鋼渣二灰土的無側(cè)限抗壓強度試驗研究

劉光燁

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300143)

2014年，中國鋼鐵年產(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。現(xiàn)階段，我國鋼渣利用率僅為10%，不僅浪費土地資源，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，減少廢渣的運輸和處理費用，具有環(huán)保意義和經(jīng)濟意義[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)試驗后的抗壓強度變化規(guī)律。研究成果對改善路基土的漲縮變形具有重要意義[4-7]。

1 試驗材料及試樣制備

1.1 鋼渣的主要成分

試驗鋼渣取自酒鋼集團榆中鋼鐵公司，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，且冷強度高，級配均勻，顆粒形狀適用，穩(wěn)定性好，符合國內(nèi)外對路用鋼渣的要求，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 試驗結(jié)果與分析

2.1 擊實試驗及分析

擊實試驗的P-W曲線如圖1所示，素土在達到最大干密度后曲線斜率最大，說明黃土有較強的水敏感性；1∶2∶7二灰土的最大干密度所對應(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。其原因為鋼渣屬于粒徑較大的粗骨料，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 不同飽水時間后的抗壓強度試驗及分析

路基回填土通常高于地下水位，地下水通過毛細作用上升，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)移時試樣受損)，將試件置于濾紙上。試樣在負孔隙水壓力作用下，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，測得無側(cè)限抗壓強度，分析不同齡期試件在不同飽水時間后的變化規(guī)律。水穩(wěn)系數(shù)、強度損失計算公式[11]為

(1)

(2)

式中D——強度損失/%；

K——水穩(wěn)定性系數(shù)/%；

R1——試件未浸水抗壓強度/MPa；

R2——試件浸水后抗壓強度/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，飽水2 d后試樣的無側(cè)限抗壓強度變?yōu)?。其余試樣隨齡期的增加，無側(cè)限抗壓強度變大，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；之后隨飽水時間的增加，無側(cè)限抗壓強度均呈現(xiàn)先下降后趨于平緩的趨勢，其中飽水1 d后的數(shù)據(jù)下降顯著。

圖2 不同養(yǎng)護齡期下試件強度曲線

(2)如圖3，圖4所示，三種配比的鋼渣二灰土14 d時的水穩(wěn)定系數(shù)比較：低配>高配>中配；強度損失比較：中配>高配>低配。說明此時試樣內(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時的水穩(wěn)定系數(shù)比較：高配>中配>低配；強度損失比較：低配>高配>中配。說明隨著養(yǎng)護齡期的增加，內(nèi)部鋼渣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，強度變大；56 d時的水穩(wěn)定系數(shù)：中配>高配>低配；強度損失：低配>高配>中配。說明在更長的齡期之后，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后強度損失曲線

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

2.3 干濕循環(huán)后的抗壓強度試驗及分析

干濕循環(huán)試驗裝置與飽水試驗相同，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，測得不同循環(huán)次數(shù)后的無側(cè)限抗壓強度。干濕循環(huán)試驗結(jié)果如圖6所示，強度損失如表3所示。其計算公式為

(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)限抗壓強度/MPa；

R1——參照試樣的無側(cè)限抗壓強度/MPa。

圖6 無側(cè)限抗壓強度與干濕循環(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。可以看出，低配鋼渣二灰土抵抗干濕破壞能力較強。

2.4 凍融循環(huán)后的抗壓強度試驗及分析

凍融循環(huán)試驗時，以“-20 ℃冷凍-室溫融化”為凍融循環(huán)一次，測得不同循環(huán)次數(shù)后的無側(cè)限抗壓強度。凍融循環(huán)試驗結(jié)果如圖7所示，抗凍性指標(biāo)如表4所示。強度損失和抗凍性指標(biāo)的計算公式為

(4)

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

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

RC——參照試樣的無側(cè)限抗壓強度/MPa。

圖7 無側(cè)限抗壓強度與凍融循環(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，在實際工程中，其最優(yōu)含水率的控制更為簡單。

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

(3)在干濕循環(huán)和凍融循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強度測試中，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。

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