材料是建筑结构发展的重要基础，建筑原材料资源匮乏，导致生态环境破坏问题日益突出，直接威胁着经济社会的可持续发展。发展清洁高效、安全低碳的建筑材料是土木工程绿色可持续发展的重要方向，绿色建筑材料不仅对人体的健康起到一定的保护作用、降低对环境的污染，同时还能节省建设成本，对促进建立循环利用体系，推动构建我国绿色低碳循环发展经济体系以及推动“碳达峰碳中和”战略目标具有重要意义。

镍铁渣是工业镍铁冶炼过程中还原提取金属镍和铁之后，冷却得到的固体废渣^[1]。我国镍铁渣的年排放量约3 000万吨^[2]。目前对镍铁渣回收利用主要用于水泥混合材、制备胶凝材料^[3]和制备高强砖等，利用率较低^[4]。我国建筑学会在2018年发布了团体标准JC/T 253-2018《用于水泥和混凝土中的镍铁渣粉》^[5]。但是，镍铁渣前期的火山灰活性较低，采用活性较高的矿物掺合料复掺镍铁渣粉制备水泥土、混凝土是重要的研究方向之一。

硅灰是钢厂和铁合金厂生产硅钢和硅钛产生的粉尘。主要化学成分由SiO₂、Al₂O₃和MgO等组成，其中SiO₂占90%左右，是一种活性较高的火山灰质掺合料，可以大幅度提高水泥制品的密实性、强度和抗渗性等^[6]。硅灰在国内外的研究主要集中在超高性能混凝土^[7]、新型高性能泡沫混凝土^[8]以及高耐久性混凝土等^[9]。

目前，粤港澳大湾区建设步伐不断加快，大量建筑将建立在沿海地区上^[10]，随之而来海水中的侵蚀离子将会对软土地基产生不良影响，因此，需要外掺矿物掺合料来缓解海水对地基产生的劣化^[11]。水泥土中外掺镍铁渣粉能有效提升水泥土在海水侵蚀中的抗渗性能^[12]以及抗拉强度^[13]，但会降低其抗压强度^[14]。然而，外掺适量的硅灰不仅能提升水泥土抗压强度，还能提高其抗渗性以及密实性^{[6, 15]}。目前的研究主要集中在单一矿物掺合料对水泥土的影响机制，研究复掺矿物掺合料对水泥土的影响机制尚不清楚。

将高炉镍铁渣粉、硅灰和水泥土进行组合，利用硅灰弥补高炉镍铁渣粉前期活性不足所引起的不利影响，从而提高其耐久性，有望发展成一种绿色可持续的新型建筑材料，解决镍铁渣利用率低的问题。但硅灰对高炉镍铁渣粉水泥土的影响规律还不清楚，本文拟开展硅灰对高炉镍铁渣粉水泥土性能的影响机制研究，结合扫描电子显微镜和X-射线衍射仪进行机理分析。本文对处理矿渣堆积问题、环境保护以及沿海地区软土地基加固、修筑护坡和衬砌材料等工程上具有推动作用，对粤港澳大湾区的建设具有重要的意义。

黏土：本试验用土为广州市黄埔区大吉沙岛黏土，取土深度在0.5~1 m。通过室内试验，测得其含水率为51.2%，天然密度为1.79 g/cm³，孔隙比为1.21，液限为42.89%，塑限为24.95%。

水泥：采用广州石井牌P.O. 42.5水泥，各成分的含量(以质量分数计)如下：CaO(76.11%)、SiO₂(11.39%)、Al₂O₃(2.41%)、Fe₂O₃(3.91%)、SO₃(3.61%)、MgO(0.9%)。

硅灰：硅灰(Silica Fume, SF)由河南远恒环保工程有限公司生产，各成分的含量(以质量分数计)如下：SiO₂(96.65%)、Al₂O₃(0.31%)、Fe₂O₃(0.07%)、MgO(0.11%)、CaO(0.12%)、Na₂O(0.97%)。

高炉镍铁渣粉：高炉镍铁渣(Blast Ferronickel Slag，BFS)由阳江市大地环保建材有限公司提供，各成分的含量(以质量分数计)如下：SiO₂(25.47%)、Al₂O₃(19.28%)、Fe₂O₃(1.45%)、MgO(10.31%)、CaO(36.24%)、SO₃(2.44%)、Cr₂O₃(1.09%)。图1为BFS的XRD衍射图，在2θ=20°~40°之间存在“包峰”，说明BFS具有火山灰活性。

图 1(Figure 1)

图 1 高炉镍铁渣XRD衍射图 Figure 1 XRD diffraction patterns of BFS

减水剂：减水剂为江门市强力建材科技有限公司生产提供的QL-5型奈系减水剂，以β-萘磺酸钠缩合物为主要成分的棕褐色液体，减水率为15%~30%。

水泥土的配合比按照《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233-2011)^[16]中规定的方法设计，水泥掺量设为15%，水灰比设为0.5。以高炉镍铁渣粉等质量替代水泥0%、15%和30%为变量，编号分别为A-1、A-2、A-3；并以高炉镍铁渣粉等质量替代水泥质量比15%为定量，硅灰等质量替代高炉镍铁渣粉0%、5%、10%、15%和30%，编号分别为B-1、B-2、B-3、B-4、B-5，水泥土配合比设计如表1所示。

表 1(Table 1)

表 1 水泥土配合比设计 Table 1 Mix proportion design of cement-soil kg/m3 序 号 试件 编号 用水量 BFS SF 水泥 黏土 减水剂 1 A-1 1436 — — 521.3 2300 7.8 2 A-2 1436 78.2 — 443.1 2300 7.8 3 A-3 1436 156.4 — 364.9 2300 7.8 4 B-1 1436 78.2 — 443.1 2300 7.8 5 B-2 1436 74.3 3.9 443.1 2300 7.8 6 B-3 1436 70.3 7.9 443.1 2300 7.8 7 B-4 1436 66.4 11.8 443.1 2300 7.8 8 B-5 1436 54.7 23.5 443.1 2300 7.8

表 1 水泥土配合比设计 Table 1 Mix proportion design of cement-soil

采用尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试模，同一工况下制备6个，成型静置48 h后拆模，立即放入清水养护28 d。

采用加载设备为时代新科生产的YAW-50D型微机控制恒压力试验机。

SEM试验采用日本Hitachi公司生产的TM3030型台式扫描电镜，通过此设备观察水泥土的表面形貌。XRD测试采用德国Bruker公司生产的D8 ADVANCE型X-射线衍射仪，通过此设备分析水泥土的物相成分。

图2为高炉镍铁渣粉掺量对水泥土无侧限抗压强度的影响，其强度随高炉镍铁渣粉掺量的增加而降低。当高炉镍铁渣粉掺量为0时，水泥土的强度为1.82 MPa；当高炉镍铁渣粉掺量增加到15%时，水泥土的强度为1.69 MPa，减少7.1%；当高炉镍铁渣粉掺量增加到30%时，水泥土的强度为1.57 MPa，减少13.7%。主要原因是：一方面，高炉镍铁渣粉早期火山灰活性较低，部分高炉镍铁渣粉只起微集料的填充作用^[17]；另一方面，高炉镍铁渣粉等质量替代水泥造成水泥含量减少，导致水泥生成的凝胶物质也减少。

图 2(Figure 2)

图 2 高炉镍铁渣粉掺量对水泥土无侧限抗压强度的影响 Figure 2 Effect of BFS on strength of cement-soil

图3为硅灰掺量对高炉镍铁渣粉水泥土无侧限抗压强度的影响，当硅灰掺量小于10%时，高炉镍铁渣粉水泥土强度随硅灰掺量的增加而提升。当硅灰掺量为0时，高炉镍铁渣粉水泥土强度为1.69 MPa；当硅灰掺量为5%时，高炉镍铁渣粉水泥土强度为1.72 MPa；当硅灰掺量为10%时，高炉镍铁渣粉水泥土强度为 1.77 MPa。主要原因是：一方面，硅灰促进水泥水化反应生成Ca(OH)₂、C-S-H和C-A-H等水化产物，以及硅灰发生二次火山灰反应生成 C-S-H凝胶，加强了土颗粒之间的连接；另一方面，少量硅灰与高炉镍铁渣粉填充在土颗粒之间的孔隙，提高了水泥土的密实度。

图 3(Figure 3)

图 3 硅灰掺量对高炉镍铁渣粉水泥土无侧限抗压强度的影响 Figure 3 Effect of SF on strength of cement-soil with blast ferronickel slag

当硅灰掺量大于10%时，硅灰对水泥土强度的提升作用有所降低。主要原因是过量的硅灰导致水泥水化产物Ca(OH)₂大量减少，影响硅灰发生二次火山灰反应，未参与二次火山灰反应的硅灰增加，影响了凝胶物质对土颗粒的连接^[15]。

不同硅灰掺量高炉镍铁渣粉水泥土的X-射线衍射曲线如图4所示。发现各水泥土物相种类相同，存在石英、钙矾石、斜方钙沸石、C-S-H和石膏等物质，C-S-H和斜方钙沸石是水泥的水化产物之一，说明各水泥土发生的化学反应基本一致。

图 4(Figure 4)

图 4 水泥土的XRD测试 Figure 4 XRD patterns of cement-soil

此外，发现C-S-H衍射峰强度的变化趋势与硅灰掺量对高炉镍铁渣粉水泥土强度的影响大致相同，主要原因是适量的硅灰促进了水泥水化反应，生成 C-S-H凝胶和Ca(OH)₂等水化产物，随后，硅灰与水泥水化产物Ca(OH)₂发生二次火山灰反应生成 C-S-H凝胶，此时C-S-H的衍射峰强度会随着硅灰掺量的增加而增强。但是，当硅灰掺量为15%与30%时，C-S-H凝胶的衍射峰强度相较于硅灰掺量为10%的衍射峰强度有所降低，主要原因是：一方面，硅灰本身并没有胶凝性，硅灰活性的发挥需要消耗Ca(OH)₂，硅灰过量导致水泥水化产物Ca(OH)₂大量消耗，影响硅灰发生二次火山灰反应，未参与二次火山灰反应的硅灰增加；另一方面，高炉镍铁渣粉被硅灰替代过多导致高炉镍铁渣粉生成C-S-H凝胶减少。

图5为高炉镍铁渣粉水泥土的SEM形貌图。对比图5(a)与图5(b)，两者表面部分土颗粒未被凝胶覆盖；但图5(b)的密实性相较于图5(a)有了提升，宏观上则表现高炉镍铁渣粉水泥土的强度随着硅灰掺量的增加而提升。主要原因是硅灰表面存在大量不饱和残键及不同键合状态的羟基，其中H₃SiO⁻快速吸附孔隙液中的Ca²⁺，并发生二次火山灰反应生成C-S-H凝胶，消耗部分Ca(OH)₂，进一步促进了水泥的水化反应^[18]，大多数土颗粒表面被水泥、高炉镍铁渣粉和硅灰水化反应生成的凝胶包裹。此外，存在少量未发生反应的小硅球和高炉镍铁渣粉发挥微集料的填充作用。观察图5(c)，其内部存在稳定可靠的“网络状”结构，对比图5(a)与图5(b)，土颗粒表面覆盖了大量凝胶，密实性有了进一步提升，宏观上则表现硅灰掺量为10%的高炉镍铁渣粉水泥土强度最高。主要原因是大量硅灰促进水泥水化反应生成了更多的“繁絮状”凝胶物质和Ca(OH)₂，随后硅灰发生二次火山灰反应生成C-S-H凝胶，水泥、高炉镍铁渣粉和硅灰三者的水化产物将未发生反应的高炉镍铁渣粉小颗粒和土颗粒等物质包裹，水泥土内部的密实性进一步得到提升。此时，水泥土的强度由水泥和高炉镍铁渣粉水化反应、硅灰二次水化反应、化学键的相互作用、胶凝性物质和颗粒填充共同起作用。

图 5(Figure 5)

图 5 水泥土的SEM形貌图 Figure 5 SEM micrographs of cement-soil

但是，当硅灰等质量替代高炉镍铁渣粉质量比为15%和30%时，观察图5(d)与图5(e)，发现片状土颗粒总量增加，土颗粒之间相对涣散，存在大量孔隙，宏观上则表现高炉镍铁渣粉水泥土的强度随着硅灰掺量的增加而降低。主要可以从两方面进行解释：(1) 硅灰本身没有胶凝性，其活性的全部发挥需要消耗Ca(OH)₂，硅灰掺量过多消耗了大量Ca(OH)₂，影响了部分硅灰发生二次火山灰反应，未参与二次火山灰反应的硅灰增加，削弱了土颗粒之间的胶结。(2) 高炉镍铁渣粉被硅灰替代过多，孔隙液中H₃SiO⁻浓度增加，碱性降低，影响了高炉镍铁渣粉表面CaO、SiO₂和Al₂O₃等活性物质的电离溶解，降低了高炉镍铁渣粉发生水化反应的速率。因此，高炉镍铁渣粉水泥土的强度不会随着硅灰掺量的增加而无限提升，相反，还会起“负作用”。

图6为不同硅灰掺量的高炉镍铁渣粉水泥土破坏模式，当硅灰掺量适量时，随着硅灰掺量从0增加到10%，高炉镍铁渣粉水泥土的抗压强度从 1.69 MPa提升到了1.77 MPa，且图6(c)的试件外观完整度好于图6(a)与图6(b)。

图 6(Figure 6)

图 6 硅灰掺量对破坏模式的影响 Figure 6 Effect of SF content on failure pattern

当硅灰掺量过多，随着硅灰掺量从10%增加到30%，高炉镍铁渣粉水泥土的抗压强度从1.77 MPa降到1.63 MPa，且图6(c)、图6(d)和图6(e)显示试件的破坏程度越来越严重，其中图6(e)试件的完整度最差。主要原因可从图7中得知，图7(b)、图7(c)和图7(d)对比图7(a)，水泥土部分表面出现“蜂窝状”，且蜂窝状表面存在大量水化铝酸钙(3CaO·Al₂O₃·6H₂O：C₃AH₆)小立方晶体^[19]。硅灰掺量过多消耗了大量Ca(OH)₂，影响了铝酸三钙(C₃A)、Ca(OH)₂与石膏三者水合作用生成钙矾石^[20]，未参与水合作用的C₃A发生水化反应生成C₃AH₆，进一步削弱了土颗粒之间的胶结，导致硅灰掺量为30%的高炉镍铁渣粉水泥土的破坏程度最严重。

图 7(Figure 7)

图 7 水泥土的SEM形貌图 Figure 7 SEM micrographs of cement-soil

本文通过分析高炉镍铁渣粉水泥土的物相组成和微观形貌，从微观的角度分析了硅灰对高炉镍铁渣粉水泥土的影响机制。

(1) 水泥土的强度随高炉镍铁渣粉掺量的增加而逐渐降低。归因于高炉镍铁渣粉早期火山灰活性较低，高炉镍铁渣粉等质量替代水泥造成水泥含量减少，导致水泥生成的凝胶物质也减少。

(2) 高炉镍铁渣粉水泥土的强度随硅灰掺量的增加而提升，破坏时外观完整度则基本一致。主要原因是：部分高炉镍铁渣粉水化反应，硅灰促进了水泥的水化反应以及硅灰发生二次火山灰反应生成 C-S-H凝胶覆盖在土颗粒表面，且凝胶将土壤颗粒、未发生反应的高炉镍铁渣粉颗粒和小硅球等共同构建“网络状”空间骨架填充在大土壤颗粒之间，进一步增加了水泥土的密实性与强度。

(3) 当硅灰掺量过多时，硅灰对高炉镍铁渣粉水泥土强度的提升作用有所降低，且破坏时外观完整度越来越低。主要原因是过量的硅灰会消耗大量的Ca(OH)₂，影响部分硅灰发生二次火山灰反应，未参与二次火山灰反应的硅灰增加，削弱了土颗粒之间的胶结；同时，也影响了高炉镍铁渣粉的水化反应。