海水環境下鎳鐵渣粉水泥土的抗滲性能

陳 峰， 童生豪， 賴文濤

（1.福建江夏學院工程學院，福建福州 350108；2.福州大學土木工程學院，福建福州 350116；3.福建省交通規劃設計院有限公司近海公路建設與養護新材料技術應用交通運輸行業研發中心，福建 福州 350001）

在軟土固化技術中，水泥是使用最為廣泛的固化劑［1］，尤其在工程止水防滲方面，同時也使得水泥土常處于具有腐蝕性的場地環境中［2-3］.因此，近幾年有不少學者對水泥土在特定環境下的抗腐蝕性進行了研究.閆楠等［4］通過模擬試驗研究了海洋環境對水泥土的侵蝕劣化作用.寧寶寬等［5-6］揭示了侵蝕環境中的Cl-、Mg2+、SO2-4具有衰弱水泥土強度的作用，同時研究了Cl-、Mg2+、SO2-4對水泥土侵蝕的作用機理.Chai［7］在水泥土中摻入石灰，研究了石灰對其滲透性的影響規律.袁偉［8］通過標準環境和海水環境的對比試驗，得到了海水環境會導致水泥土滲透性增大和強度下降的規律.陳四利等［9］通過化學侵蝕環境的模擬，發現侵蝕環境和pH 值對水泥土滲透性能有較大影響.Chew 等［10-11］采用微觀方法，從微細觀層面研究了水泥土固化的作用機理.Heineck 等［12］對遭受到堿性污染物影響的水泥土進行研究，得到了其強度衰減規律.綜上，已有學者通過外摻材料來提高水泥土在腐蝕環境下的性能，但利用鎳鐵渣粉來加強水泥土抗滲性的研究還鮮見報道，且海洋環境下水泥土強度及抗滲性能也未得到應有的重視.因此，本文通過將工業廢渣——鎳鐵渣粉摻入水泥土中，來探討海水環境下摻鎳鐵鐵渣粉水泥土的抗滲性能.

1 試驗

1.1 原材料

根據《制鹽工業手冊》模擬制備人工海水，其主要鹽類含量（質量分數，本文涉及的含量、比值等除特殊說明外均為質量分數或質量比）見表1.土料取自福州市倉山區竹欖河附近某地鐵站的基坑，其為全新統第四系地層長樂組海相沉積層的淤泥，含水率為58.5%，重度為16.01 kN/m3，孔隙比（體積比）為1.53.采用福建煉石牌P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，該水泥質量符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》的相關規定.高爐鎳鐵渣粉及?；郀t礦粉均來自福建源鑫環保科技有限公司，其中m（鎳鐵渣粉）∶m（礦粉）=2∶1，混合改良依據及礦物外加劑的化學成分參照文獻［13］.試驗用水均為經過超純水機凈化后的純凈水.

表1 人工海水的主要鹽類含量Table 1 Main salt content of artificial seawater

1.2 配合比設計

水泥土的水灰比為0.5，水泥摻入比為15%.以鎳鐵渣粉等質量替代水泥，其摻量w=0%、10%、20%、30%、40%，制備的鎳鐵渣粉水泥土分別記為CS-0（基準組）、CS-10、CS-20、CS-30、CS-40.研究清水環境和海水環境對浸泡齡期 t=7、28、60、90 d 時鎳鐵渣粉水泥土的抗滲性能.水泥土滲透試驗后，取部分水泥土碎塊進行齡期為90 d 的壓汞試驗、掃描電鏡-能譜分析試驗.

1.3 試驗方法

將48 h 后拆模的水泥土試樣分別置于清水養護箱和海水養護箱中浸泡養護至設定齡期.滲透試驗采用TJSS-25 型水泥土滲透裝置，試驗前采用石蠟對鎳鐵渣粉水泥土進行密封止水，操作步驟根據JGJ/T 23—2011《水泥土配合比設計規程》進行.溫度T ℃下鎳鐵渣粉水泥土的滲透系數KT，根據達西定律及JGJ/T 23—2011 中滲透系數測定要求進行計算：

式中：V 為滲水量；i 為水力梯度；A 為試樣中部的橫截面積；p 為滲透壓力；γw為水的重度，取 0.009 8 N/cm3；h 為試樣高度 .

水泥土滲透試驗以20 ℃為標準溫度，對滲透系數KT進行修正：

式中：K20為水溫在20 ℃下的水泥土滲透系數；ηT為T ℃下水的動力黏滯系數，符合GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》中的相關規定；η20為20 ℃時水的動力黏滯系數.

壓汞試驗采用PoreMaster 60GT 型壓汞儀，掃描電鏡（SEM）試驗采用QUANTA250 多功能鎢燈絲掃描電鏡及其配套的X 射線能譜儀（EDS）.

2 結果與討論

2.1 滲透性試驗結果分析

清水環境和海水環境下水泥土的滲透系數見圖1.采用定基比法，將水泥土的滲透系數與相同環境下對照組的滲透系數進行比較計算，得到其下降率，結果見表 2.由圖 1、表 2 可見：（1）浸泡齡期為 7 d 時，水泥土滲透系數均隨鎳鐵渣粉摻量增加而呈下降的趨勢，表明其抗滲性能隨鎳鐵渣粉摻量增加而提升，且2 種環境下曲線的變化趨勢基本相同；當鎳鐵渣粉摻量w=40%時，2 種環境下的水泥土滲透系數相同，說明早齡期時環境對水泥土抗滲性能的影響不大.（2）浸泡齡期為28 d 時，清水環境下水泥土的滲透系數均低于海水環境，這表明水泥土中摻入鎳鐵渣粉能使其抗滲性能得到增強，而海水環境使其抗滲性能略有降低.其原因在于隨著水泥土固化作用的持續進行，鎳鐵渣粉不僅可以發揮活性作用，而且還起到微集料效應的作用，從而使水泥土更加致密，提升其抗滲性能，但海水環境中侵蝕物質對水泥土的侵蝕作用逐漸增強，導致其抗滲性能劣化，即其滲透系數大于清水環境下.（3）浸泡齡期為60 d 時，隨著鎳鐵渣粉摻量的增加，鎳鐵渣粉對水泥土抗滲性能的增強效果也增加，但當鎳鐵渣粉摻量超過20%時，其對水泥土抗滲性能的提升效果略有放緩.海水環境的侵蝕對水泥土抗滲性能具有較強的負面影響，但鎳鐵渣粉摻量的增加能緩解這種負面影響.（4）浸泡齡期為90 d 時，隨著鎳鐵渣粉摻量的增加，水泥土抗滲性能提升較快，但當鎳鐵渣粉摻量較高時，其增長幅度減緩.綜上，鎳鐵渣粉摻量的增加能大幅提升水泥土的抗滲性能，同時減小海水環境對水泥土的侵蝕作用.下文研究中，水泥土的浸泡齡期均為90 d.

圖1 清水環境和海水環境下水泥土的滲透系數Fig.1 Permeability coefficient of cement soil in clean water and seawater environment

表2 清水環境和海水環境下水泥土滲透系數的下降率Table 2 Decrease rates of permeability coefficient of cement soil in clear water and seawater environment

2.2 壓汞試驗分析

不同鎳鐵渣粉摻量下水泥土的孔徑（D）分布曲線見圖2.由圖2可見：浸泡齡期為90 d時，水泥土內部水泥的硬凝作用基本趨于穩定，清水環境下各配合比水泥土孔徑曲線的發展趨勢基本一致；鎳鐵渣粉摻量為0%～40%的水泥土最可幾孔徑分別為60.73、51.41、47.44、42.71、39.79 nm，這表明水泥土抗滲性能隨鎳鐵渣粉摻量增加而提高，這是因為浸泡齡期為90 d時，水泥水化雖然趨于完全，但水泥土內部的鎳鐵渣粉活性效應仍能發揮較大的作用，使CS-40 的最可幾孔徑較基準組CS-0 減小了34.5%；與清水環境相比，海水環境下水泥土的最可幾孔徑增長幅度較大，且此時CS-40的最可幾孔徑仍然最小，這與2.1所述CS-40抗滲性最好結果一致.鎳鐵渣粉的玻璃體在水泥土內發生似火山灰效應，生成的水化產物使水泥土結構更加致密，降低了水泥土的最可幾孔徑；水泥土直接暴露在海水環境下時，侵蝕物質（主要為Cl-和SO2-4）對水泥土具有較大的侵蝕作用，增大了水泥土的最可幾孔徑.

圖2 不同鎳鐵渣粉摻量下水泥土的孔徑分布曲線Fig.2 Pore size distribution curves of concrete soil with different contents of ferronickel slag powder

浸 泡 齡 期 為 90 d 時 ，CS-0、CS-10、CS-20、CS-30、CS-40 的總孔隙率（體積分數）在清水環境下分別為36.47%、34.28%、33.68%、32.22%、31.19%；海水環境下分別為52.89%、52.43%、41.23%、36.52%、34.81%.由此可見，水泥土的總孔隙率隨著鎳鐵渣粉摻量的增加而減低，同時海水環境的侵蝕也導致其總孔隙率增大.這是由于鎳鐵渣粉在水泥土中主要起到微集料效應和活性效應，摻入鎳鐵渣粉可以有效地降低水泥土的孔隙率，使水泥土形成更加致密的結構，提升水泥土的整體性，同時能緩解海水環境的侵蝕.

2.3 SEM-EDS 結果分析

海水環境下水泥土的SEM 及EDS圖譜見圖3.由圖3可見：水泥土中生成了大量的水化產物，以絮凝狀水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠為主，填充了水泥土疏松的孔隙，并將土顆粒和鎳鐵渣粉膠結在一起，形成空間鑲嵌的整體；水泥土中還出現了較多易識別的六方板狀、層狀結構，其可能為氫氧化鈣（CH）晶體或Friedel"s（F）鹽晶體；六方板狀、層狀結構隨著鎳鐵渣粉摻量的增加而增多，且摻入鎳鐵渣粉能增強水泥土對Cl-的結合能力，因此六方板狀、層狀結構為F鹽晶體的可能性較大.

圖3 海水環境下水泥土的SEM 及EDS 圖譜Fig.3 SEM images and EDS spectra of cement soil in seawater environment

結合EDS 能譜圖可知，水泥土中O、Si 元素含量較多，這與水泥土中存在較多C-S-H 凝膠情況一致.海水環境中的Cl-能與鋁酸三鈣（C3A）及溶解的CH 反應生成F 鹽晶體，而摻入鎳鐵渣粉可以促進這一反應.海水環境侵蝕后水泥土中檢測出大量的Cl元素，再次證明Cl 對水泥土的水化過程具有一定影響.隨著鎳鐵渣粉摻量的增加，水泥土中Cl 元素的含量均略有增大，這表明鎳鐵渣粉的摻入使水泥土對Cl-的結合能力增強.浸泡齡期為90 d 時，CS-0、CS-20、CS-40 的鈣硅比（摩爾比）分別為0.97、0.94、0.41，這是因為隨著侵蝕時間的增加，滲入到結構內部的Cl-、SO2-4和Mg2+等侵蝕離子含量逐漸增加，含量較大的侵蝕離子能生成鈣硅比較大的C-S-H 凝膠.水泥土的鈣硅比隨著鎳鐵渣粉摻量的增加而降低，這表明其抗滲性能有所提高.在海水的影響下，水泥土中不但會生成較為疏松的C-S-H 凝膠，而且侵蝕離子會與活性礦物生成大量的膨脹性鈣礬石（AFt）、F 鹽、石膏，當其生成量達到一定值時，會破壞水泥土的整體性，并對水泥土的抗滲性能產生不良影響.

3 結論

（1）水泥土中摻入鎳鐵渣粉能提升其抗滲性能.隨著鎳鐵渣粉摻量的增加，水泥土的滲透系數逐漸減小；當鎳鐵渣粉摻量超過20%后，對水泥土抗滲性能的增強效果變緩，即鎳鐵渣粉摻量增加對水泥土抗滲性能的影響變小.

（2）海水環境對水泥土抗滲性能的劣化作用主要表現在浸泡齡期28 d 以后.海水環境下的滲透系數明顯大于清水環境下的滲透系數，而水泥土中摻入鎳鐵渣粉能減緩海水環境對其抗滲性能的劣化.

（3）由壓汞試驗結果可知，摻入到水泥土的鎳鐵渣粉能發揮出微集料效應和活性效應，隨著鎳鐵渣粉摻量的增加，水泥土的最可幾孔徑逐漸減小，總孔隙率逐漸減小，水泥土基體更加密實.因此鎳鐵渣粉能明顯緩解海水環境對水泥土孔隙結構的劣化，提高其抗滲性能.

（4）結合SEM 和EDS 對鎳鐵渣粉水泥土的微觀形貌分析可知，浸泡齡期為90 d 時，水泥土中的水化產物大幅度增加，水化產物有效地將土顆粒和鎳鐵渣粉粘結為一體，結構較為密實.同時，海水環境對水泥土的影響較為顯著，使得水泥土的形貌結構更為疏松，鈣硅比增大，導致水泥土的抗滲性能降低.