侯芮， 陈四利， 马啸， 胡炎通， 江国龙

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110870)

1 引言

水泥土由于具有低渗、高强等特点，可作为路基加固土应用在铁路、公路、飞机跑道等路基加固工程中。中国铁尾矿的产出量巨大，尾矿的堆积占用土地、污染环境、不安全等问题都造成了诸多负面影响。将铁尾矿砂应用于水泥土不仅可以改善环境污染，更加节约了建筑材料。因此，对铁尾矿砂水泥土的力学性能的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。

近年来，国内外学者对水泥土的力学性能作了广泛研究。如曹智国、严红霞、陈瑞生等进行了水泥土抗压强度的影响因素研究，得出影响水泥土强度的主要因素有水泥掺量、养护龄期、含水率等。鹿群、夏永杰、陈四利等研究了掺石灰、纤维、废钢渣等对水泥土力学性能的影响;韩鹏举等研究了化学腐蚀溶液对水泥土强度的影响规律；赫文秀等进行了掺砂水泥土的力学性能研究，得出掺砂量为50%时效果最佳。

该文在上述研究基础上将铁尾矿砂应用于水泥土，并通过室内无侧限抗压试验、抗折试验研究铁尾矿水泥复合土的抗压性能，抗折性能随水泥掺量、龄期、尾矿砂掺量的关系；分别拟合出抗压强度、抗折强度与尾矿砂掺量的函数关系，为工程应用服务。

2 试验概况

2.1 试验原材料

试验采用的土样为取自沈阳市某路基地的粉质黏土，其主要物理性质指标见表1。所用铁尾矿砂取自鞍山某尾矿库，其主要物理性质指标见表1，细度模数为1.2，属于高硅型特细尾矿砂。选用强度等级为42.5级的普通硅酸盐水泥，试验用水为自来水。

表1 土样、铁尾矿砂的物理性质指标

2.2 试验方案及方法

水泥土试件中水泥掺量取3种：12%、16%、20%，尾矿砂按0、15%、20%、25%等质量代替土体，水灰比取1.2。根据JGJ T233-2011《水泥土配合比设计规程》，采用70.7 mm×707 mm×70.7 mm、40 mm×40 mm×160 mm的试模分别制备试件108个，在清水环境下养护7、14、28 d。

试件养护到指定龄期后，采用WDW-100C微机控制电液伺服万能试验机进行抗压试验，电动抗折试验机进行抗折试验。

3 试验结果及分析

3.1 水泥掺量对尾矿砂水泥土强度的影响

图1为7、28 d龄期水泥土抗压强度随水泥掺量的变化情况。

图1 不同龄期水泥掺量-抗压强度曲线

从图1可以看出：水泥掺量对铁尾矿砂水泥复合土的抗压强度影响显著。在养护时间为7 d、铁尾矿砂掺量为15%的条件下，水泥掺量为16%、20%的强度达到4.96、5.41 MPa，较同龄期水泥掺量为12%的强度分别增长67%、82%。所以，抗压强度随水泥掺量的增加而增大。

图2为28 d抗折强度随水泥掺量的变化规律。

由图2可以看出：随水泥掺量的增加，抗折强度增加。铁尾矿砂掺量为25%，水泥掺量为20%的水泥土试件抗折强度达到2.82 MPa，较水泥掺量为12%、16%的强度分别增长63.0%、13.25%。其主要原因在于水泥掺量的增加，加剧了水泥水解、水化反应，生成的水化胶凝物质增多，包裹在土颗粒和铁尾矿砂表面，增加土体内部的黏结力，使内部结构更加密实，水泥土的抗压、抗折强度增加。与水泥掺量由12%增至16%相比，水泥掺量由16%增至20%时，抗压、抗折强度均增长缓慢。所以从经济效益角度出发，铁尾矿砂水泥复合土的水泥掺量不宜过大，控制在16%左右较为合理。

图2 28 d龄期水泥掺量-抗折强度曲线

3.2 尾矿砂掺量对水泥土强度的影响

图3为不同龄期水泥土抗压强度随铁尾矿砂掺量的变化情况。从图3可以看出：在不同龄期，不同水泥掺量下，抗压强度随尾矿砂掺量的增加逐渐增加。铁尾矿砂掺量为25%，水泥掺量为12%、16%、20%的试件，养护7 d后，其抗压强度分别达到3.65、5.39、5.82 MPa，是纯水泥土强度的1.65、1.27、1.12倍，能够满足一般工程的强度需要。当龄期达到28 d时，铁尾矿砂掺量每增加5%，水泥掺量为20%、16%、12%的铁尾矿砂水泥复合土试件，其抗压强度平均增长0.34、0.57、0.69 MPa。因此，在铁尾矿砂掺量小于25%的条件下，尾矿砂掺量越大，水泥土的抗压强度越大。

图4为不同龄期尾矿砂水泥土抗折强度随尾矿砂掺量的变化关系。从图4可看出：在尾矿砂掺量小于25%条件下，龄期达到28 d时，抗折强度与铁尾矿砂掺量近似呈直线增长，水泥掺量为20%、16%、12%的铁尾矿砂水泥复合土，铁尾矿砂掺量每增加5%，其抗折强度分别平均增长0.12、0.17、0.15 MPa。

低掺量的尾矿砂提高水泥土强度的主要原因：① 尾矿砂的加入可以改善土颗粒的级配，减小土体的空隙率，增加水泥土的密实性，因此水泥土的抗压、抗折强度有所提高；② 铁尾矿砂属于高硅型特细尾矿砂，化学成分与土相似，但粒径大于黏土颗粒，在土体中充

图3 不同龄期尾矿砂掺量-抗压强度曲线

图4 不同龄期尾矿砂掺量-抗折强度曲线

当了粗骨料的作用，在水泥水化、硬化形成的胶凝物质的作用下，使土颗粒围绕其形成整体，故水泥土的抗压、抗折强度有所提高。

由于水泥土早期强度不稳定，在这里讨论龄期为28 d，不同水泥掺量的水泥土抗压强度、抗折强度与尾矿砂掺量的函数关系，应用Matlab软件进行拟合。得到尾矿砂水泥土的强度fcu、抗折强度ft与尾矿砂量S的表达式如下：

fcu=a(S)+b

(1)

ft=c(S)+d

(2)

式中：a、b、c、d为回归系数。

求得的抗压、抗折强度与铁尾矿砂掺量的回归系数和相关度R1、R2见表2，相关度R1、R2均大于0.9，说明抗压强度、抗折强度与尾矿砂掺量按照一次函数拟合效果较好。

表2 强度与铁尾矿砂掺量的回归系数

3.3 龄期对尾矿砂水泥土强度的影响

图5、6分别为纯水泥土、尾矿砂掺量为15%的水泥土抗压、抗折强度随龄期的变化情况。

图5 纯水泥土、尾矿砂15%水泥土龄期-抗压强度曲线

从图5、6可以看出：在养护龄期小于28 d的条件下，铁尾矿砂水泥复合土的抗压、抗折强度随龄期增长而增加，与纯水泥土的变化规律相同，强度增加的原因在于水泥的水化反应是一个长期作用的过程，养护时间越长，水泥的水化反应越充分，水化产物越多，所以水泥土强度不断提高。

图6 纯水泥土、尾矿砂15%水泥土龄期-抗折强度曲线

水泥掺量为12%，尾矿砂掺量为15%的水泥土在前7、7～14、14～28 d龄期，抗压强度平均每天分别增长0.99、0.15、0.16 MPa，抗折强度平均每天增长0.04、0.15、0.01 MPa，故铁尾矿砂水泥复合土的抗压、抗折强度早期强度增长较快，后期强度增长较慢，这一变化规律与纯水泥土相似。

4 结论

对尾矿砂水泥复合土的抗压强度、抗折强度随水泥掺量、龄期、铁尾矿砂掺量的变化关系进行研究，得到的主要结论如下：

(1) 铁尾矿砂水泥复合土的抗压、抗折强度均随水泥掺量的增加而增大，但水泥掺量大于16%时强度增长较缓慢，所以，水泥掺量控制在16%左右，更具有经济效益。

(2) 铁尾矿砂水泥复合土的抗压、抗折强度随龄期的增长而增大，并且早期强度增长较快，后期强度增长较慢。

(3) 当尾矿砂掺量小于25%时，水泥土的抗压、抗折强度随铁尾矿砂掺量的增加而增大，符合线性函数关系，并且当水泥掺量较小时，掺尾矿砂效果明显。

(4) 在该文试验条件下，养护龄期为28 d，水泥掺量为12%，尾矿砂掺量为15%的水泥土抗压抗折强度分别达到5.5、1.38 MPa，能够满足一般工程的强度需要。