粉煤灰改良高爐渣混合料壓縮特性研究

　　摘 要：文章以改良后的高爐渣混合料作為試樣，創(chuàng)新性地用大型直剪儀進(jìn)行了大型壓縮試驗(yàn)，得到了高爐渣混合土的壓縮特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，因細(xì)顆粒不足以填充粗顆粒之間的孔隙，含水量對(duì)混合料的力學(xué)指標(biāo)影響少，填料具有良好的水穩(wěn)定性;首次加載的壓縮量主要是由于高爐渣顆粒重新排列和破碎而產(chǎn)生大量塑性變形導(dǎo)致;為獲得高爐渣混合料的最佳力學(xué)性能，應(yīng)改良摻加細(xì)料使其細(xì)顆粒含量達(dá)到30%;對(duì)高填方工程的壓縮模量取值應(yīng)取室內(nèi)壓縮試驗(yàn)的二次加載時(shí)的壓縮模量。

　　王春林， 安徽建筑 發(fā)表時(shí)間：2021-08-18

　　關(guān)鍵詞：高爐渣;壓縮試驗(yàn);壓縮模量

　　1 引言

　　我國(guó)于 21 世紀(jì)初就已成為鋼鐵生產(chǎn)世界第一大國(guó)，在冶煉鋼鐵過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物：高爐渣。高爐渣的主要成分為 CaO、SiO2、Al2O3 等物質(zhì)。從高爐渣的主要成分可以看出這種工業(yè)廢物并不是環(huán)境污染源物質(zhì)，相反它還具有很多有用的礦物成分。為了充分處理如此大量的工業(yè)廢物，目前我國(guó)已有大量關(guān)于高爐渣的應(yīng)用實(shí)例，如高爐渣可以代替生產(chǎn)加工石料用于公路、機(jī)場(chǎng)、地基工程、鐵路道渣、混凝土骨料和瀝青路面等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域。有關(guān)文獻(xiàn)表明，在公路和鐵路的路基填筑中可以大量應(yīng)用高爐渣[1-2] 。當(dāng)用高爐渣填筑公路鐵路的高填方地段時(shí)，工后沉降這一指標(biāo)必須嚴(yán)格控制，因此，必須對(duì)高爐渣進(jìn)行處理后使用，主要是控制填料的顆粒粒徑，可采用重錘夯來解小過大顆粒粒徑[3-4] 。由于經(jīng)過重錘強(qiáng)夯過的高爐渣填料顆粒粒徑仍然較大，應(yīng)該歸屬于粗粒土范疇，為了控制高爐渣填筑的路基、地基或邊坡的穩(wěn)定性，需要對(duì)其剪切強(qiáng)度進(jìn)行研究，因高爐渣中的細(xì)顆粒含量較少，為了得到良好工程力學(xué)特性，一般要對(duì)其改良，如添加粉煤灰、粉質(zhì)粘土等細(xì)料[5-6] 。

　　本文以粉煤灰改良高爐渣為研究對(duì)象，創(chuàng)新性地采用大型直剪儀對(duì)高爐渣改良填料進(jìn)行了大型壓縮試驗(yàn)，以期得到粉煤灰改良高爐渣的壓縮特性，為在實(shí)際工程中應(yīng)用該改良物質(zhì)提供理論支撐。

　　2 試樣級(jí)配特性

　　高爐渣在鋼鐵冶煉過程中其顆粒內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生部分孔隙，這種孔隙率不是一個(gè)定值，本試驗(yàn)以包頭鋼鐵廠所生產(chǎn)的高爐渣為試驗(yàn)試樣，測(cè)得其平均孔隙率近似為10.6%，其密度為2.537g/cm3 。

　　由于高爐渣經(jīng)過重錘夯實(shí)過后會(huì)其粗顆粒被擊碎會(huì)產(chǎn)生一定量的細(xì)顆粒，本試驗(yàn)根據(jù)夯實(shí)效果確定添加粉煤灰的含量為 2%。取樣后對(duì)高爐渣和粉煤灰改良高爐渣分別進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)，得到了兩種試驗(yàn)試樣的級(jí)配曲線如圖 1 中曲線 1 所示，同時(shí)也得到了兩種試驗(yàn)試樣的顆粒組成指標(biāo)，參照粗粒土顆粒分析指標(biāo)規(guī)定，高爐渣的粗顆粒含量 P5 為 98.89。其不均勻系數(shù) Cu=2.38，曲率系數(shù) Cc=0.95。按照文獻(xiàn)[7]中的相關(guān)規(guī)定，高爐渣被歸類為級(jí)配不良的巨粒混合土。

　　對(duì)添加 2% 粉煤灰后的高爐渣混合料進(jìn)行重錘夯實(shí)后，再進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，得到了粉煤灰高爐渣混合料試樣的級(jí)配曲線如圖1的曲線2所示，混合料的粗顆粒含量 P5為 87.58，不均勻系數(shù) Cu 為 6.58，曲率系數(shù) Cc 為 1.29，按照文獻(xiàn) [7]中的相關(guān)規(guī)定，粉煤灰改良高爐渣混合料試樣被判定為級(jí)配良好的礫類土。

　　根據(jù)文獻(xiàn)[7]規(guī)定，試樣在進(jìn)行大型壓縮試驗(yàn)時(shí)所允許的顆粒最大粒徑應(yīng)≤ 60mm。因此，需要對(duì)試樣進(jìn)行過篩(篩孔為60mm)處理，過篩后的試樣級(jí)配曲線如圖1的曲線3所示，顆粒組成指標(biāo)如表1所示。從圖1的級(jí)配曲線可以看出，壓縮試驗(yàn)土樣與粉煤灰改良后的混合料試樣顆粒組成比較接近，可以認(rèn)為該試驗(yàn)結(jié)果可作為實(shí)際工程施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)填料的壓縮性能指標(biāo)。

　　3 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方案

　　3.1 儀器簡(jiǎn)介及制樣方法

　　為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)粗粒土進(jìn)行壓縮試驗(yàn)必須采用大型壓縮儀，文獻(xiàn)[7]規(guī)定，固結(jié)容器的直徑(D)與高度(H)之比為 2～2.5，大型直剪儀的剪切盒可以滿足要求，為此本文創(chuàng)新性地采用了大型直剪儀來進(jìn)行大型壓縮試驗(yàn)。

　　試驗(yàn)所用的壓縮儀為應(yīng)力與應(yīng)變雙控式大型直剪儀，如圖 2 所示。試樣盒為長(zhǎng)方體型，其尺寸為：高×寬×長(zhǎng)= 200×400×600mm。此試驗(yàn)儀器適用于最大粒徑為60mm的試樣。

　　由于高爐渣本身作為一種工業(yè)廢料在其傾倒過程中其顆粒分布具有不確定性(即擾動(dòng)性)，所以本試驗(yàn)的試樣制備方法也采用擾動(dòng)法制樣。在制備試樣時(shí)，由于直接向剪切盒傾倒試樣會(huì)存在粗細(xì)顆粒不均勻甚至發(fā)生一定程度的離析，為避免這種情況發(fā)生給試驗(yàn)數(shù)據(jù)造成不準(zhǔn)確的影響，采取分三次裝填試樣，每次先裝填 1/3 的高爐渣粗顆粒，再裝填細(xì)顆粒，然后搗實(shí)，如此反復(fù)3次直到裝滿試樣為止，在裝填試樣接近剪切盒頂部時(shí)，要預(yù)留 1cm 的高度空間不要填滿，用于放置剪切盒上部蓋板。通過粗細(xì)顆粒分層加入和搗實(shí)可以有效地避免粗細(xì)顆粒離析，使試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)比較接近。

　　3.2 試驗(yàn)方案

　　本試驗(yàn)的主要目的是測(cè)定粉煤灰改良高爐渣混合料經(jīng)夯實(shí)后的壓縮性能指標(biāo)及含水量對(duì)壓縮性能指標(biāo)的影響。表2 為三次壓縮試驗(yàn)時(shí)的試樣基本信息，其中干料為在室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)干處理的試樣，其含水量為 0，濕料為摻水使其含水率達(dá)到8%的試樣。

　　本試驗(yàn)的加載(卸)方式(如圖 3 所示)為：分級(jí)加載、分級(jí)卸載與分級(jí)再加載。試驗(yàn)過程中根據(jù)法向加載板的豎向位移變化來確定每級(jí)加載的穩(wěn)定時(shí)間，一般在 2min 內(nèi)加載板豎向位移無(wú)變化時(shí)認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定，然后方可進(jìn)行下一級(jí)加(卸)載。

　　4 試驗(yàn)結(jié)果分析

　　4.1高爐渣改良填料壓縮特性

　　圖 4為壓縮試驗(yàn)的加載板沉降量與時(shí)間關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在加載階段每級(jí)荷載的加載板沉降穩(wěn)定所需時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，再加載階段其次，卸載階段最少。

　　圖 5為三組試驗(yàn)的加載板沉降量與豎向壓應(yīng)力的關(guān)系曲線，該加載板沉降量取得是每級(jí)加載時(shí)加載板位移穩(wěn)定時(shí)的數(shù)據(jù)。如圖所示，1號(hào)和3號(hào)試驗(yàn)的加載板沉降量相差非常小，1 號(hào)、3 號(hào)與 2 號(hào)試驗(yàn)的加載板沉降量有一定相差，而 3 號(hào)為含水率為 8% 的試樣，1 號(hào)則為不含水的干試樣，這說明粉煤灰改良高爐渣試樣受水的影響非常小，幾乎可以忽略不計(jì)，混合料具有良好的水穩(wěn)定性，同時(shí)也說明 2 號(hào)試樣的顆粒組成與 1 號(hào)和 3 號(hào)試樣有一定差別，試樣具有一定的離散性。

　　根據(jù)文獻(xiàn)[8]的側(cè)限壓縮模量 Es的定義，計(jì)算如式(1)所示： Es = Δσ' Δε (1)式中 Δσ'為有效應(yīng)力增量，Δε 為壓縮應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

　　粉煤灰改良高爐渣試樣中的細(xì)粒含量較少，混合料的透水性較好，孔隙水壓力幾乎不存在，可以認(rèn)為總應(yīng)力等同于有效應(yīng)力。基于該條件假設(shè)，可以計(jì)算出不同加載階段的側(cè)限壓縮模量(如圖 6 所示)。從圖 6 可看出，當(dāng)豎向壓應(yīng)力由 100kPa 上升到 200kPa 時(shí)，側(cè)限壓縮模量Es均小于20MPa，根據(jù)文獻(xiàn)[8]給出的土的壓縮性指標(biāo) ：壓縮模量為 4～ 20MPa時(shí)為中等壓縮性，可以判定粉煤灰高爐渣混合料為中等壓縮性粗粒土，由于本實(shí)驗(yàn)中粉煤灰參量較少，進(jìn)而可以判定該高爐渣為中等壓縮性粗粒土。

　　如圖 6 所示，首次加載時(shí)的壓縮模量 Es較小，均小于 25MPa;卸載時(shí)的壓縮模量Es最大，隨著卸載量的增加，壓縮模量 Es逐漸減小;二次加載時(shí)的壓縮模量Es先增大，后減小;二次加載階段的壓縮模量Es比首次加載階段的壓縮模量Es 大了數(shù)倍，這是因?yàn)槭状渭虞d消除了試樣的大部分塑性變形。

　　本試驗(yàn)測(cè)得高爐渣為中等壓縮性粗粒土，主要原因是高爐渣中的細(xì)料較少，在壓縮時(shí)發(fā)生了明顯的顆粒重新排列和破碎(見圖 7)，在實(shí)際工程應(yīng)用中，為使高爐渣作為工程填料不發(fā)生明顯的壓縮，有必要調(diào)整高爐渣的級(jí)配組成，向其摻加細(xì)料是一種可行的辦法，根據(jù)文獻(xiàn) [9]關(guān)于粗粒土的工程特性描述，粗粒土在其細(xì)顆粒含量(小于 5mm 的顆粒含量)為 30% 時(shí)能獲得最佳的工程力學(xué)性能。因此，應(yīng)對(duì)高爐渣進(jìn)行摻細(xì)料改良使其細(xì)顆粒含量不少于總質(zhì)量的30%。

　　在實(shí)際工程施工中，對(duì)于高填方工程，施工現(xiàn)場(chǎng)一般要采用強(qiáng)夯等壓實(shí)措施保證填料的壓實(shí)性，這勢(shì)必會(huì)使填料發(fā)生一定程度的顆粒破碎，這種情形與室內(nèi)試驗(yàn)二次加載后的情形較相似，為使室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)能更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，建議對(duì)高爐渣填料的壓縮模量取二次加載的壓縮模量。

　　5 結(jié)論

　　粉煤灰改良高爐渣混合料大型壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明：含水量對(duì)粉煤灰改良高爐渣混合料的壓縮性基本沒有影響，混合料的水穩(wěn)定性較好;壓縮試驗(yàn)首次加載過程中的壓縮量主要由顆粒重新排列和破碎導(dǎo)致;對(duì)高填方工程的壓縮模量 Es取值應(yīng)取室內(nèi)壓縮試驗(yàn)的二次加載時(shí)的壓縮模量 Es。為減小工后長(zhǎng)期沉降和發(fā)揮粉煤灰的膠結(jié)作用，在對(duì)高爐渣進(jìn)行改良時(shí)應(yīng)摻加細(xì)料使其細(xì)顆粒含量P5 含量接近30%。