攀鋼東渣場(chǎng)鋼渣作雜填土力學(xué)特性的試驗(yàn)研究

朱 輝，熊南杰，王瑞兵

(中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650051)

0 引 言

對(duì)鋼渣充當(dāng)?shù)鼗难芯?，主要集中在利用鋼渣體積較小、填充層較薄的這類地基墊層上，如高速公路路基填筑［1］、路基改良［2-4］、路基軟基處理［5］、處理濕陷黃土路基［6］、用鋼渣鋪路及類似于砂石樁的鋼渣樁應(yīng)用研究［7-9］，而對(duì)如何用大體積且渣層較厚鋼渣充當(dāng)?shù)鼗难芯縿t相對(duì)較少。位向飛［10］從溫度場(chǎng)角度深入研究了攀鋼鋼渣作為地基回填料在外部熱源作用下對(duì)上部建筑物的影響;王韜［11］從攀鋼鋼渣作為地基填料的實(shí)驗(yàn)出發(fā)，對(duì)鋼渣地基進(jìn)行了理論研究和數(shù)值模擬研究;李志堅(jiān)［12］則通過試驗(yàn)探索了攀鋼高爐渣地基土的力學(xué)特性，在此基礎(chǔ)上針對(duì)高爐渣特殊地基土對(duì)上部結(jié)構(gòu)物的影響進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，相關(guān)文獻(xiàn)［13］主要集中在用鋼渣當(dāng)作地基導(dǎo)致建筑開裂原因的分析上。此外，渣體的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)與常見建筑地基的力學(xué)性能指標(biāo)相比差別較大，目前，地基土評(píng)價(jià)指標(biāo)中沒有包括高爐渣土。因此，基于用鋼渣作為地基應(yīng)高度重視鋼渣與一般巖土的不同以及鋼渣具有成分較復(fù)雜、不均勻、膨脹性、較高渣體溫度等特性，且研究程度低等特點(diǎn)。該文以攀鋼東渣場(chǎng)為例，通過對(duì)鋼渣雜填土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)研究，從而查明場(chǎng)地土層的物質(zhì)組成及物理力學(xué)性質(zhì)以及鋼渣雜填土溫度作用下應(yīng)力變形特征，為鋼渣雜填土場(chǎng)地施工設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

攀鋼東渣場(chǎng)位于攀枝花市馬鹿箐轄區(qū)內(nèi)，渣場(chǎng)修建于20世紀(jì)60年代末至70年代初期，為攀鋼最早期的棄渣場(chǎng)，主要用于儲(chǔ)存攀鋼廠區(qū)內(nèi)煉鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣。由于渣體含有可回收利用的釩鈦等金屬元素及大量的高爐“鍋底”鋼包，目前渣體大部分地段已翻渣篩選過且回填整平。擬建攀宏釩制品廠釩氮合金擴(kuò)能工程場(chǎng)地正好位于渣場(chǎng)中部，翻渣篩選后回填整平的地段上。場(chǎng)地西北側(cè)緊鄰攀宏釩制品廠釩氮化釩車間;北側(cè)緊鄰五氧化二釩車間廢水治理池;距擬建TBY窯跨車間東側(cè)約12～34 m處為渣場(chǎng)平臺(tái)邊坡，該邊坡前緣有國(guó)家鐵路2201線支線馬頸子隧道段;場(chǎng)地南側(cè)約16 m處為攀枝花鋼城企業(yè)公司現(xiàn)有的翻渣坑。場(chǎng)地地勢(shì)較平坦，但區(qū)內(nèi)擬建TBY窯跨車間位置目前堆放有高達(dá)10．2 m的回收利用渣料堆。馬鹿箐廠區(qū)道路連接場(chǎng)地內(nèi)施工便道，且有運(yùn)料火車鐵路通行，交通便利。

圖1 場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)平面布置圖Fig.1 Layout plan of site test points

擬建場(chǎng)地原始地貌屬中山區(qū)構(gòu)造剝蝕溝谷地貌，場(chǎng)地原始地形由山腰低洼溝谷及隆起支脊相間構(gòu)成，地勢(shì)總體自西北向東南傾斜，地形起伏較大，自然坡度介于5°～25°之間，較陡地段達(dá)34°，區(qū)內(nèi)發(fā)育有一“V”字型原始沖溝。經(jīng)前期棄(翻)渣堆填整平，如今溝沖已被堆平，場(chǎng)地及周邊已形成由鋼渣堆積的寬厚平臺(tái)，地勢(shì)較為平坦。

2 試驗(yàn)方法

為了研究擬建場(chǎng)地鋼渣雜填土的力學(xué)特性，該次在研究區(qū)內(nèi)對(duì)鋼渣雜填土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、熱膨脹系數(shù)試驗(yàn)以及渣塊力學(xué)參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)，從而獲取鋼渣雜填土的力學(xué)特性。

場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)平面布置見圖 1，取 P1、P2、P3、P4、P5、P6這6個(gè)位置的鋼渣進(jìn)行重型擊實(shí)。每個(gè)試樣選擇顆?？讖剑? mm的碎渣13 kg，再均分5份，即每份2．5 kg，進(jìn)行濕法制備后逐層擊實(shí)。試件體積即為擊實(shí)筒的體積，此測(cè)試選用的擊實(shí)筒為內(nèi)徑102 mm，筒高116 mm，容積為947．4 mm2的擊實(shí)筒。

取 P1、P2、P3、P4、P5、P6 及 DL1、DL2 和 DL3這9個(gè)位置的鋼渣進(jìn)行熱膨脹系數(shù)的測(cè)定，了解鋼渣的相關(guān)熱物性。該試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 4339-1999金屬材料熱膨脹特征參數(shù)的測(cè)定》。

最后取 P1、P2、P3、P4、P5、P6 等位置渣樣進(jìn)行渣塊彈性模量、泊松比及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

通過對(duì)鋼渣雜填土P1～P6的6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 鋼渣擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Compaction test results of steel slag

從表1中可以看出隨著擊實(shí)功的增加，最大干密度增大，而最優(yōu)含水量則逐漸減小。即土的最優(yōu)含水量和最大干密度不是常數(shù)，隨著擊實(shí)功的不同會(huì)產(chǎn)生變化。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)工作的時(shí)候，對(duì)于輕、重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果的選擇會(huì)直接影響到最大干密度的取值，進(jìn)而間接的影響到檢測(cè)結(jié)果及工程質(zhì)量。此次試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)和圖表，鋼渣在擊實(shí)方面表現(xiàn)出的性能與普通的粘性土還是有很大的差別。首先鋼渣的干密度明顯大于普通粘性土干密度，但是其含水率又遠(yuǎn)小于普通粘性土的含水率，所以其密度含水率曲線并不能以標(biāo)準(zhǔn)圖來(lái)比對(duì)。試驗(yàn)選取6組試樣進(jìn)行試驗(yàn)，所得出的結(jié)果相差不大。而已有鋼渣路基改良試驗(yàn)研究表明粘土填料中摻入鋼渣能提高土體的強(qiáng)度［2］。因此，在鋼渣雜填土過程中可以考慮通過一定比例的鋼渣和粘土組合雜填，從而可以提高雜填土的強(qiáng)度。

3.2 熱膨脹系數(shù)試驗(yàn)

熱膨脹系數(shù)是材料熱物理性能的一個(gè)重要指標(biāo)。該次取樣樣品在不同溫度條件下所測(cè)得的熱膨脹系數(shù)對(duì)比見圖2，而某些金屬材料和該次實(shí)驗(yàn)測(cè)得鋼渣的熱膨脹系數(shù)λ×10-6(1/K)對(duì)比見表2。

圖2 不同試樣的熱膨脹系數(shù)對(duì)比Fig.2 Comparison of thermal expansion coefficient for different samples

表2 鋼渣熱膨脹系數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of thermal expansion coefficient for different steel slag samples

續(xù)表2

從表2中可以看出該次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的鋼渣的熱膨脹系數(shù)與金屬材料相近，比一般的膨脹土高一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)不同取樣點(diǎn)的熱膨脹系數(shù)有所差別，特別是P6和DL3取樣點(diǎn)，出現(xiàn)反膨脹現(xiàn)象，即出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。從熱膨脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，整個(gè)取樣區(qū)域鋼渣的熱膨脹系數(shù)分布非常不均勻，從而導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域在溫度載荷作用下產(chǎn)生不均勻膨脹和收縮，使得鋼渣產(chǎn)生不均勻沉降。此外已有研究表明地下水水位的抬高有利于鋼渣水化膨脹作用［13］。鋼渣作為雜填土地基時(shí)，必須考慮產(chǎn)生不均勻沉降對(duì)建筑物的影響。

從表2中可以看出渣體在不同溫度條件下所測(cè)得的無(wú)側(cè)限熱膨脹系數(shù)為-19．672～15．515×10-6/K，與金屬材料相近，比一般的膨脹土高一個(gè)數(shù)量級(jí)，在上部結(jié)構(gòu)和下部基礎(chǔ)之間存在熱源的情況下，必須考慮渣體對(duì)基礎(chǔ)及一層地坪結(jié)構(gòu)的影響。

3.3 渣塊彈性模量、泊松比及抗壓強(qiáng)度

從圖3中可以看出渣塊彈性模量、泊松比及抗壓強(qiáng)度的測(cè)試數(shù)據(jù)離散性較大。相同部位的渣塊，常溫狀態(tài)下的彈性模量最小，200℃時(shí)最大，并隨著溫度的升高而增大;泊松比在常溫狀態(tài)下最大，并隨著溫度的升高而降低;抗壓強(qiáng)度在常溫狀態(tài)下最小，并隨著溫度的升高而增大。此外，不同部位的渣塊，P4的彈性模量在常溫時(shí)較低，但隨著溫度的增加而迅速增大，且成為4個(gè)位置中最大的一個(gè);P4的泊松比最大，而P5最小;P5的抗壓強(qiáng)度最高，而P3最低。

試驗(yàn)結(jié)果顯示渣體的彈性模量為:7．99～10．17 GPa(常溫);8．42 ～ 11．2 GPa(100 ℃);10．59～13．2 GPa(200 ℃)，表明渣體具有較高的剛度，并隨著溫度的升高而增大。從測(cè)試結(jié)果情況來(lái)看，不同位置渣體的差異性較大，試驗(yàn)結(jié)果針對(duì)性較強(qiáng)。

圖3 鋼渣彈性模量、泊松比及抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果對(duì)比Fig.3 Test results comparison of elastic modulus，Poisson ratio and compressive strength for different steel slag samples

4 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)攀鋼東渣場(chǎng)鋼渣作為雜填土擬建場(chǎng)地開展鋼渣擊實(shí)試驗(yàn)、熱膨脹系數(shù)測(cè)試以及鋼渣塊體的彈性模量等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，從而獲取鋼渣雜填土的力學(xué)特性。

(1)鋼渣在擊實(shí)方面表現(xiàn)出的性能和普通的粘性土還是有很大的差別，鋼渣的干密度明顯大于普通粘性土干密度，但是其含水率又遠(yuǎn)小于普通粘性土的含水率。因此通過鋼渣和雜填土的混合雜填可以提高雜填土的土體強(qiáng)度。

(2)研究區(qū)域鋼渣的熱膨脹系數(shù)分布非常不均勻，從而導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域在溫度載荷作用下產(chǎn)生不均勻膨脹和收縮，使得鋼渣產(chǎn)生不均勻沉降。建筑物基礎(chǔ)層存在熱源時(shí)應(yīng)考慮其鋼渣基礎(chǔ)的不均勻沉降。

(3)研究區(qū)內(nèi)不同鋼渣試樣在不同溫度條件下的彈性模量、泊松比以及抗壓強(qiáng)度差異較大。

［1］甘萬(wàn)貴．鋼渣用于填筑高速公路路基的研究［J］．武鋼技術(shù)，2007(4):28-30，36．

［2］方衛(wèi)民，王炳龍，周順華．鋼渣改良路基土填料的試驗(yàn)研究［J］．上海鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(4):63-66．

［3］武志芬．鋼渣在路基和路面結(jié)構(gòu)層中的應(yīng)用［J］．山西交通科技，2004(1):25-26．

［4］薛明，馮順祥．轉(zhuǎn)爐鋼渣在路基中應(yīng)用的研究［J］．鋼鐵，1996(S1):123-126．

［5］葉洪東，郭玉清，蘇國(guó)全．鋼渣墊層處理軟弱路基的工程效果［J］．煤炭工程，2003(3):19-21．

［6］齊娜，李瑜，武臨亞．鋼渣在濕陷性黃土地基處理中的應(yīng)用探討［J］．河南冶金，2009(2):30-31，44．

［7］胡春林，胡義德，王茂麗．鋼渣樁加固軟土地基的工程應(yīng)用［J］．土工基礎(chǔ)，2006(5):1-3．

［8］黃濤，王小章，吳躍剛，等．鋼渣樁復(fù)合地基承載特性研究［J］．工程勘察，1998(5):17-20．

［9］章崇倫．鋼渣樁加固軟弱地基土效果分析［J］．礦業(yè)快報(bào)，2001(14):11-13．

［10］位向飛．攀鋼鋼渣作為大體積地基回填料的數(shù)值模擬研究［D］．昆明:昆明理工大學(xué)，2011．

［11］王韜．攀鋼鋼渣作為地基回填料的試驗(yàn)研究與初步模擬［D］．昆明:昆明理工大學(xué)，2008．

［12］李志堅(jiān)．攀鋼高爐渣地基土的力學(xué)特性研究［D］．昆明:昆明理工大學(xué)，2008．

［13］王林科，胡瑞星，陽(yáng)浩，等．鋼渣地基對(duì)某辦公樓的不利影響［J］．低溫建筑技術(shù)，2012(11):29-31．