干湿循环作用下铁尾矿砂水泥土强度劣化规律

胡建林，高鹏飞，崔宏环，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)

1 研究背景

水泥土由于其良好的工程性质和经济效益，被广泛应用于软土地基处理、基坑边坡加固等工程中。但水泥土后期强度低、变形大[1]等问题使其发展受到了很大的制约。目前，国内外学者利用众多方法对水泥土进行了改良，例如在水泥土中加入纳米MgO[2]、硅粉[3]、粉细砂[4]等掺合料，都取得了较好的改良效果。由于上述掺合料造价高且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改良剂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后残留的固体废弃物，是目前工业废弃物的重要构成之一。铁尾矿的堆砌不仅会占用庞大的土地资源，而且会产生一系列环境污染问题。因此，铁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[5]。

对于水泥土而言，其干湿循环条件下的耐久性也是工程中较为重要的参数之一，Wang 等[6]对干湿循环条件下的水泥土进行了分析，得出压实度和水泥掺量越大，干湿循环下的强度劣化越小。Wang等[7]对不同土质水泥土进行干湿循环试验，结果表明：改变土的颗粒级配可以有效减小干湿循环造成的损伤。杨俊等[8]通过对风化砂改良膨胀土的干湿循环试验，得出掺入一定量风化砂可以提高膨胀土的抗干湿循环能力，并且把风化砂改良膨胀土随干湿循环次数的变化曲线分成3个阶段进行了详细的机理分析。周永祥等[9]、张洁[10]、郑旭等[11]针对不同掺合料的水泥土进行了干湿循环试验，表明水泥矿粉固化剂、聚丙烯纤维、活性碳等掺合料均可提高水泥土的干湿循环耐久性。

研究表明，干湿循环会对水泥土的力学性能造成一定程度的损伤，且加入一些掺合料可以有效改善水泥土的抗干湿循环能力。通过无侧限抗压强度试验及干湿循环试验，研究水泥掺量、铁尾矿砂掺量和干湿循环次数对铁尾矿砂水泥土强度及干湿循环耐久性的影响，并对其强度损伤进行机理分析，为季节性气候地区水泥土材料的施工提供理论参考。

2 试 验

2.1 试验材料

(1)土样：试验用土取自张家口市某建设场地粉质黏土，其基本物理性质见表1、颗粒级配曲线见图1。

图1 粉质黏土的颗粒级配曲线Fig.1 Particle distribution curve of silty clay

表1 土样的基本物理性质Table 1 Basic physical properties of soil samples

(2)水泥：水泥采用张家口金隅水泥厂生产的P·O 32.5级矿渣硅酸盐水泥。

(3)铁尾矿砂：铁尾矿砂为张家口宣化区某钢厂筛选后的颗粒废弃物，其化学成分见表2、颗粒级配曲线见图2。

图2 铁尾矿砂的颗粒级配曲线Fig.2 Gradation curve of iron tailing sand

表2 铁尾矿砂的化学成分Table 2 Chemical composition of iron tailing sand

2.2 试样制备

将重塑土样放入105 ℃的烘箱中烘干，碾碎并过2 mm土壤筛。将铁尾矿砂过2.36 mm砂石筛去除较大的颗粒杂质。通过击实试验获得不同配合比水泥土的最大干密度及最优含水率，如表3所示，试件均采用最优含水率制作。将素土及铁尾矿砂充分混合后加水至预定含水率并放入保鲜袋中密封，24 h之后加入水泥并搅拌均匀，放入模具内静压成型，试件尺寸为Φ100 mm×H100 mm。试件成型后静置4 h后脱模，之后用保鲜膜密封放入恒温恒湿的标准养护箱中养护。

表3 不同掺量水泥土击实试验结果Table 3 Result of compaction test on cement-soil of varied mix ratio

2.3 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验参考《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233—2011)[12]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。

2.4 干湿循环试验

干湿循环试验分为脱湿和增湿2个部分，综合考虑北方地区降雨情况，并参考文献[13]，设定水泥土增湿含水率上限为20%，脱湿含水率下限为5%。为保证干湿循环试验的准确性，将试件侧面用保鲜膜包裹，使水分只通过上下表面进行迁移。干湿循环方式为先干后湿，其循环步骤如下：试件养护到龄期前一天浸水24 h，并取不同配合比试件的一个测量含水率定为水泥土的初始含水率，脱湿过程采用低温烘干法，将试件放入30 ℃的烘箱中，每隔2 h测量其质量，直至试件质量到达下限含水率计算质量后停止烘干。增湿过程采用水箱浸泡法，将试件放入恒温水浴中吸水，每隔2 h测量其质量，直至试件质量到达上限含水率计算质量后停止吸湿，此为一次干湿循环。对到达循环次数的水泥土试件进行抗压强度试验，以强度指标评价水泥土试件抵抗干湿循环的能力。

2.5 试验方案

无侧限抗压强度试验研究水泥掺量、铁尾矿砂掺量对水泥土抗压强度的影响。参考《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233—2011)，选取水泥掺量分别为8%、10%、12%、14%、16%、20%，铁尾矿砂掺量分别为0%、10%、20%、30%、40%，养护龄期为28 d，压实度为95%，共计30种工况，其中每个配比做3个平行试件，去除变异系数较大的数值后，测试结果取平均值。

干湿循环试验探究循环次数以及水泥掺量对铁尾矿砂水泥土耐久性的影响。选定干湿循环次数分别为0、3、6、9、15次，水泥掺量分别为8%、10%、12%、14%、16%、20%，铁尾矿砂掺入量为无侧限抗压强度试验中铁尾矿砂的最佳掺入量，同时选取铁尾矿砂掺量为0%的素水泥土进行对比，其中每个配比做3个平行试件，测试结果取平均值。

3 试验结果分析

3.1 铁尾矿砂水泥土无侧限抗压强度试验分析

图3为铁尾矿砂水泥土在不同水泥掺量下，铁尾矿砂掺量与抗压强度的关系曲线。从图3可以看出，铁尾矿砂水泥土在不同水泥掺量下的抗压强度曲线基本一致，都是随着铁尾矿砂掺量的增加呈先增加后减小的趋势，铁尾矿砂掺量在0%～20%时，水泥土强度基本呈直线上升趋势，而在铁尾矿砂掺量超过20%后，水泥土强度呈下降趋势，但其最终强度仍与素水泥土相当。因此，在研究的掺量范围内，铁尾矿砂的最优掺量为20%，其强度增长率最高可达到71%。同时从图4可以看出，铁尾矿砂对水泥土的增强作用在低水泥掺量时表现得更为明显，例如在铁尾矿砂掺量10%时，水泥掺量8%的水泥土强度增长率为41%，而水泥掺量20%的强度增长率仅为6%。这是因为在低水泥掺量下，水泥水化反应与土体形成的凝结硬化物孔隙较大，在受到外力作用时易产生裂缝，而铁尾矿砂可以有效填充水泥土骨架中的孔隙，使水泥土的结构更加致密，进而提高水泥土的抗压强度。

图3 铁尾矿砂掺量与抗压强度的关系曲线Fig.3 Curves of iron tailing sand content versus compressive strength

图4 不同水泥掺量下铁尾矿砂的强度增长率Fig.4 Strength growth rate of iron tailing sand with different cement content

不同铁尾矿砂掺量下，水泥与抗压强度的关系曲线如图5所示。从图5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近似呈对数曲线增加。当水泥掺量在8%～12%时，水泥水化及火山灰反应发展迅速，土体之间的黏结力不断增强，水泥土强度增加迅速。当水泥掺量在12%～16%时，水化反应充分进行并逐渐形成包裹土体的水泥-土结构，进而使水泥土强度快速增加。当水泥掺量在16%～20%时，水泥过多导致水泥土水化效应不充分，同时根据Horpibulsuk等[14]的研究，水泥过多会形成水泥-石与水泥-土结构的分化，导致其内部强度产生差异，进而使水泥土强度增加缓慢。总的来说，水泥掺量会影响水泥土的强度增长趋势，水泥掺量越高其强度增长趋势越小，即铁尾矿砂水泥土存在一个比较经济的水泥掺量范围，超过这个范围后水泥土的强度将增加得十分缓慢。

图5 水泥掺量与抗压强度关系曲线Fig.5 Curves of cement content versus compressive strength

3.2 干湿循环对铁尾矿砂水泥土强度的影响

图6为不同水泥掺量下，水泥土干湿循环次数与抗压强度的关系曲线。从图6可以看出，素水泥土与铁尾矿砂水泥土的抗压强度都会随着循环次数的增加而不断衰减，但衰减程度不同，素水泥土在循环初期强度损失较大，而在循环后期强度损失较小且逐渐趋于平缓。铁尾矿砂水泥土在循环初期强度损失较小，超过一定循环次数后强度下降明显。同时，水泥掺量对2种水泥土抗压强度的影响十分显著，即在相同循环次数下，水泥掺量越高，经过干湿循环后水泥土的强度越大。

图6 2种水泥土循环次数与抗压强度的关系曲线Fig.6 Curves of cycle number versus compressive strength of plain cement soil and iron tailings cement soil

干湿循环对2种水泥土的强度都会造成一定程度的劣化，这是因为在干湿循环作用下，土体会发生吸水扩张、失水紧缩的现象，这种现象会造成水泥土试件产生干缩及湿胀等变形作用。由于水泥土在经历水化作用后，其内部孔隙较小且土颗粒之间的黏结程度较高，湿胀变形会使水泥土内部孔隙扩张进而破坏土颗粒之间的黏结作用，而干缩变形又会导致水泥土的脆性进一步增加，反复作用后就会导致土体内部产生应力集中，进而使水泥土结构产生微裂缝，造成其结构破坏、强度降低等现象。而水泥土在经历多次干湿循环后，其内部孔隙结构会产生扩展，进而使干缩湿胀变形有一定的空间[15]，从而缓解了水泥土强度的持续降低，这也是素水泥土在循环初期强度损失较大而在后期强度损失趋于平缓的原因。而对于铁尾矿砂水泥土来说，铁尾矿砂的掺入会使水泥土内部的孔隙结构更加致密，有效减少干湿循环初期水泥土试件表面土粒的脱落，从而抑制水泥土在循环初期的强度损失。但随着循环次数的增加，铁尾矿砂水泥土与素水泥土一致，其内部孔隙扩张导致强度降低越来越明显，且加入铁尾矿砂会替换土体中的黏性颗粒，使水泥土的脆性增加，侧向约束减弱，进而使铁尾矿砂水泥土的强度损失在循环后期反而高于素水泥土。综上所述，铁尾矿砂的掺入会使水泥土的干湿循环损失滞后，但多次干湿循环后其强度损失反而高于素水泥土。

4 结 论

通过无侧限抗压强度试验以及干湿循环试验，探究了铁尾矿砂水泥土在干湿循环作用下的强度劣化规律，得到如下结论：

(1)铁尾矿砂掺量在20%以下对水泥土的强度提升最大，在40%以下对水泥土的强度提升最小，最高强度增长率约为70%；铁尾矿砂对水泥土的增强作用在低水泥掺量时表现更为明显。

(2)随着水泥掺量的增加，铁尾矿砂水泥土的抗压强度基本呈对数曲线增加，即水泥掺量越高其抗压强度增长趋势越小。

(3)在干湿循环作用下，2种水泥土的强度损伤程度不同，素水泥土在循环初期强度损失较大，而在循环后期强度损失较小且逐渐趋于平缓。铁尾矿砂水泥土在循环初期强度损失较小，超过一定循环次数后强度下降明显。即铁尾矿砂水泥土抵抗干湿循环的能力在循环初期高于素水泥土而在循环后期低于素水泥土。

(4)水泥土在干湿循环作用下的强度劣化原因是孔隙水发生干缩湿胀变形，使土体内部产生应力集中，从而使水泥土产生微裂隙，强度降低。