次多项式建立改性生土试件抗压强度（Y）与铁尾矿（X1）、水泥（X2）、生土（X3）各编码之间的回归方程。

根据表2及表3的数据，采用Design Expert软件对数据进行回归分析，建立统计模型如式（4）所示：

对式（4）进行拟合度评价，其中相关系数R2=0.9997，表明此模型能很好地拟合改性生土材料强度与铁尾矿、水泥及生土配方的比例关系。

本文对统计模型进行频数分析及寻优[19-20]。将X1、X2及X3三个因素的步长设置为0.1，每个因素取11个水平：0～1，且各因素编码Xi满足的条件，将各因素水平代入统计模型中得到66个抗压强度、铁尾矿掺量、水泥掺量及生土掺量的不同处理组合，用频数分析法对66个组合方案进行寻优。将抗压强度范围定在6～9 MPa，即6 MPa＜Y＜9 MPa，在66个方案中共有11个符合要求，占16.7%，相关频数分析见表4。根据Xi在95%置信区间的取值及Xi和Zi转换关系式（3）可得到各混料成分Zi的实际取值。

表4 铁尾矿、水泥改性生土材料配方试验频数分析

由表4可见，当铁尾矿掺量为12.1%～19.5%，水泥掺量为13.9%～19.1%，生土掺量为65.5%～69.9%时，铁尾矿及水泥改性生土材料的抗压强度有95%保证率处于6～9 MPa之间，此为最优配比范围。

3 结 论

（1）铁尾矿与水泥改性试件与生土试件破坏形态基本相似。裂缝出现在试件边缘等受力薄弱处，最终破坏形态均为“沙漏型”。改性试件的极限荷载总体高于生土试件，改性试件表现出较好的抗压性能。

（2）铁尾矿及水泥在改善生土材料抗压强度方面有显著作用。水泥掺量固定时，铁尾矿的合理掺量为15%～20%，且当铁尾矿掺量低于20%时，试件抗压强度总体上随铁尾矿掺量的增加而提高。铁尾矿掺量固定时，试件抗压强度随水泥掺量的增加而提高。

（3）水泥掺量固定时，改性生土试件抗压强度的离散性随铁尾矿掺量的增加而增大。铁尾矿掺量固定时，改性试件抗压强度的离散性随水泥掺量的增加而增大。同时，生土及改性生土材料的应力-应变曲线变化规律相似。但随铁尾矿、水泥及生土掺量的不同，应力-应变曲线在斜率、离散性等方面表现出不同的差异性。

（4）水泥作为生土基材料的改性材料，通过水化反应在铁尾矿和土体之间形成大量凝胶，提高材料的密实度，增强骨料颗粒表面的粘结性能。铁尾矿砂可以有效改善生土材料的强度，经过3种材料的有机结合，使得改性生土材料的抗压性能得到显著提高。

（5）根据统计模型和频数分析法得出，当铁尾矿掺量为12.1%～19.5%，水泥掺量为13.9%～19.1%，生土掺量为65.5%～69.9%时，铁尾矿及水泥改性生土材料的抗压强度有95%保证率处于6～9 MPa之间，此为最优配比范围。