海水侵蝕下復(fù)摻礦粉和鎳鐵渣粉的水泥土力學(xué)性能分析

蔡隆文 劉同 陳峰

摘 要：【目的】研究地基處理采用的水泥土在海水侵蝕環(huán)境影響下的力學(xué)性能，為沿海地區(qū)地基處理工程提供技術(shù)支持。【方法】將復(fù)合鎳鐵渣粉以等質(zhì)量替代的方式摻入到水泥土中，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，進(jìn)行抗侵蝕系數(shù)分析。【結(jié)果】海洋環(huán)境對(duì)水泥土的強(qiáng)度具有劣化作用，而摻入復(fù)合鎳鐵渣粉能提升水泥土的強(qiáng)度性能，緩解海洋環(huán)境對(duì)其強(qiáng)度的劣化作用。【結(jié)論】復(fù)合鎳鐵渣粉能起到微集料效應(yīng)、形貌效應(yīng)和活性效應(yīng)，提升水泥土的密實(shí)程度，對(duì)水泥土的性能產(chǎn)生有利影響。

關(guān)鍵詞：復(fù)合鎳鐵渣粉；水泥土；抗壓強(qiáng)度；海洋環(huán)境

中圖分類號(hào)：TU41 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2023）14-0082-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.016

Analysis on Strength Property of Cemented Soil with Additions of Compound Ferronickel Slag Powder in Marine Environment

CAI Longwen1 LIU Tong1 CHEN Feng2

（1.Research and Development Center of Transport Industry of New Materials， Technologies Application for Highway Construction and Maintenance of Offshore Areas （ Fujian Communications Planning & Design Institute Co.， Ltd）， Fuzhou 350004， China; 2.College of Engineering， Fujian Jiangxia University， Fuzhou 350108，China）

Abstracts： [Purposes] This paper aims to study the strength property of cement-soil used in foundation treatment under the influence of marine environment， which can provide technical support for foundation treatment projects in coastal areas. [Methods] The same quality of compound ferronickel slag powder instead of cement is mixed into soil-cement. Through unconfined compressive strength test， the anti-erosion coefficient is analyzed. [Findings] The marine environment had bad influences on the strength of soil-cement， and the addition of compound ferronickel slag powder can enhance the strength of soil-cement， and the deterioration of the strength of soil-cement is reduced. [Conclusions] The compound ferronickel slag powder has micro-aggregate effect， morphological effect and activation effect， which not only improves compaction rate of soil-cement， prevents invasion of erosive ions in marine environment， but also has positive effects on performance of soil-cement.

Keywords： compound ferronickel slag powder; cemented soil; compressive strength; marine environment

0 引言

水泥土主要是由土、水泥、水和外加劑等物質(zhì)按一定比例混合而成的復(fù)合材料［1］。水泥土憑借因地制宜、就地取材、施工靈活和低滲透性等特性［2］，在工程中得到廣泛應(yīng)用，并取得顯著效果。Daraei等［3］利用水泥土攪拌法加固公路邊坡，并對(duì)加固后公路邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。水泥土的齡期、養(yǎng)護(hù)條件、施工工藝等都對(duì)水泥土強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響，已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了充分研究［4-5］。近年來，隨著工程建設(shè)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代海洋開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略越來越受到重視。同時(shí)，水泥土在海岸工程、海島工程和海底隧道等海洋巖土工程的應(yīng)用中發(fā)揮了不可替代的作用。由于在海洋環(huán)境場(chǎng)地條件中存在大量對(duì)水泥土具有腐蝕性的侵蝕離子，因此水泥土在工程中的安全使用和耐久性越來越受到學(xué)者們的重視。Pham等［6］研究了海洋環(huán)境中的硫酸鹽對(duì)水泥土柱的劣化影響。Shihata 等［7］研究了水泥土長(zhǎng)時(shí)間暴露在含有鹽漬離子的地下水中侵蝕離子對(duì)水泥土的耐久性和抗壓強(qiáng)度的影響。

在水泥土中摻入特定的外加劑，不僅能提升水泥土的力學(xué)性能和耐久性能，而且能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。目前，常見的水泥土外加劑主要有苛性鈉、硫酸鹽、氯化鈣、纖維、粉煤灰、礦粉和納米硅粉等。陳峰［8］的研究結(jié)果表明，在水泥土中摻入適量的玄武巖纖維能提升水泥土的力學(xué)性能。Meng等［9］研究了在海洋環(huán)境中復(fù)合納米碳酸鈣對(duì)水泥土的強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)的影響，并得到海洋環(huán)境對(duì)水泥土的強(qiáng)度和耐久性有很大影響的結(jié)論。Kalantari等［10］的研究表明硅粉能提升水泥土的強(qiáng)度和承載力。

鎳鐵渣是冶煉鎳合金時(shí)排放的工業(yè)固體廢渣，若該廢渣處理不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。目前，已有學(xué)者開始把鎳鐵渣應(yīng)用于水泥的制作和合成材料［11］等方面的研究中。鎳鐵渣粉具有潛在活性、價(jià)格低廉和耐久性等優(yōu)點(diǎn)［12］。如果能把鎳鐵渣碾磨成粉，并將它應(yīng)用于水泥土材料中，這不僅能有效消納鎳鐵廢渣，還能降低工程的建設(shè)成本。本研究通過在水泥土中摻入鎳鐵渣粉-礦粉復(fù)合摻和料，對(duì)比分析清水環(huán)境和海洋環(huán)境下水泥土的力學(xué)性能差異。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

主要試驗(yàn)材料為土、水泥、水和復(fù)合鎳鐵渣粉。土料取自福建省福州市某地鐵站的基坑內(nèi)的淤泥，pH值為6.82，土壤的基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1。水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，該水泥質(zhì)量符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)用水為福州市自來水經(jīng)提純后的純水。鎳鐵渣粉雖然價(jià)格低廉，但它的化學(xué)活性相對(duì)水泥較低。為了克服這一缺點(diǎn)，在鎳鐵渣粉中摻入化學(xué)活性較高的礦粉。鎳鐵渣粉質(zhì)量與礦粉質(zhì)量之比為2∶1。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)。本試驗(yàn)參考《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJT 233—2011），進(jìn)行水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以此研究水泥土的強(qiáng)度性能。試驗(yàn)研究采用尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試樣，試驗(yàn)所用裝置為MTS landmark 370.25試驗(yàn)機(jī)。

本研究選用水泥土的水灰比值為0.5，膠凝材料的摻入比例為15%。試驗(yàn)中復(fù)合鎳鐵渣粉以等質(zhì)量替代水泥質(zhì)量的方式摻入到水泥土中。復(fù)合鎳鐵渣粉的摻入比例為0%、10%、20%、30%、40%和50%。試驗(yàn)中有兩種養(yǎng)護(hù)環(huán)境，分別為清水環(huán)境和海洋環(huán)境，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d、28 d、60 d和90 d。海洋環(huán)境用水根據(jù)《制鹽工業(yè)手冊(cè)》人工配制得到，人工海水的主要鹽類含量見表2。

水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式見式（1）。

fu= [pA] （1）

式中：p為試樣的破壞荷載，N；A為試樣與夾具接觸的受壓面積，mm2；fu為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa，精確至0.01 MPa。

1.2.2 抗侵蝕性分析。海水中的鹽漬離子對(duì)水泥土具有侵蝕作用，本研究參考《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法》（GB/T 749—2008）中水泥抗蝕性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)出適合評(píng)價(jià)水泥土的抗海洋環(huán)境侵蝕性能的評(píng)價(jià)方法。在對(duì)比分析清水環(huán)境和海洋環(huán)境中水泥土強(qiáng)度差異的基礎(chǔ)上，對(duì)水泥土抗環(huán)境侵蝕性能進(jìn)行研究，得到抗侵蝕系數(shù)KT，見式（2）。

KT = [海洋環(huán)境下水泥土T時(shí)的抗壓強(qiáng)度清水環(huán)境下水泥土T時(shí)的抗壓強(qiáng)度] （2）

式中：KT為水泥土的抗侵蝕系數(shù)，精確至0.001；T為水養(yǎng)浸泡時(shí)間。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 復(fù)合鎳鐵渣粉摻量與強(qiáng)度的關(guān)系

清水環(huán)境和海洋環(huán)境下水泥土的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別如圖1和圖2所示。鎳鐵渣粉水泥土無論是在清水環(huán)境中還是在海洋環(huán)境中，其強(qiáng)度的定基增長(zhǎng)率均隨著鎳鐵渣粉摻量的增加而增長(zhǎng)。7 d齡期時(shí)，水泥土的強(qiáng)度低，強(qiáng)度隨著鎳鐵渣粉摻量增加的增長(zhǎng)趨勢(shì)緩慢。28 d齡期時(shí)，水泥土強(qiáng)度整體上升趨勢(shì)增幅較大，鎳鐵渣粉摻量20%～40%區(qū)間時(shí)的強(qiáng)度增幅會(huì)大于0%～20%的強(qiáng)度增幅，而鎳鐵渣粉摻量40%～50%區(qū)間時(shí)水泥土強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)略有放緩。相比于早齡期60 d和90 d時(shí)，水泥土強(qiáng)度—鎳鐵渣粉摻量關(guān)系曲線的增長(zhǎng)趨勢(shì)大幅上升，鎳鐵渣粉摻量在20%～40%區(qū)間時(shí)尤為明顯。因此，摻入鎳鐵渣粉能提升水泥土的強(qiáng)度性能，且其強(qiáng)度性能會(huì)隨摻量的增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

為了較直觀地對(duì)比分析不同環(huán)境下水泥土強(qiáng)度變化的異同點(diǎn)，繪制出清水環(huán)境和海水環(huán)境水泥土強(qiáng)度的對(duì)比曲線，如圖3所示。同時(shí)，為了更好地分析鎳鐵渣粉摻入量對(duì)水泥土強(qiáng)度的增強(qiáng)效果及發(fā)展程度，本研究將以環(huán)比的方式對(duì)鎳鐵渣粉水泥土的強(qiáng)度進(jìn)行等步逐期對(duì)比分析。

①7 d齡期時(shí)，海洋環(huán)境與清水環(huán)境兩條強(qiáng)度曲線的增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致，但海洋環(huán)境水泥土的強(qiáng)度曲線始終略低于清水環(huán)境的強(qiáng)度曲線，這表明7 d齡期時(shí)海洋環(huán)境對(duì)鎳鐵渣粉水泥土的強(qiáng)度有不良影響。清水環(huán)境鎳鐵渣粉摻量0%～50%的5組水泥土的環(huán)比增長(zhǎng)率分別為1.9%、9.3%、5.1%、37.6%和-1.0%，海洋環(huán)境下5組水泥土的環(huán)比增長(zhǎng)率分別為20.7%、7.4%、11.9%、34.2%、1.0%，這也表明摻入復(fù)合鎳鐵渣粉對(duì)水泥土強(qiáng)度是有利的。

②28 d齡期時(shí)，在相同復(fù)合鎳鐵渣粉摻量條件下，海洋環(huán)境下水泥土強(qiáng)度比清水環(huán)境下的強(qiáng)度有較明顯的下降，且摻和料摻量低的強(qiáng)度下降幅度會(huì)略大于摻量高的情況。這表明28 d齡期時(shí)鎳鐵渣粉對(duì)水泥土的強(qiáng)度發(fā)揮了較大的作用，使水泥土的強(qiáng)度得以增強(qiáng)。該齡期時(shí)海洋環(huán)境的不利影響程度也開始增強(qiáng)，導(dǎo)致海洋環(huán)境下水泥土強(qiáng)度比清水環(huán)境下的水泥土強(qiáng)度降低明顯。清水環(huán)境下5組水泥土的環(huán)比增長(zhǎng)率分別為6.3%、11.1%、19.8%、20.4%和14.2%，海洋環(huán)境下5組水泥土的環(huán)比增長(zhǎng)率分別為6.4%、12.4%、21.1%、22.5%和11.3%。所有的環(huán)比增長(zhǎng)率都是正值，且水泥土強(qiáng)度環(huán)比增長(zhǎng)率隨著摻和料摻量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，鎳鐵渣粉摻量40%的強(qiáng)度環(huán)比增長(zhǎng)速度最快，說明對(duì)水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)效果較為有利的復(fù)合鎳鐵渣粉的摻量較優(yōu)值為40%。

③60 d和90 d齡期時(shí)，同樣水泥土強(qiáng)度隨鎳鐵渣粉摻量的增加會(huì)有大幅度提升。水泥土中水泥的水化作用趨于穩(wěn)定，而鎳鐵渣粉的化學(xué)活性對(duì)強(qiáng)度的發(fā)展有明顯作用。清水環(huán)境與海洋環(huán)境下水泥土的強(qiáng)度發(fā)展曲線已經(jīng)有了較明顯的差異，即復(fù)合鎳鐵渣粉摻量低時(shí)兩種環(huán)境下水泥土強(qiáng)度差值較大。

2.2 水泥土的抗侵蝕系數(shù)

7 d齡期時(shí)水泥土中水泥的水化作用強(qiáng)烈，海洋環(huán)境中的侵蝕離子對(duì)水泥土強(qiáng)度的侵蝕劣化作用遠(yuǎn)小于其自身的固化作用。此時(shí)，水泥土的強(qiáng)度得到較快增長(zhǎng)，但其強(qiáng)度發(fā)展并不穩(wěn)定，水泥土的抗侵蝕系數(shù)K7不能很好地評(píng)價(jià)水泥土抗海洋環(huán)境侵蝕的性能，因此本研究不將其作為評(píng)定指標(biāo)。

由水泥土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律可知，28 d齡期后水泥土的強(qiáng)度還能持續(xù)增長(zhǎng)，且海洋環(huán)境對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響表現(xiàn)得更為明顯。因此，本研究采用28 d齡期后的抗侵蝕系數(shù)K28、K60和K90作為評(píng)定指標(biāo)。同時(shí)，根據(jù)式（2）的意義，本研究認(rèn)為在相同齡期下水泥土的抗侵蝕系數(shù)越接近1，其抗海洋環(huán)境侵蝕性能越好。28 d、60 d和90 d齡期時(shí)的抗侵蝕系數(shù)如圖4所示。從圖4中可以看出，在28 d齡期時(shí)，水泥土的抗侵蝕系數(shù)KT值都在0.9以上且差值較小，隨著侵蝕齡期的增加，抗侵蝕系數(shù)呈現(xiàn)出不同程度的下降趨勢(shì)，未摻摻和料的水泥土抗侵蝕系數(shù)下降速度最快，這表明未摻鎳鐵渣粉的水泥土的抗海洋環(huán)境侵蝕性能比摻鎳鐵渣粉水泥土的差。對(duì)比摻有鎳鐵渣粉的水泥土，顯然鎳鐵渣粉摻量低時(shí)其抗侵蝕系數(shù)KT下降得快，鎳鐵渣粉摻量小于20%時(shí)KT的下降速度明顯快于摻量大于20%時(shí)的下降速度，當(dāng)鎳鐵渣粉摻量為50%時(shí)其抗侵蝕系數(shù)的下降幅度略有減小。同時(shí)可以看出，K28、K60和K90隨鎳鐵渣粉摻量變化的規(guī)律整體上呈先上升后下降的趨勢(shì)，這說明水泥土的抗海洋環(huán)境侵蝕性能會(huì)隨著鎳鐵渣粉摻量的增加而提升，但這種趨勢(shì)并不會(huì)無限增長(zhǎng)。當(dāng)鎳鐵渣粉摻量超過40%時(shí)其抗海洋環(huán)境侵蝕性能略呈下降趨勢(shì)，因此水泥土中存在一個(gè)抗侵蝕性能較優(yōu)的摻量值，且該摻量值為40%。

3 結(jié)論

通過本研究可以得到以下幾個(gè)結(jié)論。

①水泥土中摻入一定量的復(fù)合鎳鐵渣粉對(duì)其強(qiáng)度性能是有利的，并且隨著摻和料摻入量的增加其強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)復(fù)合鎳鐵渣粉的摻入量達(dá)到40%后，水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)的速度開始減小。

②海洋環(huán)境對(duì)水泥土的強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。摻入復(fù)合鎳鐵渣粉后，能減緩海洋環(huán)境對(duì)水泥土強(qiáng)度的劣化作用。在海洋環(huán)境下對(duì)水泥土最為有利的摻和料摻量為40%。

③復(fù)合鎳鐵渣粉水泥土的抗侵蝕系數(shù)具有時(shí)間效應(yīng)，28 d齡期后的抗侵蝕系數(shù)KT能較好地判別水泥土的抗侵蝕能力。水泥土抗侵蝕系數(shù)的值越趨近于1，水泥土的抗侵蝕性能越好。本研究得出抗侵蝕性能較好的摻和料摻入值為40%。

參考文獻(xiàn)：

［1］DUAN X L，ZHANG J S.Mechanical properties， failure mode， and microstructure of soil-cement modified with fly ash and polypropylene fiber［J］.Advances in Materials Science and Engineering，2019，2019：1-13.

［2］BRUCE D A. An introduction to the deep soil mixing methods as used in geotechnical applications［J］. European Journal of Organic Chemistry，2000，578（1）：94-100.

［3］DARAEI A，HERKI B M A，SHERWANI A F H，et al. Slope stability in swelling soils using cement grout： a case study［J］. International Journal of Geosynthetics and Ground Engineering， 2018，4（1）：1-10.

［4］陳瑞生，蔡榮坤.水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響因素分析［J］.中外公路， 2005，25（2）：140-142.

［5］嵇曉雷，朱逢斌.水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］.四川建筑科學(xué)研究，2011，37（5）：146-148.

［6］PHAM V N，TURNER B，HUANG J，et al. Long-term strength of soil-cement columns in coastal areas［J］. Soils and Foundations，2017，57（4）：645-654.

［7］SHIHATA S A，BAGHDADI Z A. Long-term strength and durability of soil cement［J］. Journal of Materials in Civil Engineering，2001，13（3）：161-165.

［8］陳峰.玄武巖纖維水泥土抗拉性能試驗(yàn)研究［J］. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）， 2016，33（2）：188-193.

［9］MENG T，QIANG Y J，HU A F，et al. Effect of compound nano-CaCO3 addition on strength development and microstructure of cement-stabilized soil in the marine environment［J］. Construction and Building Materials，2017，151：775-781.

［10］KALANTARI B，PRASAD A，HUAT B B K. Cement and silica fume treated columns to improve peat ground［J］. Arabian Journal for Science and Engineering，2013，38（4）：805-816.

［11］KATSIOTIS N S，TSAKIRIDIS P E，VELISS ARIOU D，et al. Utilization of ferronickel slag as additive in portland cement： a hydration leaching study［J］. Waste and Biomass Valorization， 2015，6（2）：177-189.

［12］李浩，楊鼎宜，沈武，等.摻鎳渣對(duì)混凝土耐磨性能的影響研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2015，34（11）：3122-3128.