楊廣慶，李三妮，葉朝良，焦國(guó)木

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊 050043)

鋼渣是一種工業(yè)廢料，已普遍應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外建筑工程領(lǐng)域。如制備摻鋼渣水泥或摻鋼渣水泥混凝土［1-2］、用石灰鋼渣土作為道路基層或底基層材料［3］，用鋼渣樁進(jìn)行地基處理［4］等。但把鋼渣與石灰同時(shí)應(yīng)用到樁體中的實(shí)踐和研究還較少。室內(nèi)試驗(yàn)研究表明［5］，在石灰堿性環(huán)境下，石灰能激發(fā)鋼渣的活性，加速鋼渣的水化硬化，可提高鋼渣和石灰的強(qiáng)度和水穩(wěn)性，尤其是摻細(xì)鋼渣的石灰鋼渣土其干縮性能優(yōu)于石灰土［6］，因此可將鋼渣樁和石灰擠密樁進(jìn)行綜合改進(jìn)。

為了研究石灰鋼渣擠密樁混合料的最佳配比，本文依托河北省邢衡高速公路剛?cè)嵝蚤L(zhǎng)短樁復(fù)合地基試驗(yàn)段項(xiàng)目進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，研究石灰鋼渣擠密樁的強(qiáng)度和水穩(wěn)性，探討其在地基處理中的適用性，以節(jié)約工程造價(jià)，減少鋼渣對(duì)環(huán)境的污染。

1 石灰鋼渣擠密樁的強(qiáng)度形成機(jī)理

鋼渣中含有與硅酸鹽水泥熟料相似的C2S和C3S，具有水化能力，但由于鋼渣的形成要經(jīng)過高溫和急冷過程，導(dǎo)致這些礦物活性明顯降低。研究表明，摻入一定的石灰能激發(fā)鋼渣的活性。鋼渣玻璃體的主要化學(xué)鍵是 Si—O和Al—O，它們分別以［SiO4］四面體和［AlO4］四面體或［AlO6］配位多面體的形式存在。對(duì)于［SiO4］四面體而言，鋼渣經(jīng)過破碎后，其表面存在斷鍵，并在堿性環(huán)境中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成H3SiO－4，類似地［AlO4］生成H3AlO2－4，H3SiO－4和H3AlO2－4進(jìn)而與Ca2+和Na+反應(yīng)生成沸石類水化產(chǎn)物。沸石類水化產(chǎn)物發(fā)生交織與連生，使混合料的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸形成和增強(qiáng)，有利于其強(qiáng)度的形成和水穩(wěn)性的提高［5］。

游離氧化鈣f-CaO消解后生成的Ca(OH)2能與鋼渣中的活性氧化物發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成硅酸鈣、鋁酸鈣凝膠，這些水化產(chǎn)物將鋼渣顆粒很好地膠結(jié)在一起，有一部分Ca(OH)2與空氣中CO2反應(yīng)，生成穩(wěn)定的CaCO3，能提高混合料的強(qiáng)度。但在作為樁體材料時(shí)要嚴(yán)格控制這些游離氧化鈣，避免遇水體積膨脹嚴(yán)重造成樁體開裂而破壞。

石灰鋼渣擠密樁為密實(shí)結(jié)構(gòu)，鋼渣粒料起骨架作用，石灰起填充孔隙和膠結(jié)作用。樁體的強(qiáng)度主要表現(xiàn)為膠結(jié)強(qiáng)度和骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度［6］，摻加一定的石灰能激發(fā)鋼渣的活性，而且能提高混合料的強(qiáng)度?；旌狭暇哂忻黠@的水硬性，石灰鋼渣擠密樁在機(jī)械打入成孔過程中對(duì)樁周圍土的擠密和樁體材料中石灰和鋼渣的吸水、膨脹以及與樁周土的離子交換、硬凝反應(yīng)等，改善了樁周土的物理力學(xué)性質(zhì)，并與樁周土一起共同構(gòu)成復(fù)合地基。

2 試驗(yàn)原材料

1)鋼渣

鋼渣為冀州市煉鐵產(chǎn)生的廢鋼渣，主要成分為橄欖石(Mg·Fe)2［SiO4］(主要由鎂橄欖石 Mg2SiO4和鐵橄欖石Fe2SiO4組成，硅酸二鈣2CaO·SiO2和硅酸三鈣3CaO·SiO2，鐵酸二鈣 2CaO·Fe2O3，氧化鈣 CaO 等，粒徑符合規(guī)定，具有規(guī)定的強(qiáng)度。其游離氧化鈣f-CaO的含量＜3%，最大粒徑37.5 mm。各種組分性能基本穩(wěn)定，若在一定的堿性環(huán)境中對(duì)其活性進(jìn)行激發(fā)，將能夠加速鋼渣的水化硬化。

2)白灰

使用袋裝熟石灰，保存期未超過3個(gè)月。石灰質(zhì)量為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ級(jí)，CaO及MgO含量為65%，不低于規(guī)定要求的最低限55%。

3)土樣

土樣采集于邢衡高速公路K2+030和K2+407里程附近。土樣的工程分類為低液限粉質(zhì)黏土，土中有機(jī)質(zhì)含量未超過5%且不含有膨脹土。

3 樁體混合料配比設(shè)計(jì)

在石灰鋼渣擠密樁中，石灰為膠結(jié)材料，鋼渣粒料起骨架作用，混合料具有明顯的水硬性。因此應(yīng)首先控制石灰的比例。同時(shí)鋼渣粒料是形成混合料強(qiáng)度的骨架結(jié)構(gòu)的重要成分。鋼渣含量不足，混合料的骨架結(jié)構(gòu)就會(huì)不穩(wěn)定，強(qiáng)度難以達(dá)到要求;鋼渣含量過多，則結(jié)合料含量就會(huì)減少，無(wú)法形成足夠的膠結(jié)強(qiáng)度。因此，在混合料設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證一個(gè)合理的粒料含量。綜合考慮上述因素，根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(T0841—2009)及有關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合地基處理設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)擬選了12種混合料，其配合比(質(zhì)量比)如表1中第1列所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 配合比和齡期對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

12種配合比在相同條件下3個(gè)齡期各制作6個(gè)抗壓試件，選用φ150 mm×150 mm的試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)定7，28，90 d共3個(gè)齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，取平行試驗(yàn)的平均值作為試驗(yàn)代表值。共制作12×6×3=216個(gè)試件。各配合比試樣在不同齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表1所示。

表1 不同齡期的石灰鋼渣試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值

從表1可知:

1)灰土比和齡期一定時(shí)，隨著鋼渣含量增加，樁體的抗壓強(qiáng)度變化均是先增加后減小，而且均是鋼渣摻量35%時(shí)的強(qiáng)度較30%時(shí)的強(qiáng)度低。如圖1中灰土質(zhì)量比為7∶100時(shí)，隨著鋼渣含量的增加，樁體試樣的前期和后期的抗壓強(qiáng)度均是先增加后減少。這是由于如果鋼渣含量不足，則混合料的骨架結(jié)構(gòu)就不穩(wěn)定，強(qiáng)度難以達(dá)到要求;但若鋼渣含量過多，則結(jié)合料含量就會(huì)減少，無(wú)法形成足夠的膠結(jié)強(qiáng)度。

圖1 灰土比為7∶100試件抗壓強(qiáng)度隨鋼渣摻量的變化曲線

2)石灰鋼渣擠密樁樁體的早期強(qiáng)度低，但隨著齡期的增長(zhǎng)其后期強(qiáng)度增大，28 d強(qiáng)度得到了明顯的提高，且石灰鋼渣擠密樁樁體強(qiáng)度增幅較灰土擠密樁樁體大，說明鋼渣在石灰的作用下活性得到激發(fā)。

3)齡期為7 d試件中，質(zhì)量比為7∶100∶30的試件強(qiáng)度最大;齡期為28 d試件中，質(zhì)量比為9∶100∶30的試件強(qiáng)度最大;齡期為90 d試件中，質(zhì)量比為7∶100∶30的試件強(qiáng)度最大。說明如果石灰含量過高，試件強(qiáng)度反而會(huì)有所降低。這是由于石灰作為膠結(jié)材料，隨著摻入量的增多，樁體體積會(huì)膨脹過大，從而導(dǎo)致樁體開裂抗壓強(qiáng)度降低。圖2為配比為7∶100∶30和11∶100∶30的試樣養(yǎng)護(hù)90 d飽水1 d后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)前的圖片，可明顯看出11∶100∶30的試樣已經(jīng)出現(xiàn)裂縫和脫皮。

圖2 抗壓試驗(yàn)前的試樣

4.2 飽水時(shí)間對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)結(jié)果最佳配比是7∶100∶30，但考慮到樁體混合料施工現(xiàn)場(chǎng)拌合的不均勻性，本試驗(yàn)依托工程實(shí)際選用配比時(shí)將石灰摻入量提高了2%，即為9∶100∶30。所以選用灰土質(zhì)量比為9∶100的混合料及石灰、土和鋼渣質(zhì)量比為9∶100∶30的混合料進(jìn)行灰土擠密樁和石灰鋼渣擠密樁兩種樁體的水穩(wěn)性對(duì)比試驗(yàn)。

將兩種樁體試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后，置于水槽中，分別吸水 1，3，5，7，11，22 d(每組試件為 6 個(gè))，測(cè)試各試件吸水后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表2所示。圖3為灰土擠密樁及石灰鋼渣擠密樁試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨飽水時(shí)間的變化曲線。

表2 兩種樁體試件不同飽水時(shí)間的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值

圖3 兩種樁體試件抗壓強(qiáng)度隨飽水時(shí)間的變化曲線

由表2和圖3可知:隨著飽水時(shí)間的增加，石灰鋼渣擠密樁試件強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度比灰土擠密樁試件大，而且最終強(qiáng)度也較高。這是由于鋼渣在石灰堿性環(huán)境的激活下，生成沸石類水化產(chǎn)物，從而有效地提高了石灰鋼渣擠密樁的強(qiáng)度和水穩(wěn)性。

5 結(jié)論

1)石灰鋼渣擠密樁混合料最佳配比(石灰∶土∶鋼渣)為7∶100∶30。石灰鋼渣擠密樁的最大強(qiáng)度與灰土擠密樁最大強(qiáng)度相比，按最佳配比7∶100∶30計(jì)算，樁體強(qiáng)度要提高60%左右。

2)不同飽水時(shí)間下，石灰鋼渣擠密樁的強(qiáng)度均比灰土擠密樁高，水穩(wěn)性更好?？梢妼?duì)灰土擠密樁和鋼渣樁進(jìn)行綜合改進(jìn)，不僅可以節(jié)約成本，還可提高樁體的強(qiáng)度和水穩(wěn)性。

［1］朱躍剛．鋼渣粉做水泥摻合料的研究與探討［J］．廣東化工，2010，13(6):59-61．

［2］關(guān)少波．鋼渣粉活性與膠凝性及其混凝土性能的研究［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2008．

［3］顧建邦．探析鋼渣在道路工程中的應(yīng)用［J］．中國(guó)科技信息，2007(7):23-24．

［4］林彤．鋼渣樁復(fù)合地基作用機(jī)理研究［J］．地質(zhì)科技情報(bào)，2005，24(增):118-120．

［5］樂金朝．石灰鋼渣穩(wěn)定土的水穩(wěn)性試驗(yàn)研究［J］．建筑材料學(xué)報(bào)，2010，13(6):773-778．

［6］蔡曉飛．摻細(xì)鋼渣的石灰鋼渣土干縮性能研究［J］．公路交通技術(shù)，2010(6):6-7．