鋼渣改良灰土擠密樁材料特性與應(yīng)用研究

王向會，楊廣慶，馬文棟，李三妮

(1.河北省高速公路邢衡籌建處;2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院)

1 引 言

鋼渣是高溫冶煉鋼鐵后的殘余混合物，一般經(jīng)過向液態(tài)熔渣熱潑，向熱渣分批打水、悶渣，對悶渣進行翻轉(zhuǎn)，最后進行破碎、篩分、磁選等處理過程而形成。鋼渣中的主要礦物成分為硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)、鐵酸二鈣(C2F)、鐵橄欖石(CFS)、RO 相(Mg2+、Fe2+、Mn2+的固溶體)、f－MgO、f－ CaO、鎂薔薇輝石(C3MS2)、鐵尖晶石(FeO·Al2O3)，其中所含的硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(C2S)，具有較好的水硬性和膠凝性，其含量多少決定了鋼渣的活性大小，同時，鋼渣的活性隨著鋼渣堿度CaO/(SiO2+P2O5)的提高而提高。而鋼渣中的f－MgO、f－CaO 具有結(jié)晶致密，水化膨脹慢等特點，其水化后產(chǎn)生Ca(OH)2、Mg(OH)2，發(fā)生體積膨脹，使鋼渣強度降低，產(chǎn)生開裂破壞，使鋼渣具有不穩(wěn)定性。鋼渣以其潛在的活性特性，而得到工程界的關(guān)注，并被逐漸應(yīng)用于工程。例如，將其與石灰、粉煤灰、水泥等混合形成無機結(jié)合穩(wěn)定料廣泛用于道路路基的墊層、結(jié)構(gòu)層，還有將其用作瀝青拌合料的骨料鋪筑路面層，在該類應(yīng)用中一般使用齡期較長的陳渣，盡量減小其不穩(wěn)定性。也有將其代替碎石與水泥、粉煤灰混合并加入一定比例水拌合而成一種低強度混凝土，用振動沉管法形成水泥粉煤灰鋼渣樁(CFS樁)對軟土地基進行處理，具有較好的應(yīng)用效果。還有將鋼渣作為擠密樁樁體材料對軟土地基進行處理，也表現(xiàn)出較好的處理效果。

邢衡高速公路一期工程包括棗園樞紐互通段和衡水南繞城段，全長18.684 km。項目跨越衡水湖湖泊相軟土地區(qū)，地基土體具有孔隙率高，含水率大，壓縮性大，承載力低等特點，為滿足路基承載力及沉降設(shè)計要求，需對該軟土地基進行處理?？紤]到灰土擠密樁的處理范圍有限，在含水量大的軟土地基中適用性差等缺點，基于鋼渣材料的特性，提出在灰土材料中摻入一定比例的鋼渣通過夯實擠密成樁對該段軟土地基進行處理，以達到提高樁體強度、提高樁體適用性的目的。通過大量室內(nèi)試驗對鋼渣改良灰土擠密樁這一新型樁體材料進行分析研究，并選取ZK2 +030～ZK2 +407 里程段作為試驗段，對其應(yīng)用效果進行評價分析。將對該樁體材料特性及應(yīng)用效果進行詳細分析。

2 改良特性分析

鋼渣改良灰土材料的改良特性主要表現(xiàn)在兩個方面，即:物理作用和化學(xué)作用。

2.1 物理作用

(1)鋼渣的顆粒較灰土顆粒大，且級配良好，通過在灰土材料中摻入一定比例的鋼渣，可改善樁體材料的顆粒級配，使樁體更易夯實;同時，由于鋼渣顆粒表面粗糙，可增加樁體材料顆粒間的機械咬合力，提高樁體的前期強度。

(2)鋼渣的摻入使得樁體材料的最優(yōu)含水率提高，使得樁體材料在較高含水率的情況下也可達到最佳擊實效果。筆者根據(jù)工程中常用的灰土比例進行了鋼渣灰土材料的配合比設(shè)計，并通過大量的擊實試驗對鋼渣灰土的這一改良特性進行了研究。

設(shè)計采用外摻法選取12 組鋼渣灰土質(zhì)量配比，具體配比如表1 所示。擊實試驗所用材料中土體材料為試驗段內(nèi)現(xiàn)場鉆取的經(jīng)晾曬烘干所得到的土體;石灰采用國家質(zhì)量標準三級以上的石灰，有效CaO+MgO 含量不低于55%，在拌制鋼渣灰土材料前對其進行充分消解，粒徑小于2 mm;鋼渣采用齡期不大于3 個月的活性鋼渣，不大于19 mm。擊實方式采用輕型I－2 型擊實方式。

表1 鋼渣灰土材料設(shè)計配合比

通過對不同配合比的鋼渣灰土材料進行擊實試驗，得到各配比材料的最優(yōu)含水率如圖1 所示。數(shù)據(jù)顯示:①摻入鋼渣后的灰土材料含水率得到明顯提高，整體提高幅度為2%～4%;②鋼渣摻入比例為30 的灰土材料最優(yōu)含水率提高幅度最明顯，最高為4.2%;③當鋼渣摻入比例增加至35時，最優(yōu)含水率有所下降。

圖1 不同配比鋼渣灰土材料的最優(yōu)含水率

2.2 化學(xué)作用

(1)灰土擠密樁樁體強度主要來源于石灰消解后產(chǎn)生的Ca(OH)2與土體中的活性氧化硅、氧化鋁等發(fā)生火山灰作用生成硅酸鈣、硅酸鋁等水硬性膠結(jié)材料的膠凝作用和Ca(OH)2的結(jié)晶硬化作用。鋼渣的摻入使樁體材料中氧化硅、氧化鋁的含量增加，促進硅酸鈣、硅酸鋁等成分的生成，增加水化作用，進而樁體材料強度得到提高。

(2)石灰消解產(chǎn)生的Ca(OH)2給鋼渣提供了一個堿性環(huán)境，對鋼渣中的C2S、C3S 等硅酸鹽成分起到堿性激發(fā)的作用，促進C2S、C3S 等硅酸鹽成分的水化作用，使樁體強度得到進一步提高。

(3)鋼渣中含有少量的f－CaO，f－CaO 遇水發(fā)生反應(yīng)生成Ca(OH)2，體積發(fā)生膨脹。鋼渣中f－CaO 的存在，可吸收樁體材料中的水分，改善樁體材料的固結(jié)特性。

3 配合比強度試驗

為確定何種配比下的鋼渣灰土材料強度提高最大，分別按上述12 種配比制件，進行大量無側(cè)限抗壓強度試驗，對鋼渣、石灰、土的最優(yōu)配合比進行了分析研究。主要對各配比材料在7 d、28 d、90 d 不同齡期的強度進行測定，以對鋼渣改良灰土樁體材料隨齡期的變化規(guī)律進行研究，進而確定出隨齡期增加強度提高最大的最優(yōu)配合比。其中石灰:土:鋼渣為7∶100∶0、9∶100∶0、11∶100∶0 三組為不摻鋼渣的灰土材料，作為強度提高對照組。按規(guī)范要求進行制件、養(yǎng)護及無側(cè)限抗壓強度試驗，試件尺寸為試件尺寸選為150 ×150，試驗儀器采用YZM－2 型電腦路基路面材料強度試驗系統(tǒng)。

試驗得到不同灰土比例下各配比試件強度隨齡期的變化規(guī)律如圖2、圖3、圖4 所示，由三圖可以看出。

圖2 灰土比為7∶100 的各配比試件強度隨齡期增長的變化曲線

圖3 灰土比為9∶100 的各配比試件強度隨齡期增長的變化曲線

(1)隨齡期的增加，各配比試件強度均表現(xiàn)出不同程度的增加，其中，7～28 d 齡期內(nèi)，灰土比例為8∶100 的各配比試件強度增長幅度最大，相反，28～90 d 齡期內(nèi)，該組配比的試件強度增長幅度最小。

(2)不同齡期下，灰土比固定的試件強度隨鋼渣摻入量的增加均呈現(xiàn)出增加先增加后減小的趨勢，但均較不摻鋼渣的灰土強度有所提高，以鋼渣摻入比例為30 的試件強度提高幅度最大，且隨齡期的增加，提高幅度也逐漸增大。

(3)7 d 齡期時，配比為7∶100∶30 的試件強度最大，為1 696.58 kPa，與不摻鋼渣的同灰土比例的試件相比，強度提高83.59%;齡期為28 d 時，配比為9∶100∶30 的試件強度最大，為2 944.58 kPa，與不摻鋼渣的同灰土比例的試件相比，強度提高48.16%;齡期為90 d 時，配比為11∶100∶30 的試件強度最大，為3 965.66 kPa，與不摻鋼渣的同灰土比例的試件相比，強度提高51.13%，同時，配比為9∶100∶30 的試件強度為3 819 kPa，與不摻鋼渣的同灰土比例的試件強度相比也有較大提高，提高幅度為49.85%。說明，隨齡期的增加，灰土比高的試件中的石灰進一步發(fā)生反應(yīng)，使試件強度進一步提高。

圖4 灰土比為11∶100 的各配比試件強度隨齡期增長的變化曲線

4 耐水性試驗

基于配合比試驗及施工條件考慮，選定石灰∶土∶鋼渣為9∶100∶30 的配合比作為施工配合比，進行現(xiàn)場施工。為了進一步研究該種新型樁體材料特性，以施工配合比制件，對該材料的耐水性進行試驗研究。試驗設(shè)計內(nèi)容如下。

選定灰土比為9∶100 的灰土試件作為對照組，每種配合比的試件分為6 組，每組6 個，共計72 個試件，先進行7 d 標準養(yǎng)護，然后將其放入水槽中分別浸泡1 d、3 d、5 d、7 d、11 d、22 d，水面超過試件頂面25 mm 以上。將滿足浸泡時間要求的試件取出后，進行無側(cè)限抗壓強度試驗，得到不同配合比下試件強度隨浸水時間變化的規(guī)律。

隨浸水時間的增加，配比為9∶100∶30 的鋼渣灰土試件強度仍表現(xiàn)出不同程度的增長趨勢，浸水22 d 時的鋼渣灰土試件強度為2 055.27 kPa，灰土比為9∶100 的灰土試件強度增長趨勢不明顯，且鋼渣灰土試件的強度明顯高于灰土試件。對比浸水時間為22 d 的鋼渣灰土試件強度與同配比試件28 d 齡期時的強度，浸水試件的強度減小幅度為30.2%，而灰土試件的強度減小幅度為37.05%，說明在灰土材料中加入一定比例鋼渣，通過發(fā)生水化、硬凝、結(jié)晶等一系列反應(yīng)，使鋼渣、石灰、土顆粒膠結(jié)成整體，不僅提高了樁體材料的強度，還使得該樁體材料水穩(wěn)定性也有所提高。

5 應(yīng)用效果研究

為對鋼渣改良灰土擠密樁的應(yīng)用效果進行研究，對試驗段內(nèi)施工28 d 后的鋼渣改良灰土擠密樁進行了靜力載荷試驗及重型動力觸探試驗，以對其承載力及成樁效果進行總體評價。試驗段內(nèi)所用鋼渣改良灰土擠密的設(shè)計參數(shù)為:有效樁長8 m，成孔孔徑為400 mm，夯擴后樁徑≥450 mm，樁身無側(cè)限抗壓強度R28≥1 MPa。

5.1 靜載試驗

試驗段內(nèi)鋼渣改良灰土擠密樁共成樁5 693 根，按設(shè)計要求0.2%的檢測比例對其進行了單樁承載力靜力載荷試驗，典型單樁承載力Q－s 曲線如圖5 所示。

圖5 鋼渣改良灰土擠密樁單樁靜載試驗Q－s 曲線

根據(jù)規(guī)范中單樁極限承載力的確定方法，確定出鋼渣改良灰土擠密樁的單樁極限承載力為320 kN，即1 630 kPa，承載力滿足設(shè)計要求。

5.2 重型動力觸探試驗

通過對樁長范圍內(nèi)樁體進行重型動力觸探試驗，對鋼渣改良灰土擠密樁的成樁質(zhì)量進行了分析，得到典型樁體重型動力觸探數(shù)據(jù)曲線如圖6 所示。

圖6 樁體重型動力觸探數(shù)據(jù)曲線圖

圖7 樁體重型動力觸探數(shù)據(jù)曲線圖

由圖7 可知，樁長范圍內(nèi)隨深度增加，N63.5呈先增大后減小趨勢，且于6.5 m 處最大，N63.5值為33，隨后N63.5值逐漸減小，至8 m 處最小為13。參考《湖南公路路基觸探試驗規(guī)定》中給出的承載力容許值與重型動力觸探錘擊數(shù)換算公式:Y =35.96X +23.8，對其進行承載力容許值的粗略換算，樁長范圍內(nèi)單樁承載力容許值大多數(shù)在700 kPa 以上，表現(xiàn)出良好的成樁效果。

6 結(jié) 論

通過對鋼渣改良灰土擠密樁材材料進行機理分析及試驗研究，得出以下結(jié)論。

(1)鋼渣對灰土材料的改良作用主要表現(xiàn)為物理作用和化學(xué)作用兩個方面。

(2)鋼渣的摻入使得鋼渣灰土材料的無側(cè)限抗壓強度明顯提高，隨鋼渣摻入量的增加，提高幅度呈先增大后減小的趨勢，不同灰土配比下均以鋼渣摻入量為30 的配比材料強度最大;隨齡期增加，不同配比的材料強度均呈不同程度增加，與不摻鋼渣的灰土材料相比，鋼渣摻入量為30 的鋼渣灰土材料在不同齡期下的強度提高幅度范圍在49.85%～83.59%之間，表現(xiàn)出良好的強度提高特性。

(3)隨浸水時間的增加，配比為9∶100∶30 的鋼渣灰土試件強度仍表現(xiàn)出不同程度的增長趨勢，浸水22 d 時的鋼渣灰土試件強度為2 055.27 kPa，與同比例的灰土材料相比，摻入鋼渣的鋼渣灰土材料仍具有較高的強度及較好的耐水性。

(4)將鋼渣改良灰土擠密樁應(yīng)用與加固湖泊相軟土地基，樁體表現(xiàn)出較好的承載力特性及成樁效果，表明鋼渣改良灰土擠密樁處理含水量較高的軟土地基是可行的。

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