镍铁渣粉掺量对於泥固化土的剪切强度影响研究

2022-01-17陈开荣郑铖杰沈世林

水利与建筑工程学报 2021年6期

陈开荣，陈峰，郑铖杰，沈世林

(1.中国电建集团福建工程有限公司，福建福州 350008；2.福建江夏学院工程学院，福建福州 350108；3.福州大学紫金地质与矿业学院，福建福州 350116)

沿海滩涂是一种重要的土地再生资源,对其进行围垦开发,已成为沿海地区解决土地紧张、促进经济发展的重要技术措施[1-5]。但是滩涂围垦区淤泥土属海相沉积土，具有含水率和压缩性高、强度和透水性低等特点，工程开发较为困难[6-8]。所以在电力建设工程中为适应滩涂围垦区的工程开发，常常采取水泥土加固技术来进行地基处理，然而这种技术会出现因海水的侵蚀作用导致加固土体的抗剪切强度变低所带来的固化效果不佳的问题。因此为了提高水泥土的抗剪切强度，国内外诸多学者开展了相关外掺剂的研究。吴王意等[9]通过直剪试验，发现纤维的掺入明显提高了滨海软土的黏聚力与内摩擦角，从而提高了水泥土的抗剪切强度；Wang等[10]通过在纳米MgO改性滨海水泥土直剪试验研究发现，纳米MgO可以增加水泥土抗剪的强度，当纳米MgO掺入比为1%时，试样的抗剪强度达到最大值；梁仕华等[11]将水洗后的垃圾焚烧飞灰掺入到水泥中，通过三轴固结不排水试验，得到了相同水泥掺量下，随着飞灰含量增加，水泥土的抗剪强度增加的结论；解邦龙等[12]等采用不固结不排水三轴剪切试验分析养护龄期对粉煤灰水泥土的影响，结果表明：掺入粉煤灰试样的抗剪强度随养护龄期的增加逐渐增大且28 d的抗剪强度达到最大。工业废料镍铁渣粉同样作为一种具有潜在活性的掺和料，已经有学者将其掺入到水泥土中来提高水泥土的抗剪切强度[13-15]。然而针对镍铁渣粉掺量对滩涂围垦区於泥质固化土的剪切强度影响研究还是鲜有报道。

因此，本试验将镍铁渣粉和水泥掺入滩涂围垦区淤泥土中，对镍铁渣粉水泥土进行不固结不排水三轴剪切试验。从而研究水泥土对滩涂围垦区进行地基加固处理中，在面对施工进度较快且改良土体的透水性和排水条件较差的工况下其抗剪强度随镍铁渣粉掺量的变化规律，最终为镍铁渣粉在电力建设工程中为提高滩涂地区软基原位加固土体的抗剪切破坏提供试验依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

(1) 土：本试验所用土料取自某滩涂围垦区内，土料为海相沉积层的淤泥土，基本物理力学指标如表1所示。

表1 淤泥土基本物理力学指标

(2) 水泥：本试验采用“杨春山水”牌(P.O42.5)普通硅酸盐水泥，该水泥质量符合《通用硅酸盐水泥》[16](GB 175—2007)的相关规定。

(3) 水：本试验中配制水泥土所使用的水，均为福州自来水经过型号为WP-RO-10B超纯水机净化后的提纯水。

(4) 镍铁渣粉：为高炉镍铁渣粉和粒化高炉矿粉混合而成，高炉镍铁渣粉与矿粉的质量比为2∶1。

1.2 试验方法

1.2.1 试验方案

本试验是按原状土的含水率(58.5%)配制湿土料，水泥土的水胶比为0.5，胶凝材料的掺入比为15%。具体见式(1)、式(2)、式(3)，试验方案见表2。其中镍铁渣粉取代水泥质量比30%为代表10%、20%的试验组(预试验和前人研究成果中10%、20%、30%具有相同的变化趋势)，45%为规范[17]矿物掺合料的最大掺量限度，60%为超过规范[17]中最大限度值45%而设置的对照组。

(1)

式中：Rwb为水胶比；W为水的质量；C为水泥加镍铁渣粉的质量。

(2)

式中：Rcm为胶凝材料掺入比；m1为水泥的质量；m2为湿土的质量。

(3)

式中：Rn为镍铁渣粉等质量取代比；m3为镍铁渣粉替代水泥的质量；m4为掺入凝胶材料的总质量。

1.2.2 试验仪器与试样制作

本次试验采用南京土壤仪器厂生产的应变控制式三轴仪，试验模具为39.1 mm×80.0 mm的圆柱体。

试样制作流程为：

(1) 按试验方案称取土样和水后均匀搅拌，制备重塑土。

(2) 按试验方案称取水泥、镍铁渣粉和水均匀搅拌后，制备水泥浆。

(3) 将水泥浆加入重塑土中搅拌5 min。

(4) 将水泥土分四次加入模具中，每次四分之一且每次加入后振捣60 s以上再进行下一次掺入。

(5) 水泥土振捣成型后，放入标准养护室养护24 h。

(6) 养护24 h后，将水泥土拆模、贴上标签后继续养护至相应龄期。

表2 三轴压缩试验方案

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

通过将相同镍铁渣粉掺量、相同养护龄期的试件分别在100 kPa、200 kPa、300 kPa的围压下进行三轴试验，画出在各条件下的摩尔应力圆以及其公切线(其中切线与y轴的截距为黏聚力，公切线的斜率为内摩擦角)，得到了镍铁渣粉水泥土各试验组分别在7 d、28 d和60 d龄期的黏聚力和内摩擦角，具体见表3所示。

表3 水泥土试件的不固结不排水剪切强度参数

2.2 结果分析

图1、图2分别为镍铁渣粉掺量与水泥土黏聚力和内摩擦角的关系，表4为镍铁渣粉淤泥水泥土的黏聚力随掺量的增长率。

图1 镍铁渣粉掺量与黏聚力的关系图

图2 镍铁渣粉掺量与内摩擦角的关系图

表4 镍铁渣粉淤泥水泥土的黏聚力随掺量的增长率

通过上述数据进行分析如下：

(1) 在养护龄期7 d时，镍铁渣粉的掺量对水泥土的黏聚力影响相对明显。当镍铁渣粉掺量从0%上升到30%时，淤泥水泥土的黏聚力从129.9 kPa升高到179.8 kPa，升高了49.9 kPa，增长率为38.42%；当镍铁渣粉掺量从30%上升到45%时，淤泥水泥土的黏聚力从179.8 kPa升高到187.2 kPa，升高了7.4 kPa，增长率为4.12%；当镍铁渣粉掺量从45%上升到60%时，淤泥水泥土的黏聚力从187.2 kPa降低到128.8 kPa，降低了58.4 kPa，增长率为-31.2%。

由此可见，养护龄期7 d时，镍铁渣粉的掺量对水泥土三轴抗压性能的影响主要在于黏聚力。分析其主要原因是水泥土内部凝胶物质将不同粒径的颗粒聚合在一起，形成黏聚力，而凝胶物质的产生在早龄期阶段主要是水泥和镍铁渣粉水化反应生成了水化产物。此时，镍铁渣粉受到龄期和矿粉的影响较少，其活性并未被完全激活，即使在此情况下，水泥土的黏聚力仍然受到镍铁渣粉掺量的影响，说明镍铁渣粉在早龄期时对水泥土掺量的影响就超过了水泥。与此同时，镍铁渣粉也起到作为微集料填充孔隙的作用，其颗粒将水泥土结构中的细小微孔加以填充，使水泥土的内部结构的致密性得到提升。

另外於泥土质的镍铁渣粉水泥土，其黏聚力都是随着镍铁渣粉掺量的提升呈现单峰趋势，即在掺量0%至掺量45%范围内先增大，在掺量45%时达到峰值后又随掺量的增长而有所下降。由此，可见镍铁渣粉掺量并非越多越好，而是存在一个较优的掺量区间。在养护龄期为7 d时，可以通过数据分析判断，其较优的掺量区间在掺量45%左右。

(2) 在养护28 d龄期时，镍铁渣粉掺量对水泥土的黏聚力影响进一步增大。当镍铁渣粉掺量从0%上升到30%时，淤泥水泥土的黏聚力从171.8 kPa升高到243.8 kPa，升高了72 kPa，增长率为41.91%；当镍铁渣粉掺量从30%上升到45%时，淤泥水泥土的黏聚力从243.8 kPa升高到258.3 kPa，升高了14.5 kPa，增长率为5.95%；当镍铁渣粉掺量从45%上升到60%时，淤泥水泥土的黏聚力从258.3 kPa降低到200.1 kPa，降低了58.2 kPa，增长率为-22.53%。

在28 d龄期时，矿粉对镍铁渣粉的活性激发能力大大增强了，在矿粉的激活下镍铁渣粉参与类似水泥的水化反应的能力逐渐显现出来，生成的水化产物充分的填充了镍铁渣粉水泥土的孔隙，将土颗粒更加紧密的胶结在一起，使结构的致密性、完整性相比7 d龄期得到质的提升，大大提升了其黏聚力。而镍铁渣粉水泥土的内摩擦角变化不大，随着掺量的提升有一定的提升，但提升的幅度相较于黏聚力并不明显。

28 d龄期的黏聚力受镍铁渣粉影响的趋势与7 d 龄期时保持一致，即在掺量45%之前先随掺量增大而增大，掺量45%后随掺量增大而减小。由此也更能够说明镍铁渣粉掺量为45%时会对水泥土的黏聚力较为有利。

(3) 在养护60 d龄期时，当镍铁渣粉掺量从0%上升到30%时，淤泥水泥土的黏聚力从203.1 kPa升高到299 kPa，升高了95.9 kPa，增长率为47.22%；当镍铁渣粉掺量从30%上升到45%时，淤泥水泥土的黏聚力从299 kPa升高到321.1 kPa，升高了22.1 kPa，增长率为7.39%；当镍铁渣粉掺量从45%上升到60%时，淤泥水泥土的黏聚力从321.1 kPa降低到249.5 kPa，降低了71.6 kPa，增长率为-22.3%。

在养护60 d龄期时，此时水泥水化反应的影响力已经逐步减弱，而镍铁渣粉随着龄期的增长而受到矿粉激活的潜力越大。随着镍铁渣粉的活性逐步增强，生成了更多对水泥土的力学性能有效的产物，弥补了水泥水化反应减弱的影响。因此，镍铁渣粉掺量对水泥土的黏聚力影响愈发显著，掺量越大，其黏聚力的增长率相比早龄期有更显著的提升。

掺量对黏聚力的影响比重又有更明显的增大。

通过以上三个阶段黏聚力随掺量变化的发展规律，可以判断出镍铁渣粉等质量替代水泥的掺量比例达到45%时，能够发挥的效用接近最大化，对水泥土的黏聚力的影响程度较高，因此镍铁渣粉掺量为45%是有利于水泥土的较优掺量。