本发明属于水泥土材料技术领域，具体涉及一种镍铁渣粉与矿粉复掺的水泥土材料及其制备方法。
背景技术：
随着国家经济的快速发展和城市化进程的不断推进，越来越多的大型桥梁、港口码头、道路和建筑物等将被投入到工程建设之中，而水泥土作为一种建筑材料凭借其优良的性能已经在工程建设中取得了良好的效果(如地基处理、止水帷幕、水泥土搅拌桩等)，并且还将长期投入到工程建设之中，其运用范围也将越来越广，因此对于如何提高水泥土的性能和降低工程造价已成为大家广泛关注的问题。
长期以来，水泥土凭借其优良的性能和简易的制备过程被广泛的运用于各种工程实践当中，如基坑工程用于隔离地下水、地基处理用于加强软弱地基的承载力等方面，并且也起得了很好的加固效果，因此，未来水泥土在工程中的运用不仅不会减少，而且将变的更加广泛。我国每年冶金工业生产过程中都会产生大量的各种冶金废渣，这些巨量冶金废渣的堆积不仅会占用大量的土地资源，而且还会污染环境和影响市容市貌。镍铁渣是冶金废渣中很重要的组成部分，通过从这些冶金废渣加工而得的镍铁渣粉可以作为水泥的矿物混合材，是一种具有活性、无污染、造价低廉等的优良材料。而矿粉是由粒华高炉矿渣粉磨而成的矿物掺和料，是一种早期活性较高的材料。因此，如果将镍铁渣粉和矿粉以混掺的形式等量取代水泥掺入到水泥土中不仅可以实现资源的循环利用、变废为宝，而且由于镍铁渣粉比水泥的价格便宜，从而也能降低工程的建设成本，实现良好的经济效益。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对将镍铁渣粉和矿粉等量取代水泥掺入到水泥土中所带来的价值，需设计出一种最优的配比方法，使得镍铁渣粉与矿粉复掺的水泥土材料的性能在符合规范要求的同时，尽可能做到即经济又合理。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种镍铁渣粉与矿粉复掺的水泥土材料，其原料按重量份数计包括：土料1000份、水泥120份、镍铁渣粉21份、矿粉9份。
其中水泥土材料的加水量根据原状土的天然含水率进行计算。
所述土料为野外取回的淤泥质土，烤干后将土粉碎，使用振筛机过2mm筛，并按原状土的天然含水率进行配置。
所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥。水灰比为0.45，按式(1)进行计算；水泥掺入量为15wt％，按式(2)进行计算。
式中：w为水的质；
c为水泥的质量。
式中：αw为水泥掺入比；
m1为水泥的质量；
m2为湿土的质量。
所述镍铁渣粉为镍渣废弃物粉磨而成，粒径主要分布在0.27μm～4.38μm之间。
所述矿粉为粒化高炉矿渣粉磨而成，粒径主要分布在0.65μm～5.23μm之间。
如上所述镍铁渣粉与矿粉复掺的水泥土材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按配比称取土料和水(按原状土含水率)混合均匀。
(2)称取水泥、镍铁渣粉、矿粉和纯水搅拌均匀，并配置成水泥浆。
(3)将步骤(2)中的水泥浆掺入到步骤(1)土样中并搅拌均匀，时间不少于5min。
(4)振实成型后进行养护至相应龄期。
本发明的效果在于：本发明通过将镍铁渣粉以20％取代水泥，矿粉以30％取代镍铁渣粉运用于水泥土，并以水灰比0.45、水泥掺量为15wt％，在此配比设计下，不仅保证了水泥土的规范要求，而且在降低工程的建设成本的同时，也实现了资源的循环利用、变废为宝，符合国家的可持续发展战略。
附图说明
图1为矿粉掺量对抗压强度的影响；
图2为矿粉掺量与龄期对粘聚力的影响；
图3为矿粉掺量与龄期对内摩擦角的影响；
图4a为围压为0kpa时7d龄期主应力差与轴向应变关系曲线；
图4b为围压为100kpa时7d龄期主应力差与轴向应变关系曲线；
图4c为围压为100kpa时7d龄期主应力差与轴向应变关系曲线；
图4d为围压为300kpa时7d龄期主应力差与轴向应变关系曲线；
图5a为围压为0kpa时28d龄期主应力差与轴向应变关系曲线；
图5b为围压为100kpa时28d龄期主应力差与轴向应变关系曲线；
图5c为围压为200kpa时28d龄期主应力差与轴向应变关系曲线；
图5d为围压为300kpa时28d龄期主应力差与轴向应变关系曲线；
图6a为围压为0kpa时为60d龄期主应力差与轴向应变关系曲线；
图6b为围压为100kpa时为60d龄期主应力差与轴向应变关系曲线；
图6c为围压为200kpa时为60d龄期主应力差与轴向应变关系曲线；
图6d为围压为300kpa时为60d龄期主应力差与轴向应变关系曲线。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不仅仅限于这些实施例。
实施例1
所述镍铁渣粉与矿粉复掺的水泥土材料的主要原料按重量份数计包括：土料1000份、水泥120份、镍铁渣粉21份、矿粉9份。其中加水量根据原状土的天然含水率进行计算。
所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥。水灰比为0.45，按式(1)进行计算；水泥掺入量为15wt％，按式(2)进行计算。
式中：w为水的质；
c为水泥的质量。
式中：αw为水泥掺入比；
m1为水泥的质量；
m2为湿土的质量。
所述镍铁渣粉与矿粉复掺的水泥土材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按配比称取土料和水(按原状土含水率)混合均匀。
(2)将所需水泥、镍铁渣粉、矿粉和纯水搅拌均匀，配置成水泥浆。
(3)将步骤(2)中的水泥浆掺入到步骤(1)土料中并搅拌均匀，时间不少于5min。
(4)振实成型后进行养护至相应龄期。
在本实施例中，采用42.5普通硅酸盐水泥，各项指标皆符合《通用硅酸盐水泥》(gb175-2007)要求。
所述土料为野外取回的淤泥质土，其基本物理力学性能见表1。
表1土料的基本物理力学性能
所述镍铁渣粉为镍渣废弃物粉磨而成，其粒径分布特性见表2。
表2镍铁渣粉的颗粒分布
所述矿粉为粒化高炉矿渣粉磨而成，其粒径分布特性见表3。
表3矿粉的颗粒分布
一、基本物理力学性能试验
本试验对镍铁渣粉和矿粉复掺的水泥土进行了两种基本物理力学性能的试验研究，分别为：无侧限抗压强度试验，固结不排水三轴试验。其中无侧限抗压强度试验的试样制作方法的主要步骤为：选用尺寸70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体试块，将野外取回的土在自然条件下风干，然后将一定风干程度的土放入烘烤箱进行烤干，烤干后将土粉碎，使用振筛机过2mm筛。按原状土含水率称取适量土样和水，然后将两者混合一起放入砂浆搅拌机搅拌至均匀。按试验方案称取适量水泥、镍铁渣粉、矿粉和纯水，放入砂浆搅拌机搅拌均匀，配置成水泥浆。水泥浆掺入到土样并搅拌均匀，时间不少于5min。搅拌均匀后，将水泥土分三层装入三连模，每装一层在试模上表面覆盖塑料薄膜后在胶砂振实台振实，每次至少振实60s。水泥土分三层振实成型后，马上将其放入温度为20±3℃，相对湿度90％以上的养护箱中养护24h。养护箱养护24h后，水泥土已具备一定强度，然后将其脱模编号，最后将其转移到养护室进行养护。养护期间应每天对养护室的温湿度进行检查，对养护的试块进行观察与记录。固结不排水三轴试验除了选用试样尺寸为直径39.1mm，高80mm的圆柱体外，其余步骤均相同。无侧限抗压强度试验采用mtslandmark370.50型疲劳试验机按试验操作规范进行试验，试验方案如表4。固结不排水三轴试验采用应变控制式三轴仪按试验操作规范进行试验，试验方案如表5。
表4无侧限抗压强度试验方案
表5三轴压缩试验方案
二、试验结果
(1)无侧限抗压强度试验分析
试验测得了不同矿粉掺量和龄期的抗压强度，见表6。分别求得c-1、c-2、c-3、c-4相对于基准组c的强度增长率，绘成如图1曲线。
从图1可知，水泥土的强度会随着矿粉掺量的增加而增加。7d龄期矿粉掺量为40％时水泥土强度增长比较明显，强度增长率为8.3％。并且在7d龄期和28d龄期时，图1增长率曲线的斜率也会明显大于60d龄期和90d龄期。然而到了60d龄期以后，水泥土的增长率就明显比7d和28d时小，并且60d龄期和90d龄期的增长率曲线几乎重合。以上分析可以得出，在早龄期时矿粉是一种比镍铁渣粉活性更高的矿物掺和料，其在早龄期时对水泥土强度的作用要大于镍铁渣粉，从而使得早龄期时水泥土的强度会随着矿粉的掺入而有较大的提高。然而到60d龄期以后，此时镍铁渣粉的活性已经被激发，所以导致此时掺入矿粉水泥土的强度增长率下降。但是矿粉的掺入仍然对水泥土的强度有一定的增强作用，到90d龄期时，矿粉掺量为40％的水泥土强度已经大于基准组水泥土强度，矿粉掺量为30％的水泥土强度为2.381mpa，只差基准组强度0.019mpa。因此，为了能更大程度的提高镍铁渣粉的利用率，建议当利用矿粉与镍铁渣粉混掺时，以矿粉取代镍铁渣粉30％进行混掺。
表6复掺矿粉水泥土无侧限抗压强度
(2)固结不排水三轴试验分析
试验测得了不同矿粉掺量和龄期的剪切强度参数和变形模量，见表7和表8。
由表7结合图2和图3可知矿粉的掺入会对水泥土的粘聚力和内摩擦角产生一定的增强作用。镍铁渣粉和矿粉复掺的水泥土的粘聚力和内摩擦角均会随着水泥土养护龄期的增大而增大，但是其增大的趋势存在一定的差异。在7d龄期时，当镍铁渣粉与矿粉混掺时，水泥土的粘聚力虽比单掺镍铁渣粉时大，但其增长率较低。由此可知，在7d龄期时，镍铁渣粉和矿粉的活性都很低，在水泥土中几乎不参与反应，其在水泥土中只能起到微集料的填充作用。同时水泥土的内摩擦角则随着矿粉的掺入也有了微小的提高。在28d龄期时，单掺镍铁渣粉的水泥土粘聚力会小于混掺矿粉水泥土粘聚力，从而可得，矿粉的活性会大于镍铁渣粉的活性，在28d龄期时会生成更多的对提高粘聚力有益的物质。到60d龄期时，掺有镍铁渣粉和矿粉的水泥土粘聚力和内摩擦角都有了明显的增长，说明60d龄期时，镍铁渣粉和矿粉已经生成了较多对镍铁渣粉水泥土性能有益的物质，已经几乎可以弥补由于水泥掺量的减少而导致的由水泥水化生成的胶结物质的下降对性能的影响。
由表8可知，不论是单掺镍铁渣粉还是复掺矿粉，水泥土的变形模量均会随着龄期的增大而增大，而复掺矿粉相比于单掺镍铁渣粉的水泥土的变形模量有一定的增长。7d龄期时，c-3组相对于c组的变形模量增长了3.3mpa，增长率为9.24％；28d龄期时，c-3组相对于c组的变形模量增长了7.0mpa，增长率为13.33％；60d龄期时，c-3组相对于c组的变形模量增长了7.1mpa，增长率为7.50％。由此可以分析得出，随着龄期的增长，复掺矿粉对水泥土变形模量的增强效果是先增大后减小。
结合图4a,4b,4c,4d和图5a,5b,5c,5d以及图6a,6b,6c,6d可知，镍铁渣粉水泥土在不同围压和不同龄期时的应力应变曲线均表现出应变软化的力学特性，并且其应力应变曲线从整体上均可分为三个阶段，第一阶段为线弹性阶段，该阶段为试样刚开始受力阶段，镍铁渣粉和矿粉复掺水泥土承受的轴向抗压力还较小，此时镍铁渣粉和矿粉复掺水泥土表现出一种弹性物质的特性，应力应变曲线为接近一条直线；第二阶段为塑性屈服阶段，随着镍铁渣粉和矿粉复掺水泥土承受的轴向抗压力越来越大，直至超过某一数值时，镍铁渣粉和矿粉复掺水泥土的内部或表面会开始出现微小的裂纹，水泥土的整体性开始下降，并且随着轴向压力的进一步增大，镍铁渣粉和矿粉复掺水泥土内部或表面的裂纹将会进一步扩大和发展，直至最后裂纹的相互贯通，出现一个明显的剪切面，此时镍铁渣粉和矿粉复掺水泥土即已发生破坏，此阶段在应力应变曲线主要变现为应力应变曲线不再继续保持原有的似线性关系，而是逐渐发生弯曲，向某一应力值渐进，斜率也慢慢变小，逐渐趋于0。第三阶段为峰值软化阶段，即镍铁渣粉和矿粉复掺水泥土发生破坏后，在微小的应变增量下会出现较大的应力下降，并最终下降到一个趋于稳定的值，为镍铁渣粉和矿粉复掺水泥土的残余强度。
表7不同矿粉掺量水泥土的固结不排水剪切强度参数
表8镍铁渣粉水泥土的变形模量
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。