鋼渣二灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

劉光燁

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300143)

2014年，中國(guó)鋼鐵年產(chǎn)量突破了8億t，占世界總量的50%以上，平均每生產(chǎn)1 t鋼鐵就排放0.2 t的鋼渣?，F(xiàn)階段，我國(guó)鋼渣利用率僅為10%，不僅浪費(fèi)土地資源，而且造成了不同程度的環(huán)境污染。因此，把鋼渣變廢為寶，并有效地應(yīng)用在工程上，減少?gòu)U渣的運(yùn)輸和處理費(fèi)用，具有環(huán)保意義和經(jīng)濟(jì)意義[1-3]。以下將鋼渣、石灰、粉煤灰按不同比例摻入黃土混合成鋼渣二灰土，研究其飽水、干濕循環(huán)以及凍融循環(huán)試驗(yàn)后的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。研究成果對(duì)改善路基土的漲縮變形具有重要意義[4-7]。

1 試驗(yàn)材料及試樣制備

1.1 鋼渣的主要成分

試驗(yàn)鋼渣取自酒鋼集團(tuán)榆中鋼鐵公司，經(jīng)過“熱悶”工藝后，其化學(xué)成分如表1所示。熱燜工藝是指利用鋼渣余熱，在有蓋容器內(nèi)加入冷水后使其成為蒸汽，使鋼渣得到消解，通過膨脹冷縮達(dá)到渣鐵分離，可以最大限度地消除鋼渣中游離態(tài)的f-CaO和f-MgO，且冷強(qiáng)度高，級(jí)配均勻，顆粒形狀適用，穩(wěn)定性好，符合國(guó)內(nèi)外對(duì)路用鋼渣的要求，使用前應(yīng)陳放2 d，消除自身膨脹性[8-10]。

表1 鋼渣化學(xué)成分

1.2 土樣配比

按照《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合現(xiàn)狀研究[1-2]和實(shí)際需要，選取以下有代表性的配比(見表2)。

表2 土樣配合比 %

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)及分析

擊實(shí)試驗(yàn)的P-W曲線如圖1所示，素土在達(dá)到最大干密度后曲線斜率最大，說明黃土有較強(qiáng)的水敏感性；1∶2∶7二灰土的最大干密度所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率范圍加大。而鋼渣二灰土相較于素土和普通二灰土，其P-W曲線峰值區(qū)更加平緩。隨著鋼渣摻量的增加，其P-W最大干密度變大，最優(yōu)含水率變小，并且均低于素土的最大干密度。其原因?yàn)殇撛鼘儆诹捷^大的粗骨料，顆粒間分子引力小而使其結(jié)合水厚度小，結(jié)合力差(不及黃土和石灰的親水性)。說明加入鋼渣可以優(yōu)化其水敏感性。

圖1 不同含水率的試樣干密度

2.2 不同飽水時(shí)間后的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及分析

路基回填土通常高于地下水位，地下水通過毛細(xì)作用上升，在路基上部蒸發(fā)失水，導(dǎo)致其含水率不斷變化。為模擬這個(gè)變化過程，在水槽中鋪設(shè)透水石，加水至透水石頂面下約1 mm并保持水槽平穩(wěn)；然后在透水石上放一張濾紙(以防止轉(zhuǎn)移時(shí)試樣受損)，將試件置于濾紙上。試樣在負(fù)孔隙水壓力作用下，經(jīng)過透水石從水槽中吸水，采用不同的吸水天數(shù)模擬自然環(huán)境中路基土的飽水時(shí)間。取三種不同齡期的試件，自然風(fēng)干1 d，分別吸水不同天數(shù)后，測(cè)得無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，分析不同齡期試件在不同飽水時(shí)間后的變化規(guī)律。水穩(wěn)系數(shù)、強(qiáng)度損失計(jì)算公式[11]為

(1)

(2)

式中D——強(qiáng)度損失/%；

K——水穩(wěn)定性系數(shù)/%；

R1——試件未浸水抗壓強(qiáng)度/MPa；

R2——試件浸水后抗壓強(qiáng)度/MPa。

結(jié)果分析如下：

(1)由圖2可知，素土具有結(jié)構(gòu)疏松、垂直節(jié)理和孔隙大等特性，水敏感性強(qiáng)，飽水2 d后試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變?yōu)?。其余試樣隨齡期的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變大，說明抵抗水侵蝕的能力變得更好，呈現(xiàn)出水穩(wěn)性逐漸增加的趨勢(shì)；之后隨飽水時(shí)間的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先下降后趨于平緩的趨勢(shì)，其中飽水1 d后的數(shù)據(jù)下降顯著。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)齡期下試件強(qiáng)度曲線

(2)如圖3，圖4所示，三種配比的鋼渣二灰土14 d時(shí)的水穩(wěn)定系數(shù)比較：低配>高配>中配；強(qiáng)度損失比較：中配>高配>低配。說明此時(shí)試樣內(nèi)部的石灰粘結(jié)作用及鋼渣的反應(yīng)較慢，尚不充分。28 d時(shí)的水穩(wěn)定系數(shù)比較：高配>中配>低配；強(qiáng)度損失比較：低配>高配>中配。說明隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，內(nèi)部鋼渣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，強(qiáng)度變大；56 d時(shí)的水穩(wěn)定系數(shù)：中配>高配>低配；強(qiáng)度損失：低配>高配>中配。說明在更長(zhǎng)的齡期之后，試樣中鋼渣反應(yīng)產(chǎn)生過量的f-CaO，游離氧化鈣遇水反應(yīng)膨脹，導(dǎo)致試樣強(qiáng)度損失。因此，中配鋼渣二灰土較高配鋼渣二灰土遇水穩(wěn)定性好。

圖5 不同齡期試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化曲線

圖3 不同齡期試樣水穩(wěn)定系數(shù)

圖4 不同齡期試樣飽水試驗(yàn)后強(qiáng)度損失曲線

(3)由圖5可知，28 d后，試樣各項(xiàng)指標(biāo)增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，故接下來的干濕、凍融循環(huán)試驗(yàn)，皆取代表性的28 d齡期試樣。

2.3 干濕循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及分析

干濕循環(huán)試驗(yàn)裝置與飽水試驗(yàn)相同，將齡期28 d的試樣置于濾紙上，以“自然條件下風(fēng)干48 h，吸水48 h”為干濕循環(huán)一次，吸水后把試件表面水擦干，測(cè)得不同循環(huán)次數(shù)后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，強(qiáng)度損失如表3所示。其計(jì)算公式為

(3)

式中Kn——經(jīng)過n次干濕循環(huán)或凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度的損失程度；

Rn——經(jīng)過n次干濕循環(huán)或凍融循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa；

R1——參照試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa。

圖6 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

表3 不同干濕次數(shù)后土樣的強(qiáng)度損失 %

結(jié)果分析如下：

如圖6所示，試樣在1次干濕循環(huán)后試樣表面出現(xiàn)孔隙及細(xì)微的裂縫。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣中的易溶鹽含量趨于穩(wěn)定，強(qiáng)度的變化量逐漸減小，4次后基本不再變化。根據(jù)表3分析，前兩次強(qiáng)度損失較明顯，10次干濕循環(huán)后，鋼渣二灰土的水穩(wěn)性和強(qiáng)度損失均優(yōu)于二灰土。摻量鋼渣不同的三種鋼渣二灰土損失比較:低配鋼渣土<中配鋼渣土<高配鋼渣土?？梢钥闯?，低配鋼渣二灰土抵抗干濕破壞能力較強(qiáng)。

2.4 凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及分析

凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，以“-20 ℃冷凍-室溫融化”為凍融循環(huán)一次，測(cè)得不同循環(huán)次數(shù)后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，抗凍性指標(biāo)如表4所示。強(qiáng)度損失和抗凍性指標(biāo)的計(jì)算公式為

(4)

式中 BDRn——經(jīng)n次凍融循環(huán)的試樣的抗壓強(qiáng)度損失系數(shù)/(%)；

RnDC——經(jīng)n次凍融循環(huán)的試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa；

RC——參照試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度/MPa。

圖7 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

表4 不同凍融次數(shù)后土樣的抗凍性指標(biāo) %

圖7中，試樣在凍融1次后強(qiáng)度有明顯下降，但凍融損失幅度較干濕破壞小，循環(huán)5次后冰凍膠結(jié)和凍脹破壞的效果均減弱，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化減小并趨于穩(wěn)定；根據(jù)表4分析，鋼渣二灰土的抗凍性能高于二灰土，表明鋼渣的摻入可以提高抗凍性能，中配鋼渣土凍融穩(wěn)定性為最優(yōu)。

3 結(jié)論

(1)鋼渣二灰土相較于二灰土有更寬的最優(yōu)含水率范圍。因此，在實(shí)際工程中，其最優(yōu)含水率的控制更為簡(jiǎn)單。

(2)飽水試驗(yàn)中六種不同試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨齡期增大而提高，鋼渣摻量大于30%之后，其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)變平緩。

(3)在干濕循環(huán)和凍融循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試中，鋼渣二灰土的遇水穩(wěn)定性和抗凍性均優(yōu)于二灰土。鋼渣的摻入，使得試樣折損程度減小，其抵抗干濕、凍融循環(huán)破壞的性能提升，但摻入過量鋼渣試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅并不明顯。因此，最佳鋼渣摻入量為30%～50%之間，可最有效地激發(fā)鋼渣在鋼渣二灰土中的作用。

[1] 高志遠(yuǎn).鋼渣粉改良基層土工程特性的試驗(yàn)研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2014

[2] 曹寶貴.二灰鋼渣在路面基層中應(yīng)用研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2004

[3] 馮美果，陳善雄，余頌，等.粉煤灰改性膨脹土水穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2007(9)：1889-1893

[4] 凌建明，謝華昌，莊少勤，等.水泥-石灰土水穩(wěn)性的實(shí)驗(yàn)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001，29(6)：733-737

[5] 樂金朝，李新明，樂旭東.鋼渣穩(wěn)定土的水穩(wěn)性試驗(yàn)研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2010，31(2):18-21

[6] 梁巖，班亞云，羅小勇.深槽地基土加固方法對(duì)防滲墻的影響研究[J].水利水電技術(shù)，2017，48(3)：46-51

[7] 中華人民共和國(guó)交通部.JTG E40—2007 公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社，2007

[8] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTJ034—2000 公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2000

[9] Guangren Qiana， Darren Deled Sun， Joo Hwa Tay， et al. Autoclave properties of kirschsteinite based steel slag[J]. Cement and Concrete Research， 2002(32):1377-1382

[10] Montgomery， D G Wang. Instant-chilled steel slag aggregate in concrete fracture related properties[J]. Cement and Concrete Research， 1992(22):755-760

[11] 高立成.固化劑改良黃土力學(xué)特性試驗(yàn)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2013

[12] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.YBJ230-91 鋼渣混合料路面基層施工技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010