粉煤灰、鋼渣、橡膠顆粒材料的三軸壓縮試驗研究

王小龍 黃偉 王坤

摘 要 通過對工業廢料的研究，將其作為抗震地基或者建筑材料的摻和料，實現可持續發展以及對環境的保護。利用TSZ-6A型應變控制式三軸儀，對四種圓柱試件進行無側限的三軸壓縮試驗，得出其無側限抗壓強度，并比較四種試件破壞形式的差異。試驗結果表明，在三軸壓縮條件下，試件1與試件2的抗壓強度較高，仍需要進行進一步試驗來研究試件4三種材料的最佳配合比以及最佳水灰比。

關鍵詞 三軸壓縮試驗;無側限強度;破壞形式;材料性能。

1研究背景

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕 下來的細灰，即燃煤電廠排出的主要固體廢物。大量的粉煤灰若不加處理，就會產生揚塵，污染大氣;若排入水系會造成河流淤塞，而其中的有毒化學物質還會對人體和生物造成危害[1]。

鋼渣是一種工業固體廢物，是煉鋼排出的渣，依爐型分為轉爐渣、 平爐渣、 電爐渣。主要由鈣、 鐵、 硅、鎂和少量鋁、錳、磷等的氧化物組成。

橡膠顆粒主要是通過各種廢舊橡膠包括廢橡膠、旅游鞋底、邊角料、電纜皮、橡膠邊角料、汽車墊帶、汽車輪胎等廢舊橡膠原料加工生產而來。

這三種材料作為工業廢料，如果處理不當便會污染環境。研究表明這三種材料可用于綠色混凝土的摻和料或者建筑材料，在使用之前，研究這三種材料的性能變得極為重要[2]。

2三軸壓縮試驗

2.1 試驗設備

本試驗采用TSZ-6A型應變控制式三軸儀，可以進行不固結不排水剪（UU）固結不排水剪（CU）和固結排水剪（CD）的三軸試驗。其工作原理是：主要部分為電液伺服系統，以伺服元件（伺服閥或伺服泵）為控制核心，由指令裝置、控制器、放大器、液壓源、伺服元件、執行元件、反饋傳感器及負載組成，通過反饋信號與輸入信號相比較得出偏差信號，利用該偏差信號控制液壓能源輸入到系統的能量，使系統向著減小偏差的方向變化，直至偏差等于零或足夠小，從而使系統的實際輸出與希望值相符，顯著優點為能夠進行遠程控制，精確控制系統壓力。

三軸壓縮試驗采用圓柱體試件，將試件放在壓力室后，對試件表面施加液壓，用橡膠套將試件與油隔開，施加軸向壓力后，直至試件破壞，期間可以通過監測系統記錄各種試驗參數[3]。

2.2 試驗原理

根據最大荷載和截面面積計算試件的軸向強度：

在式中：

——試件無側限抗壓強度;

——軸向破壞載荷;

——試件的橫截面積。

此次試驗為無側限固結不排水三軸壓縮試驗，即圍壓，只對試件施加垂直的軸向壓力，由此測出無側向壓力的情況下，抵抗軸向壓力的極限強度，即為無側限抗壓強度[4]。

2.3 試件材料參數及制作過程

材料參數：

粉煤灰簡介：主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。為水泥色粉狀，細度43微米，密度為2.4克/立方厘米，含水量在0.5%。

鋼渣簡介：一級鋼渣粉，含有鈣、鐵、硅、鎂等元素，為熟料。

橡膠顆粒簡介：黑色橡膠顆粒，顆粒大小在2-4mm。

試件編號：

試件1：粉煤灰試件，水灰比為0.325，水泥添加量為3%。

試件2：橡膠顆粒試件，水灰比為0.2，水泥添加量為20%。

試件3：鋼渣試件，水灰比為0.35，水泥添加量為5%。

試件4：粉煤灰-橡膠顆粒-鋼渣試件，水灰比為0.27，水泥添加量為0。

備注：4個試件尺寸皆為φ39.1mm*80mm，養護時間為7天。在粉煤灰試件制作過程中，0.6水灰比時，試件無法成型，過于黏稠，流動性高;0.4水灰比時，時間在養護兩天后水化[5]。

3試驗結果分析

3.1 試件三軸抗壓強度

根據記錄的破壞荷載可以得出試件的無側限抗壓強度，見表1。

從表1可以看出：試件1的抗壓強度為最高，而試件3抗壓強度最低，從理論上說，試件4由于三種材料的配合比不同也會出現不同的強度。

3.2 試件破壞形態

試件1與試件2有明顯的剪切面，剪切面平整，破壞后試件較為完整;而試件3與試件4在破壞取出后呈破碎狀，剪切面不明顯[6]。

4結束語

（1）粉煤灰，鋼渣，橡膠顆粒作為工業廢料，如果能夠將其利用起來，作為建筑材料的摻和料，對于可持續發展以及環境的保護具有重要意義。

（2）從實驗可以看出，粉煤灰與水泥的組合強度最高，而橡膠顆粒的強度很大一部分得益于接觸面的粗糙。而通過繼續進行大量實驗，可以得出粉煤灰-橡膠顆粒-鋼渣試件的三種材料的最佳配合比以及最佳水灰比。

（3）此試驗對于粉煤灰，橡膠顆粒，鋼渣這三種材料的性能具有一定的參考意義，但仍存在局限性，仍需進行進一步實驗，來得出各種試件的莫爾應力圓及其他各種參數。

參考文獻

[1] 王鷹鵬，汪令輝.兩種不同巖石在三軸壓縮條件下的變形實驗[J].中國礦山工程，2013，42（5）：8-11.

[2] 吉佳豪.頁巖在CO_2作用下的三軸壓縮實驗研究[D].成都：西南石油大學，2018.

[3] 李曉娟，倪驍慧，孫斌祥，等.粉砂巖三軸壓縮條件下細觀損傷特征的定量研究[J].煤炭學報，2012（4）：590-595.

[4] 黃英華，唐海燕.大理巖常規三軸壓縮試驗的相關性分析[J].采礦技術，2011（6）：32-33.

[5] 李孔，葛修潤，李春光.基于三軸壓縮試驗確定巖石的Hoek-Brown軟化參數的方法[J].中國農村水利水電，2011（8）：117-120.

[6] 李芙蓉，趙劉群，牛飛.不同凍結條件對膨脹土三軸剪切強度的影響[J].港工技術，2019，56（6）：115-119.