鐵尾礦砂水泥復合土的力學性能研究*

陶華強，伍彥廷，陳奕秋，趙衛琪

1.浙江雙和環境建設有限公司，浙江 紹興 312000

2.紹興文理學院土木工程學院，浙江 紹興 312000

鐵尾礦砂是鐵尾礦石分選作業的產物之一[1-2]。鐵尾礦砂的堆存解決方案是重大難題之一，處理不當會對周邊環境造成嚴重的破壞，同時使庫區下游人民的生命財產安全受到嚴重威脅[3-4]。因此，如何利用這些鐵尾礦砂，變廢為寶，是減少鐵尾礦堆存的有效手段之一。許多學者對鐵尾礦砂的資源化利用進行了大量研究，其中，包括混凝土細骨料[5]、復合材料填料[6]、道路材料[7]等。水泥土具有高強度、低滲透性的特點，因此在公路、鐵路、飛機跑道等路基加固中得到廣泛的應用[8]。近年來，國內外眾多學者對水泥土的力學性能和耐久性能進行了充分的研究。曹智國等[9]、嚴紅霞等[10]和陳瑞生等[11]研究發現養護齡期、水泥摻量和含水率等是影響水泥土抗壓強度的主要因素。張陳等[12]和Lee等[13]研究了納米材料對水泥土力學性能的影響。鹿群等[14]、黃敏建[15]、陳四利等[16]研究發現在水泥土中摻入摻石灰、玻璃纖維、廢鋼渣等會明顯提高其力學性能。赫文秀等[17]研究發現當水泥土中摻入的砂量為50%時，其力學性能最佳。

綜上所述，在水泥土中摻入鐵尾礦砂會影響其力學性能。文章選取不同養護齡期、不同鐵尾礦砂摻量的鐵尾礦砂水泥復合土進行無側限抗壓強度試驗，確定其抗壓強度、殘余強度和峰值應變等參數，分析其變化規律，為鐵尾礦砂水泥復合土是否能作為地基土及路基土材料提供依據。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

試驗所用原材料為濱海路基土、鐵尾礦砂、水泥和水。路基土取自紹興濱海新城濱江區域，其主要物理性質指標，如表1所示。

表1 濱海路基土主要物理力學指標

所用鐵尾礦砂取自浙江紹興漓渚鐵礦，所用水為實驗室普通自來水，水泥選用強度為42.5的普通硅酸鹽水泥。通過物理性能測試，鐵尾礦砂的比重和比表面積分別為3.06和379m2/kg。利用Mastersizer 2000激光粒度分析儀對鐵尾礦砂進行粒度分析，得到小于45μm、45～75μm、75～100μm、100～150μm和大于150μm的顆粒含量，試驗結果如表2所示。

表2 鐵尾礦砂粒度分析結果

1.2 試樣方案

以含水率為80%、水泥摻量為15%的濱海路基土為基礎，分別摻入0%、15%、20%、25%鐵尾礦砂。試樣采用規格為直徑為39.1mm和高度為80mm的圓柱體，制作完成后，在表面封上一層濾紙，用橡皮筋固定后放入水中。按養護齡期7d和14d分為兩大組試驗，每大組按照鐵尾礦砂摻量不同分為4小組，每組摻量制作4個試樣，共8組32個試樣。測試設備采用全自動多功能無側限抗壓機，剪切速度設為1mm/min。

2 試驗結果

8組不同養護齡期和不同鐵尾礦砂摻量的水泥復合土共32個試樣，測得的應力應變數據，如圖1、圖2所示。其中，橫軸表示軸向應變，縱軸表示軸向應力。

由圖1可知，4組試樣的應力-應變曲線均呈軟化型曲線，且大致可以分為三個階段。（1）加載初期階段。不同鐵尾礦砂摻量下的水泥復合土應力-應變曲線都基本呈線性增長關系。（2）加載中期階段。試樣應力均隨應變的增加而上升，最后達到峰值。當鐵尾礦砂摻量分別為0%、15%、20%、25%時，試樣的峰值強度一般分別出現在2.09%～2.92%、1.26%～2.10%、1.26%～1.88%、1.46%～1.89%。（3）加載后期階段。當應變為8%時，各鐵尾礦砂摻量分別為0%、15%、20%、25%的水泥復合土所對應的殘余應力分別為15.63～25.38kPa、6～28.7kPa、6～18kPa、7～ 27.5kPa。

圖1中應力-應變曲線的峰值點即為無側限抗壓強度，因此根據每組不同摻量鐵尾礦砂水泥復合土可以獲得4個無側限抗壓強度值，由于試驗時的環境、儀器的測量精度、人員的操作熟練度以及材料等因素，都會造成測試數據發生一定的偏差，并不會達到完全一致，通過對試樣進行計算分析，得出4種鐵尾礦砂摻量分別為0%、15%、20%、25%的水泥復合土的無側限抗壓強度平均值分別為130.25kPa、110.30kPa、119.19kPa、113.76kPa。由此可知，在7d養護齡期的條件下，鐵尾礦砂摻量分別為15%、20%、25%的水泥復合土的強度與純水泥復合土的強度相比，分別降低了 15.32%、8.49%、12.66%。

圖1 水泥土應力-應變曲線（7d養護齡期）

由圖2可知，4組試樣的應力-應變曲線的變化與7d養護齡期試樣的應力-應變曲線大致相同。（1）加載初期階段。不同鐵尾礦砂摻量下的水泥復合土應力-應變曲線都基本呈線性增長關系。（2）加載中期階段。試樣應力均隨應變的增加而上升，最后達到峰值。其中，當鐵尾礦砂摻量分別為0%、15%、20%、25%時，試樣的峰值強度分別出現在1.87%～2.50%、1.88%～2.09%、1.04%～2.50%、1.25%～1.88%。（3）加載后期階段。當應變為8%時，各鐵尾礦砂摻量分別為0%、15%、20%、25%的水泥復合土所對應的殘余應力分別為0～36kPa、3.69～31.77kPa、3.56～55.60kPa、12～17.11kPa。通過對試樣進行計算分析，計算出14d養護齡期4種鐵尾礦砂摻量分別為0%、15%、20%、25%的水泥復合土的無側限抗壓強度平均值分別為 159.22kPa、155.10kPa、161.87kPa、149.80kPa。在14d齡期的條件下，鐵尾礦砂摻量分別為15%、20%、25%的水泥復合土的強度與純水泥復合土的強度相比大致相同。

對比圖1、圖2可以發現，試樣的養護齡期對鐵尾礦砂水泥土的強度有所影響。14d養護齡期的鐵尾礦砂水泥土的強度比7d養護齡期的鐵尾礦砂水泥土的強度有所提高。鐵尾礦砂摻量分別為15%、20%和25%的14d養護齡期水泥復合土的強度比7d養護齡期水泥復合土的強度分別提高了40.62%、35.81%和31.68%。養護齡期對試樣強度的影響主要是因為水泥的水化反應是個長期的過程，養護時間越長，水泥的水化反應越充分，水化產物越多，因此養護齡期越長會使鐵尾礦砂水泥土的強度越大。

圖2 水泥土應力-應變曲線（14d齡期）

隨著鐵尾礦砂摻入量的不斷增加，7d養護齡期和14d養護齡期下的鐵尾礦砂水泥土強度都先增大后逐漸減少。其中，鐵尾礦砂摻量為20%時，鐵尾礦砂水泥土無側限抗壓強度達到最大值。但是對于80%的高含水率鐵尾礦砂水泥土在7d養護齡期下的強度略低于純水泥混凝土，在14d養護齡期下的強度與純水泥土基本相同。

3 結論

（1）鐵尾礦砂水泥復合土的抗壓強度與養護時間成正比，并且14d養護齡期的強度比7d養護齡期有較多增長。

（2）隨著鐵尾礦砂摻入量的不斷增加，不同養護齡期下的鐵尾礦砂水泥土強度都先增大而逐漸減少。其中，鐵尾礦砂摻量為20%時，鐵尾礦砂水泥土無側限抗壓強度達到峰值。

（3）與純水泥復合土相比，7d養護齡期的鐵尾礦砂水泥復合土的強度略有降低。14d養護齡期的鐵尾礦砂水泥復合土強度與純水泥復合土強度大致相同，因此在高含水率的水泥復合土中添加鐵尾礦砂來增加強度的工程實際應用意義不大。