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行了大型壓縮試驗，得到了高爐渣混合土的壓縮特性。試驗結(jié)果表明，因細顆粒不足以填充粗顆粒之間的孔隙，含水量對混合料的力學(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)改良摻加細料使其細顆粒含量達到30%;對高填方工程的壓縮模量取值應(yīng)取室內(nèi)壓縮試驗的二次加載時的壓縮模量。

　　王春林， 安徽建筑 發(fā)表時間：2021-08-18

　　關(guān)鍵詞：高爐渣;壓縮試驗;壓縮模量

　　1 引言

　　我國于 21 世紀(jì)初就已成為鋼鐵生產(chǎn)世界第一大國，在冶煉鋼鐵過程中會產(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，目前我國已有大量關(guān)于高爐渣的應(yīng)用實例，如高爐渣可以代替生產(chǎn)加工石料用于公路、機場、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，工后沉降這一指標(biāo)必須嚴(yán)格控制，因此，必須對高爐渣進行處理后使用，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，需要對其剪切強度進行研究，因高爐渣中的細顆粒含量較少，為了得到良好工程力學(xué)特性，一般要對其改良，如添加粉煤灰、粉質(zhì)粘土等細料[5-6] 。

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

　　2 試樣級配特性

　　高爐渣在鋼鐵冶煉過程中其顆粒內(nèi)部會產(chǎn)生部分孔隙，這種孔隙率不是一個定值，本試驗以包頭鋼鐵廠所生產(chǎn)的高爐渣為試驗試樣，測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)過重錘夯實過后會其粗顆粒被擊碎會產(chǎn)生一定量的細顆粒，本試驗根據(jù)夯實效果確定添加粉煤灰的含量為 2%。取樣后對高爐渣和粉煤灰改良高爐渣分別進行了顆粒分析試驗，得到了兩種試驗試樣的級配曲線如圖 1 中曲線 1 所示，同時也得到了兩種試驗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[7]中的相關(guān)規(guī)定，高爐渣被歸類為級配不良的巨粒混合土。

　　對添加 2% 粉煤灰后的高爐渣混合料進行重錘夯實后，再進行顆粒分析試驗，得到了粉煤灰高爐渣混合料試樣的級配曲線如圖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 [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配良好的礫類土。

　　根據(jù)文獻[7]規(guī)定，試樣在進行大型壓縮試驗時所允許的顆粒最大粒徑應(yīng)≤ 60mm。因此，需要對試樣進行過篩(篩孔為60mm)處理，過篩后的試樣級配曲線如圖1的曲線3所示，顆粒組成指標(biāo)如表1所示。從圖1的級配曲線可以看出，壓縮試驗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)為該試驗結(jié)果可作為實際工程施工時現(xiàn)場填料的壓縮性能指標(biāo)。

　　3 試驗儀器與試驗方案

　　3.1 儀器簡介及制樣方法

　　為了試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對粗粒土進行壓縮試驗必須采用大型壓縮儀，文獻[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行大型壓縮試驗。

　　試驗所用的壓縮儀為應(yīng)力與應(yīng)變雙控式大型直剪儀，如圖 2 所示。試樣盒為長方體型，其尺寸為：高×寬×長= 200×400×600mm。此試驗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(即擾動性)，所以本試驗的試樣制備方法也采用擾動法制樣。在制備試樣時，由于直接向剪切盒傾倒試樣會存在粗細顆粒不均勻甚至發(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，再裝填細顆粒，然后搗實，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，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。通過粗細顆粒分層加入和搗實可以有效地避免粗細顆粒離析，使試驗得到的數(shù)據(jù)與實際施工現(xiàn)場比較接近。

　　3.2 試驗方案

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

　　本試驗的加載(卸)方式(如圖 3 所示)為：分級加載、分級卸載與分級再加載。試驗過程中根據(jù)法向加載板的豎向位移變化來確定每級加載的穩(wěn)定時間，一般在 2min 內(nèi)加載板豎向位移無變化時認(rèn)為達到穩(wěn)定，然后方可進行下一級加(卸)載。

　　4 試驗結(jié)果分析

　　4.1高爐渣改良填料壓縮特性

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

　　圖 5為三組試驗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加載時加載板位移穩(wěn)定時的數(shù)據(jù)。如圖所示，1號和3號試驗的加載板沉降量相差非常小，1 號、3 號與 2 號試驗的加載板沉降量有一定相差，而 3 號為含水率為 8% 的試樣，1 號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，混合料具有良好的水穩(wěn)定性，同時也說明 2 號試樣的顆粒組成與 1 號和 3 號試樣有一定差別，試樣具有一定的離散性。

　　根據(jù)文獻[8]的側(cè)限壓縮模量 Es的定義，計算如式(1)所示： Es = Δσ' Δε (1)式中 Δσ'為有效應(yīng)力增量，Δε 為壓縮應(yīng)變增量。

　　粉煤灰改良高爐渣試樣中的細粒含量較少，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，側(cè)限壓縮模量Es均小于20MPa，根據(jù)文獻[8]給出的土的壓縮性指標(biāo) ：壓縮模量為 4～ 20MPa時為中等壓縮性，可以判定粉煤灰高爐渣混合料為中等壓縮性粗粒土，由于本實驗中粉煤灰參量較少，進而可以判定該高爐渣為中等壓縮性粗粒土。

　　如圖 6 所示，首次加載時的壓縮模量 Es較小，均小于 25MPa;卸載時的壓縮模量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，這是因為首次加載消除了試樣的大部分塑性變形。

　　本試驗測得高爐渣為中等壓縮性粗粒土，主要原因是高爐渣中的細料較少，在壓縮時發(fā)生了明顯的顆粒重新排列和破碎(見圖 7)，在實際工程應(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)整高爐渣的級配組成，向其摻加細料是一種可行的辦法，根據(jù)文獻 [9]關(guān)于粗粒土的工程特性描述，粗粒土在其細顆粒含量(小于 5mm 的顆粒含量)為 30% 時能獲得最佳的工程力學(xué)性能。因此，應(yīng)對高爐渣進行摻細料改良使其細顆粒含量不少于總質(zhì)量的30%。

　　在實際工程施工中，對于高填方工程，施工現(xiàn)場一般要采用強夯等壓實措施保證填料的壓實性，這勢必會使填料發(fā)生一定程度的顆粒破碎，這種情形與室內(nèi)試驗二次加載后的情形較相似，為使室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)能更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工，建議對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結(jié)果表明：含水量對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;對高填方工程的壓縮模量 Es取值應(yīng)取室內(nèi)壓縮試驗的二次加載時的壓縮模量 Es。為減小工后長期沉降和發(fā)揮粉煤灰的膠結(jié)作用，在對高爐渣進行改良時應(yīng)摻加細料使其細顆粒含量P5 含量接近30%。