掺铁尾矿水泥稳定粉质黏土三轴试验研究

张玉龙 胡建林,* 郑瑞海 张艳丽

(1.河北建筑工程学院土木工程学院，075000；2.河北省沥青路面工程固废综合利用技术创新中心，075000)

0 引 言

水泥土具有材料来源广、易施工、强度高、稳定性好、整体性强、承载力高等优点，因此被广泛应用在边坡支护、渠道防渗、地基稳定等工程中.但是水泥土的缺点也十分明显，水泥土实质上是一种加了水泥的特殊土体，其强度较于素土有所提高，但在一些工程中仍远达不到需求，由于水泥土遇水会软化，因此对于施工要求较高，此外由于收缩系数较大，在用于复合地基处理时容易产生裂缝[1-3].为了提高水泥土的各项性能，需要对水泥土进行一定的改良措施.前人学者通过在水泥土中加入石灰、粉煤灰和火山灰等水泥土添加剂来进行研究取得不少的成果，赫文秀等[4]通过在水泥土中掺砂，得出掺砂量为50%时其改良效果最优.邓林飞[5]等通过在水泥土中加入一定的聚丙烯纤维，得到聚丙烯纤维能够有效的改进水泥土的性能.

近年来铁尾矿作为一种工业废料产生了许多问题，一些学者开始研究将铁尾矿砂加入到土体[6-7]中，取得了许多的成果.在前人研究的基础上，了解到掺入砂能很好地提高水泥土的强度，在土体中加入铁尾矿砂也能改良土体.现把铁尾矿砂加入到水泥土中，利用铁尾矿砂来改良水泥土，通过三轴试验探究铁尾矿掺量、围压、龄期等对水泥土的影响，为实际工程提供参考.

1 试验方案

1.1 试验材料

本试验用土取自河北省张家口地区某工地，取表面以下30cm处土，在室内经过凉干、粉碎、过筛而成；水泥采用河北省张家口市生产的金隅P·S·A 32.5矿渣硅酸盐水泥；铁尾矿来自宣化炼钢厂，性质属于特细铁尾矿砂.表1、表2为各材料的具体参数.

表1 试验土样参数

表2 铁尾矿砂参数

1.2 试件制备与实验方案

本研究对不同条件下的掺铁尾矿砂水泥复合土进行三轴压缩试验，包括试件的制备、养护和加载.按照《土工试验方法标准》[8](GB/T50123-2019)，取室内风干土样，破碎后过5 mm筛，在最优含水率下，配制不同铁尾矿掺量的土样，充分搅拌后备用，闷料24 h，按95%的压实度制作试件，利用三瓣饱和器制件，试件形状为高度125 mm，直径61.8 mm的圆柱体.利用保鲜膜将试件包裹密实，放入湿度95%，温度(20±2)℃养护箱内进行标准养护，养护结束后，对试样进行不固结不排水剪切试验，试验的加载速率为1mm/min.本试验目的是探讨铁尾矿砂水泥土在水泥土桩复合地基中的运用，因此采用的水泥比例为12%，为了研究铁尾矿掺量对水泥土的影响，水泥与铁尾矿掺入方式均采用外掺法，具体实验方案见表3.

表3 实验方案

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

各试样的峰值偏应力(σ1-σ3)结果如表4所示.

表4 各围压下峰值偏应力

2.2 铁尾矿砂水泥土抗剪强度分析

对不同铁尾矿掺入比的试件进行不同围压σ3下的试验，通过对试验数据分析绘制摩尔应力圆的破坏包线，经过计算得到黏聚力c与内摩擦角φ.不同掺量，不同龄期下掺铁尾矿水泥土的抗剪强度参数如表5所示，28d龄期铁尾矿砂水泥土摩尔应力圆见图1.

表5 铁尾矿砂水泥土试件的不排水剪切强度参数

图1 28d龄期抗剪强度包线

如图1、表5所示，随着围压的增大，水泥土作为一种复合土，其性质相较于软土有很大差别，在对天然软土进行不固结不排水剪切试验时，其强度包线近似为一条水平直线，φ值为0.龚雄楠[9]指出水泥土在进行不排水剪切试验时，其强度包线为一条斜直线，这与图1的试验结果是一致的，可以得出掺铁尾矿水泥土性质与水泥土的性质相似，而与天然软土性质有很大差别.

2.2.1 黏聚力C值

由图2可以看出，在7d与28d两个龄期状态下铁尾矿水泥土的黏聚力随铁尾矿掺量的增加均是先增大后减小的，掺铁尾矿砂的水泥土黏聚力相较于素水泥土均有了很大程度的提高，因此可以得出在水泥土在掺入一定量铁尾矿是可以提高其力学性能的，并且存在一个最优掺量.

图2 不同龄期下铁尾矿砂水泥土黏聚力对比

在7天龄期时，铁尾矿掺量为20%时，掺铁尾矿水泥土的黏聚力C值最大，由图2中可以得到，在铁尾矿掺量高于20%时，其黏聚力出现了较为明显的降低，不过仍高于素水泥土状态下的C值.在28天龄期时，同一铁尾矿掺量下，相较于7天龄期的水泥土黏聚力有了明显的提高，但黏聚力C值最大时的铁尾矿掺量由20%变为30%，掺量大于30%后其黏聚力也出现了明显的降低.可以得到最大黏聚力的铁尾矿掺量会随着龄期的增加而改变，另外，过高含量的铁尾矿掺量会降低铁尾矿砂水泥土的黏聚力C值.这是由于在低水泥含量下，加入过多的铁尾矿，导致水泥与铁尾矿和土之间不能很好的结合，无法充分形成抵抗应力的结构，造成土体的松散，抗剪强度降低.通过以上数据可以得到，在水泥土中加入一定量的铁尾矿能有效提高水泥土的黏聚力，在7天龄期时，其黏聚力最大的铁尾矿掺量为20%，在28天时，最大黏聚力的铁尾矿掺量变为30%.

2.2.2 内摩擦角φ值

如图3所示，在7天与28天龄期时，相同的铁尾矿掺量下，水泥掺量的增加均会使其内摩擦角φ值也相应增加，随着龄期的增加水泥土的φ值增大；掺铁尾矿水泥土的φ值随着铁尾矿掺量的增加总体呈现先增大后减小的趋势，在7天龄期，φ值最大对应得铁尾矿掺量为20%；在28天龄期，φ值最大所对应的铁尾矿掺量为30%，这与图2中关于掺铁尾矿砂水泥土黏聚力的规律相对应.与之不同的地方在于，内摩擦角的变化幅度并不大，7d龄期时，其内摩擦角在27.17°～31.03°之间.28d龄期时，其内摩擦角在32.96°～34.97°之间.由此可见，铁尾矿砂掺量对水泥土的影响主要作用在黏聚力的改变上,对于内摩擦角的改变并不不明显.

图3 不同龄期下铁尾矿砂水泥土内摩擦角对比

2.3 铁尾矿砂水泥土应力-应变曲线分析

以12%水泥掺量，28 d龄期的试件应力应变曲线为例，分析研究铁尾矿掺量对水泥土应力应变关系的影响.28 d龄期下，不同铁尾矿掺量，不同围压下的应力-应变关系如图4所示，其试件应力-应变曲线特征如下：

(1)由图4可以看出，掺铁尾矿水泥土的应力应变曲线可以总纳为4个阶段:弹性阶段，在此阶段，试件的应力会随着应变的增加匀速增大，在应力-应变曲线上近似表现为有一定斜率的直线;塑性屈服阶段，即当应力随着应变持续增加达到某一值时，试样的应力-应变曲线斜率发生改变，应力值随着应变的增加趋于一极限值,其切线的斜率近似为0；软化阶段，当应力达到顶点后，随着应变的增长应力呈下降趋势，斜率变为负值；残余应力阶段，随着应变的持续增加，试件的应力值趋于稳定，最终维持在相对平稳的范围内.

图4 28d龄期应力-应变曲线

(2)通过对图中数据对比发现，在同一围压，不同铁尾矿砂掺量下，水泥土的峰值应力均比素水泥土的峰值应力高，其中在铁尾矿掺量为30%时，峰值应力最高；在到达峰值应力时，应变也不相同，掺铁尾矿水泥土会在更少的应变下迅速达到峰值应力.相较于素水泥土，在弹性压缩阶段，试件应力-应变曲线的斜率会增大，其中在30%铁尾矿掺量下斜率最大；另外试件的残余应力也会随着铁尾矿的加入而改变，随着铁尾矿掺量的增加，试件的残余应力先增大后减小，在掺量为30%时，残余应力最大.

(3)在同一铁尾矿掺量下，随着围压的增加，铁尾矿砂水泥土的峰值应力，残余应力均增加，达到峰值应力所需的应变增加，在弹性压缩阶段的斜率变大；高围压的峰值软化阶段相较于低围压会更加平缓.

2.4 铁尾矿砂水泥土破坏形式

掺铁尾矿砂水泥土破坏后见图5，可以看出试件的破坏形式属于典型的脆性破坏，试件的破坏面十分明显，破坏后的裂缝单一且狭长，并且伴随着土体的剥落.

图5 破坏后的图片

单掺水泥的水泥土试件在短龄期内由于水泥的水化作用及硬凝过程没有充分进行，其变形特征为塑性剪切破坏，但随着龄期的增长，单掺水泥的水泥土试件变形逐渐向脆性发展[10]，呈现脆性剪切破坏,破坏时呈现贯穿整个试件的斜裂缝.铁尾矿砂水泥土的强度一方面由水泥的水化反应以及硬凝作用所提供，另一方面由于铁尾矿砂的加入，在水泥土中土、水泥、铁尾矿砂三者形成嵌合结构，进一步增加水泥土的强度.随着龄期的增加，水泥与铁尾矿砂的结合作用会更加明显，导致其破坏特征越来越近似于混凝土材料，铁尾矿砂在水泥土中可以起到类似于砂的作用.

3 结 语

通过对掺铁尾矿水泥土的试验研究可以得出，在水泥土中掺入一定比例的铁尾矿砂可以有效提高水泥土的强度，最优的铁尾矿掺量随龄期的改变而不同，在7d龄期时最优掺量为20%，28d龄期时最优掺量为30%；铁尾矿砂对水泥土内摩擦角与黏聚力影响规律是相似的，铁尾矿的加入主要改变水泥土的粘聚力，对内摩擦角的影响不明显；弹性压缩阶段的应力应变曲线斜率随铁尾矿掺量改变而改变；铁尾矿砂在水泥土中起到类似于砂的作用.