鋼渣土工應(yīng)用滲透特性試驗(yàn)研究

閆家濤,王 琪,黃 祥,王麗艷

(江蘇科技大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212003)

鋼渣是鋼鐵冶金工業(yè)產(chǎn)生的廢棄物,全國每年僅鋼渣排放量就超過1億噸,總量已積存2億噸以上[1],且每年仍以數(shù)千萬噸的排渣量遞增．文獻(xiàn)[2]總結(jié)了英國4種工業(yè)廢棄物在瀝青路面上的應(yīng)用,其中包括廢棄鋼渣和廢舊輪胎;文獻(xiàn)[3]針對(duì)臺(tái)灣地區(qū)諸多工業(yè)廢棄物循環(huán)再利用的可持續(xù)性進(jìn)行了分析,其中也包括廢棄鋼渣．

鋼渣在國外被廣泛用于道路路基的墊層,如法國、德意志聯(lián)邦共和國、加拿大等國都把鋼渣用作鐵路道碴和道路材料,做法是先將加工后的鋼渣存放3～6個(gè)月,待體積穩(wěn)定以后再使用．文獻(xiàn)[4]將鋼渣和碎石混合作為柔性路面墊層,探討鋼渣摻入量對(duì)混合料的力學(xué)性能的影響．文獻(xiàn)[5]將鋼渣加入混凝土中研究混凝土的力學(xué)性能．文獻(xiàn)[6]將橡膠顆粒摻入鋼渣研究混合料的壓縮力學(xué)性能．

滲透性是巖土工程方向研究的關(guān)鍵課題之一,而滲透系數(shù)作為滲透性最重要的參數(shù),其變化規(guī)律對(duì)土體強(qiáng)度和剪切變形有著重要影響,也必然與工程的安全緊密相關(guān)．土的滲透系數(shù)主要受土的種類、級(jí)配、密實(shí)度和溫度等因素影響,目前主要針對(duì)常規(guī)土的滲透性能研究較多．

文獻(xiàn)[7]利用常水頭滲透儀進(jìn)行不同粗粒含量砂土的滲透性能試驗(yàn);文獻(xiàn)[8]對(duì)粉砂土路基進(jìn)行滲透試驗(yàn);文獻(xiàn)[9]研究加入黃土后粉煤灰的滲透特性．文獻(xiàn)[10]針對(duì)鈣質(zhì)砂滲透特性及其影響因素進(jìn)行研究．文獻(xiàn)[11]研究土的粒徑、級(jí)配對(duì)于滲透系數(shù)的影響．目前基本公認(rèn)的有效粒徑d10和孔隙比e對(duì)滲透系數(shù)有影響,但兩者以何種形式出現(xiàn)在滲透系數(shù)的理論預(yù)測(cè)公式中,目前尚未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[12]．

近些年,粉煤灰已被大量用于筑壩和基礎(chǔ)填筑的施工中,在許多方面表現(xiàn)出優(yōu)越的工程性能[13]．堿渣與粉煤灰等拌和可制成工程土,代替一般工程土作為道路基礎(chǔ)或大面積填墊材料的途經(jīng)[14]．但是,粉煤灰缺少必要的粘聚力,對(duì)水的反應(yīng)較為敏感,給工程的安全運(yùn)行帶來不利影響．已有研究表明鋼渣具有膠凝性[15],如果鋼渣滲透性能良好,將比粉煤灰更適合作為填料用于路基、建筑地基等實(shí)際工程．

因此,有必要研究鋼渣土工應(yīng)用的滲透性能,國內(nèi)外對(duì)此方面的研究尚不多見．文中通過考慮相對(duì)密實(shí)度和級(jí)配2種重要因素開展純鋼渣的常水頭滲透試驗(yàn),研究純鋼渣土工應(yīng)用的滲透特性．

1 基本物理特性試驗(yàn)

1.1 鋼渣顆粒分析試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為江蘇張家港市永鋼集團(tuán)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄鋼渣,所取的廢棄鋼渣已陳化堆放8個(gè)月以上,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,可直接用于土工中,其天然堆積狀態(tài)如圖1．

圖1 堆積的廢棄鋼渣Fig.1 Stacked steel slag

首先采用篩分法對(duì)上圖鋼渣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn),所得3種鋼渣篩分試驗(yàn)結(jié)果見圖2．為了明確區(qū)分3種鋼渣,根據(jù)鋼渣的粒徑范圍,文中定義粒徑小于1 mm的粒組質(zhì)量超過總質(zhì)量50%的鋼渣為細(xì)鋼渣,粒徑大于1 mm小于5 mm的粒組質(zhì)量超過總質(zhì)量50%的鋼渣為粗鋼渣,粒徑大于2 mm的粒組質(zhì)量超過總質(zhì)量50%的鋼渣為礫鋼渣,下文鋼渣均按此定義劃分．

圖2 3種鋼渣的級(jí)配曲線Fig.2 Grading curves of three kinds of steel slag

根據(jù)顆分試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算出3種鋼渣的粒徑參數(shù),見表1．3種鋼渣的不均勻系數(shù)Cu都大于5,但細(xì)鋼渣和礫鋼渣曲率系數(shù)Cc介于1與3之間,級(jí)配良好,而粗鋼渣曲率系數(shù)Cc>3,級(jí)配不良．

表1 3種鋼渣的粒徑參數(shù)Table 1 Particle size parameters of three kinds of steel slag

1.2 鋼渣最大與最小干密度試驗(yàn)

純鋼渣常水頭滲透試驗(yàn)的控制因素之一為鋼渣的相對(duì)密實(shí)度,因此需要通過試驗(yàn)測(cè)得3種鋼渣的最大和最小干密度,隨后計(jì)算分別得到各鋼渣的相對(duì)密實(shí)度．試驗(yàn)材料如圖3．

圖3 試驗(yàn)材料線Fig.3 Test materials

計(jì)算得到的3種鋼渣的最大、最小干密度見表2．

表2 3種鋼渣最大與最小干密度Table 2 Maximum and minimum dry density of three kinds of steel slag g·cm-3

1.3 鋼渣的比重試驗(yàn)

鋼渣的比重為實(shí)測(cè)指標(biāo),其測(cè)量精度直接影響其他指標(biāo)的準(zhǔn)確性．由于粗、細(xì)兩種鋼渣粒徑都在5 mm以內(nèi),故選用比重瓶法測(cè)試,礫鋼渣中存在近20%的顆粒大于5 mm,因此選用浮稱法測(cè)定．

所測(cè)比重?cái)?shù)值見表3,并將其與傳統(tǒng)土比重進(jìn)行比較,得出3種鋼渣的比重均大于常規(guī)土的比重,細(xì)鋼渣和粗鋼渣比重相近．礫鋼渣比重相比于粗、細(xì)鋼渣較小,但也高于砂土等常規(guī)土的比重．

表3 3種鋼渣與常規(guī)土的比重對(duì)比Table 3 Comparison of specific gravity between three kinds of steel slag and conventional soils g·cm-3

2 純鋼渣的滲透特性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

考慮相對(duì)密實(shí)度、顆粒級(jí)配兩種因素開展3種級(jí)配18組試驗(yàn),相對(duì)密度采用木錘擊實(shí)法控制．每組平行試驗(yàn)測(cè)定3次,試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行,為消除溫度的影響,試驗(yàn)時(shí)測(cè)試水溫,試驗(yàn)結(jié)果最終統(tǒng)一修正為20 ℃下的滲透系數(shù)．表4為3種鋼渣滲透試驗(yàn)相對(duì)密實(shí)度的設(shè)定水平．

表4 滲透試驗(yàn)相對(duì)密實(shí)度的設(shè)定水平Table 4 Setting level of the factors considered in the penetration test

注:*表示該值為相對(duì)密實(shí)度設(shè)計(jì)值,結(jié)果分析時(shí)按照實(shí)測(cè)值為依據(jù)

2.2 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)器材為TST-70型常水頭滲透儀,裝置如圖4．試驗(yàn)時(shí)取烘干鋼渣6 kg,將試樣分12層裝入圓筒．

圖4 TST-70型滲透儀Fig.4 TST-70 type permeameter

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 滲透系數(shù)k與相對(duì)密度(Dr)關(guān)系

在坐標(biāo)系中繪制滲透系數(shù)與相對(duì)密度k-Dr關(guān)系曲線，如圖5,可以看出:(1) 鋼渣相對(duì)密實(shí)度越大,滲透系數(shù)越小,這是由于相對(duì)密實(shí)度越大,鋼渣越密實(shí),內(nèi)部孔隙越小,小顆粒填充大顆粒間隙,同時(shí)壓縮了孔隙空氣,水自由流動(dòng)的阻力增大;(2) 細(xì)鋼渣與粗鋼渣的滲透系數(shù)在密實(shí)度較低時(shí)(小于30%)下降緩慢,在相對(duì)密實(shí)度40%～60%之間,滲透曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),滲透系數(shù)急劇減小,60%之后曲線下降趨勢(shì)放緩;礫鋼渣的滲透系數(shù)則隨著相對(duì)密實(shí)度的增加顯著降低,達(dá)到70%后下降趨勢(shì)放緩,規(guī)律與細(xì)鋼渣和粗鋼渣有所不同．

圖5 3種鋼渣滲透系數(shù)隨相對(duì)密度變化的曲線Fig.5 Permeability curves of three types of steel slag with relative density changes

2.3.2 滲透系數(shù)k與孔隙比(e)關(guān)系

利用式(1)計(jì)算出各狀態(tài)下的孔隙比,繪出鋼渣滲透系數(shù)(k)隨孔隙比(e)的變化曲線如圖6．由圖6可以看出,鋼渣的滲透系數(shù)隨其孔隙比的增大而增大,滲透系數(shù)在孔隙比0.5～0.65之間增長快速,之后增長趨勢(shì)趨于平緩．

(1)

式中：Gs為鋼渣的比重;ρd為鋼渣干密度;ρw為4℃下水的密度．

圖6 3種鋼渣隨孔隙比變化的滲透曲線Fig.6 Permeability curves of three kinds of steel slag with void ratio changes

細(xì)鋼渣在制樣過程中壓實(shí)難度大,滲透系數(shù)均穩(wěn)定在10-3數(shù)量級(jí),且數(shù)值相差不大;粗鋼渣級(jí)配不良但粗顆粒較多,粒徑范圍大,因此滲流速度明顯快于細(xì)鋼渣,管口出水呈水流狀,滲透系數(shù)均在10-2數(shù)量級(jí);根據(jù)級(jí)配曲線可以看出,礫鋼渣粒徑分布范圍更大,大顆粒多且級(jí)配良好,更容易壓密實(shí),隨著孔隙比的減小,管口出水由水流狀變化到水滴狀．當(dāng)孔隙比在0.52以上并逐漸增大時(shí),礫鋼渣的滲透系數(shù)數(shù)量級(jí)為10-2,且增長快速;滲透性能類似于粗鋼渣,當(dāng)孔隙比在0.52以下并逐漸減小時(shí),礫鋼渣的滲透系數(shù)很小,且經(jīng)過10-3達(dá)到10-4甚至更小數(shù)量級(jí)．

2.4 純鋼渣滲透系數(shù)預(yù)測(cè)公式

由于滲透儀器功能的限制,試驗(yàn)過程中無法控制鋼渣達(dá)到完全密實(shí),為了全面了解鋼渣不同狀態(tài)下的滲透特性,有必要推導(dǎo)出純鋼渣的滲透系數(shù)預(yù)測(cè)公式．

文獻(xiàn)[19] 基于純砂滲透實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)提出滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式,如式(2),式中c為一個(gè)常數(shù),在1～1.5之間變化;Casagrande提出了細(xì)中砂的滲透系數(shù)的簡單關(guān)系,見式(3),該公式表明滲透系數(shù)與孔隙比以及孔隙比為0.85下的滲透系數(shù)有關(guān);Kozeny和Garman(1956)推導(dǎo)出了新的粗粒土滲透系數(shù)計(jì)算公式,見式(4);Amer和Awad(1974)基于前人的研究和自己試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照,得出滲透系數(shù)公式(5),式中C1為常數(shù)．

k=cd102

(2)

k=1.4e2k0.85

(3)

(4)

(5)

式中：C為常數(shù)，取值為1.0～1.5之間；Cs為形狀系數(shù)；Ss為土壤固體顆粒單元表面積；T為迂曲度;μ為粘滯系數(shù);Cu為不均勻系數(shù)；d10為有效粒徑,mm.

以往的公式表明,粗粒土的滲透系數(shù)與孔隙比已經(jīng)形成一種關(guān)系,即,

(6)

Chapuis[19](2004)提出了k的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系方程,如式(7),該公式對(duì)于自然的、均勻的砂和礫石是有效的,滲透系數(shù)預(yù)測(cè)范圍在10-1～10-3之間,并可以擴(kuò)展用于沒有塑性的天然粉砂,但是對(duì)于粉碎的材料或有一定塑性的粉土是無效的．

(7)

文中所研究的廢棄鋼渣是具有膠凝性和粘聚力的碎散材料,但是宏觀顆粒又類似于砂和礫石,因此,鋼渣的滲透系數(shù)計(jì)算公式可基于Chapuis經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正．經(jīng)計(jì)算和研究發(fā)現(xiàn),Chapuis公式經(jīng)修正后適用于細(xì)鋼渣和粗鋼渣的滲透系數(shù)計(jì)算,如式(8)，(9)．經(jīng)計(jì)算,細(xì)鋼渣滲透系數(shù)的公式預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)測(cè)試值偏差很小,除個(gè)別偏差在20%左右,其他偏差均在10%以內(nèi);粗鋼渣滲透系數(shù)的公式預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)測(cè)試值偏差較小,但存在2個(gè)值偏差超過20%．但是,無論是細(xì)鋼渣還是粗鋼渣,滲透系數(shù)預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)測(cè)試值的數(shù)量級(jí)吻合,在同一數(shù)量級(jí)上,表明文中提出的2個(gè)修正公式預(yù)測(cè)粗細(xì)鋼渣的滲透系數(shù)具有合理性和可靠性．

(8)

(9)

由于礫鋼渣在不同密實(shí)度下滲透系數(shù)變化范圍很大,橫跨4個(gè)數(shù)量級(jí)(10-5～10-2),經(jīng)過驗(yàn)算以往的經(jīng)驗(yàn)公式發(fā)現(xiàn)都不適用,也無法對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正．所以,這里采用文中試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，如圖7.

表5 細(xì)鋼渣、粗鋼渣的滲透系數(shù)測(cè)試值與公式預(yù)測(cè)值對(duì)比Table 5 Comparison between actual value and formula calculation value of permeability coefficient of fine steel slag and coarse steel slag

圖7 礫鋼渣滲透系數(shù)變化的擬合曲線
Fig.7Fitting curve of gravel steel slag

permeability coefficient

推出適合礫鋼渣滲透系數(shù)計(jì)算的擬合公式,見式(10),擬合得到的礫鋼渣滲透系數(shù)計(jì)算公式擬合度達(dá)到97.2%．

(10)

3 鋼渣土工應(yīng)用分析

為了能夠清晰地對(duì)比鋼渣與傳統(tǒng)土滲透系數(shù)的范圍,繪制了綜合圖,如圖8．經(jīng)過比較,得到密實(shí)情況下(相對(duì)密實(shí)度>55%)礫鋼渣滲透性能(滲透系數(shù)10-5～10-3cm/s)與粉煤灰[20]相當(dāng);粗鋼渣和細(xì)鋼渣滲透性能優(yōu)于粉煤灰(10-5～10-3cm/s),劣于純礫(>10-1cm/s),與純砂和低礫含量的混合物相當(dāng)．

圖8 鋼渣與常規(guī)土料的滲透系數(shù)比較Fig.8 Comparison of permeability coefficient between steel slag and conventional soils

傳統(tǒng)砂土和粉煤灰常用于路基填料,砂礫土常用于水閘大壩下游工程作墊層,但是由于砂土和粉煤灰基本不具有膠凝性和粘聚力,砂土?xí)芩鳑_刷和風(fēng)蝕易損壞,粉煤灰質(zhì)輕,水穩(wěn)定性弱于鋼渣．由前面3種純鋼渣的滲透特性研究得出純鋼渣的滲透性能良好,且鋼渣具有膠凝性和粘聚力,因此,鋼渣或許比砂土與粉煤灰更適合作為填料用于路基和建筑地基等工程回填中．

道路基層填充必須有較好的透水性,由前面研究得出:相對(duì)密實(shí)度>55%的礫鋼渣與粉煤灰滲透性能相當(dāng),而細(xì)鋼渣和粗鋼渣滲透性能優(yōu)于粉煤灰,與純砂和低礫含量的混合物相當(dāng)．因此,土工應(yīng)用中細(xì)鋼渣、粗鋼渣和密實(shí)狀態(tài)下的礫鋼渣都可以替代粉煤灰,細(xì)鋼渣和粗鋼渣還可以替代純砂和低礫含量的混合物．

4 結(jié)論

針對(duì)細(xì)、粗、礫3種鋼渣,通過基本物理特性試驗(yàn)研究了3種鋼渣的基本物理參數(shù),進(jìn)而通過常水頭滲透試驗(yàn)研究了3種純鋼渣的滲透特性,推出了3種純鋼渣滲透系數(shù)的預(yù)測(cè)公式．得到以下結(jié)論:

(1) 鋼渣相對(duì)密實(shí)度越大,滲透系數(shù)越小.

(2) Chapuis公式經(jīng)修正后適用于細(xì)鋼渣和粗鋼渣的滲透系數(shù)計(jì)算,粗鋼渣滲透系數(shù)的公式預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)測(cè)試值偏差較小,表明文中提出的兩個(gè)修正公式預(yù)測(cè)粗細(xì)鋼渣的滲透系數(shù)具有合理性和可靠性.

(3) 密實(shí)情況下(相對(duì)密實(shí)度>55%)礫鋼渣滲透性能(滲透系數(shù)10-5～10-3cm/s)與粉煤灰相當(dāng);粗鋼渣和細(xì)鋼渣滲透性能優(yōu)于粉煤灰(10-5～10-3cm/s),劣于純礫(>10-1cm/s),與純砂和低礫含量的混合物相當(dāng).

(4) 土工應(yīng)用中細(xì)鋼渣、粗鋼渣和密實(shí)狀態(tài)下的礫鋼渣都可以替代粉煤灰,細(xì)鋼渣和粗鋼渣還可以替代純砂和低礫含量的混合物,表明鋼渣適用于路基填充和建筑地基回填等實(shí)際工程中．