復合水泥爐渣灰材料動彈性模量試驗研究

張淑坤，張向東，陸啟珂

（1.遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧阜新 123000；2.中交集團第三航務工程局鐵路分公司，上海 201900）

復合水泥爐渣灰材料動彈性模量試驗研究

張淑坤1，張向東1，陸啟珂2

（1.遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧阜新 123000；2.中交集團第三航務工程局鐵路分公司，上海 201900）

為了研究復合水泥爐渣灰動力特性，通過動三軸試驗，測試出不同替換比率下復合水泥爐渣灰的Ed-ε曲線。分析應變、圍壓及替換比率等對動彈性模量的影響規律。得出如下結論：動彈性模量隨著應變的增加而遞減；應變一定，圍壓增加，復合水泥爐渣灰土具有較高的動彈性模量；應變一定，提高替換比率，可以增加復合水泥爐渣灰土試樣的整體強度。復合水泥爐渣灰作為注漿材料進行土體加固的研究成果，可為其加固體的抗震設計提供科學依據。

動三軸；水泥爐渣灰；替換比率；抗震設計

現今爐渣灰、粉煤灰數量很多，是對環境影響最為嚴重的一類固體廢棄物。考慮到廢物回收利用，近年來爐渣灰、粉煤灰被越來越廣泛地利用起來，對粉煤灰應用的研究也越來越多。然而對爐渣灰應用的研究略少。或將粉煤灰與石灰水泥拌合來進行填筑公路路基［1］，或將其與混凝土混合后作為防滲的充填材料［2］，還有在黏土中摻入不同比例的粉煤灰加固軟土地基［3］，也有從物理化學角度出發來改變爐渣灰、粉煤灰的特性等［4－5］。各個研究中從不同角度分析摻入粉煤灰后形成復合材料的力學特性，為爐渣灰、粉煤灰的再利用奠定了基礎。然而在爐渣灰、粉煤灰復合材料的研究中，對其加固后工程體的動力研究卻比較少。其中文獻［6］研究了粉煤灰作為壩基和壩料時的動力特性，文獻［7］對粉煤灰改良后的風積土進行了動力特性研究等。

本文中將爐渣灰與水泥進行混合，研究水泥爐渣灰作為注漿材料加固軟土的特性，采用動三軸方法分析加固后土體Ed－ε之間的關系，以便為加固后土體的抗震設計提供依據。

1 材料特性

軟土試樣采用遼寧省本溪市桓仁縣渾江水庫林場邊坡軟弱夾層土，水泥采用普通425號硅酸鹽水泥，爐渣灰采用遼寧省阜新市阜新火力發電廠的高爐排灰，該爐渣灰呈暗灰色，具體化學成分及粒度成分如表1所示。

表1 爐渣灰化學成分及粒度成分Table1 Chem ical com positions and grain sizes of the slag ash

2 復合水泥爐渣灰土的試驗設備及其試樣制備

試驗儀器中，主機是DZ78－1型電磁式動三軸儀，激振器在試件上方，力傳感器在活塞與激振器動圈之間；試件尺寸D×H＝50.5 mm×110.0 mm［8］（D為直徑，H為高度），拉壓力傳感器型號BLR－1型，最大荷載為2 kN；孔壓傳感器型號為AK－1，量程為0～1 MPa；位移傳感器型號為（HP－DCLVDT）DA－10型。

測控系統為DDS－30動三軸試驗系統。微機信號發生板發出給定信號，經動率放大器放大信號后輸入主機開始振動。振動信號經傳感器、動態應變放大儀和數據采集板將數據反饋并存儲于微機中，最后進行整理分析。試驗機采用周期波振動，頻率為F＝12 Hz。試樣及實驗儀器如圖1、圖2所示，其中試樣滲透部分為制備試樣時內核水泥爐渣灰向外擴散與土融合的部分。

圖1 試件圖樣Fig.1 Sketch and photo of the specimen

圖2 動三軸儀Fig.2 Dynam ic triaxial apparatus

復合水泥爐渣灰土的動力特性可以用周期荷載作用下土的應力－應變曲線來表示。圖3表示了周期荷載作用下滯變回線環形成的應力應變曲線。

圖3 應力－應變關系曲線Fig.3 Stress-strain curve

通過上圖可以得到動彈性模量Ed的表達式為Ed＝（σd1＋σd2）／（ε1＋ε2），σd1，σd2為軸向受壓應力和受拉應力，ε1，ε2為相應的垂直應變。

3 試驗結果及分析

復合水泥爐渣灰土試樣：半徑50.5 mm，高110 mm，水泥摻和率為18%，爐渣灰摻和率為5%，替換比率（M）分別為5.5%，12.5%和21.5%，水灰比為0.5。通過動三軸試驗，得到天然黏性土及復合水泥爐渣灰土（M＝5.5%，12.5%，21.5%）的Ed-ε曲線，見圖4。

圖4 Ed-ε曲線Fig.4 Ed-εcurves

3.1 圍壓影響

圖4（a）顯示了素土的圍壓對動彈性模量Ed的影響。從圖中可以看出，應變一定時，圍壓增加，則動彈性模量增大。圖4（b）、4（c）、4（d）也顯示了同樣的趨勢。這種趨勢可以解釋為：當圍壓增加時，復合水泥爐渣灰土中鄰近顆粒的接觸變得更加緊密，顆粒間的咬合及摩阻效果增大，導致了能量耗散的大量減少，因此復合水泥爐渣灰土中有較高的動彈性模量。

3.2 應變與動彈性模量的關系

由試驗得出的Ed-ε曲線可知，動彈性模量隨著應變的增加而遞減。這遞減的階段基本分為驟減階段（ab），平緩階段（bc），持穩階段（cd）。如圖5所示。

圖5 Ed-ε曲線階段示意圖Fig.5 Stages of Ed-εcurve

該試驗中把明顯特征試驗點作為分界b，c點，如若更精細劃分，需加密試驗。不同圍壓下相同替換比率時，各個階段對應的變形區間不太明顯，但相同區間的Ed隨著圍壓的增加而增大；相同圍壓下替換比率不同時，隨著替換比率增加，階段b點到來得要早一些，而c點到來得要晚一些（即平緩階段區間大），且對應的動彈性模量也要大。該平緩階段大小直接影響著土樣抗震性能，說明水泥爐渣灰相互作用，能大大增強試件的Ed，而這種現象隨著替換比率的增加以及圍壓的增大而越來越顯著，將該段詳細情況列入表2。

表2 特征點應變Table2 The strains of feature points

3.3 替換比率的影響

水泥與爐渣灰相互混合，水泥一定程度上可以激發爐渣灰活性，水泥水化生成的Ca（OH）2會與爐渣灰中活性較高的Al2O3和SiO2反應生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。水化28 d，粉煤灰水化成的產物與水泥水化產物相互交叉搭接形成整體結構，兩者緊密結合，強度增高。如若考慮到改變水化的時間長短或者充分的程度，也可以考慮加入相應的激發劑等。

基于水泥能夠激發爐渣灰活性的原因，對于復合水泥爐渣灰土試樣而言，替換比率（M）則成為了一個非常重要的因素，從而影響動彈性模量Ed。例如由曲線圖4（（a）—（d））可見當圍壓為300 MPa，且初始應變為0和0.005時，對應的4種替換比率動彈模分別為：250，275，300，350 MPa和105，125，130，160 MPa，即其它參數保持不變，在一定變形條件下，替換比率增加，則動彈性模量Ed增加。而水泥爐渣灰土核心的動彈性模量Ed要比試樣周圍土介質的動彈性模量Ed高很多。因此大幅度提高替換比率，即可增加復合水泥爐渣灰土試樣的整體強度。

4 結 論

（1）動彈性模量隨著應變的增加而遞減。相同替換比率，相同圍壓下，各個階段對應的變形區間不太明顯；不同替換比率，相同圍壓下，隨著替換比率增加，階段b點到來得要早一些，而c點到來得要晚一些（即平緩階段區間大），且對應的動彈性模量也要大。

（2）應變一定，當圍壓增加時，復合水泥爐渣灰土中鄰近顆粒的接觸變得更加緊密，顆粒間的咬合及摩阻效果增大，導致了能量耗散的大量減少，因此復合水泥爐渣灰土中有較高的動彈性模量。

（3）當其它參數都保持不變時，在一定變形條件下，當替換比率增加時，動彈性模量Ed增加，而水泥爐渣灰土核心的動彈性模量Ed要比試樣周圍土介質的動彈性模量Ed高很多，因此大幅度提高替換比率，也就增加了復合水泥爐渣灰土試樣的整體強度。

（4）將復合水泥爐渣灰作為注漿材料對土體結構物進行加固時，若需考慮加固后土體的抗震性，則可進行此類試驗來進行相應判斷。

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［7］ 張向東，馮勝洋，潘 宇，等.二灰改良風積土動力特性試驗［J］.中國地質災害與防治學報，2010，2（2）：89－93.（ZHANG Xiang-dong，FENG Sheng-yang，PAN Yu，et al.Experimental Study on Dynamic Performance of Lime-Flyash-Improved Aeolian Soil［J］.The Chinese Journal ofGeological Hazard and Control，2010，2（2）：89－93.（in Chinese））

［8］ 施 斌，朱志鐸，劉松玉.土工試驗原理及方法［M］.南京：南京大學出版社，1994.（SHIBin，ZHU Zhi-duo，LIU Song-yu.Principle and Method of the Geotechnical Test［M］.Nanjing：Nanjing University Press，1994.（in Chinese） ）

（編輯：陳 敏）

Dynam ic Elastic M odulus of Com posite Cement Slag Ash M aterial

ZHANG Shu-kun1，ZHANG Xiang-dong1，LU qi-ke2
（1.School of Civil and Transportation，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China；2.Railway Branch of the Third Navigational Engineering Bureau of China Communications Construction Co.，Ltd.，Shanghai 201900，China）

To investigate the dynamic characteristics of composite cement slag ash，we analyzed the effect of strain，confining pressure，and replacement ratio on the dynamic elastic modulus through Ed-εcurves obtained from dynamic triaxial tests.Itwas concluded that dynamic elasticmoduluswas degressive alongwith the increase of strain；when strain remained unchanged and the confining pressure increased，the dynamic elasticmodulus of the composite cement slag ash soilwas larger；when strain remained unchanged and replacement ratio increased，the overall strength of the soil sample was improved.This research could provide scientific basis for aseismic design when the composite cement slag ash is used as groutingmaterial for soil reinforcement.

dynamic triaxial；cement slag ash；replacement ratio；aseismic design

P642.16

A

1001－5485（2012）09－0074－03

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.09.017

2011－08－15；

2011－11－19

國家自然科學基金資助（51174268）

張淑坤（1983－），男，黑龍江方正人，講師，博士研究生，主要從事巖土工程方面的教學與科研工作，（電話）13795023625（電子信箱）4254423＠163.com。