王向會(huì)，楊廣慶，馬文棟，李三妮

(1.河北省高速公路邢衡籌建處;2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院)

1 引 言

鋼渣是高溫冶煉鋼鐵后的殘余混合物，一般經(jīng)過向液態(tài)熔渣熱潑，向熱渣分批打水、悶渣，對悶渣進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，最后進(jìn)行破碎、篩分、磁選等處理過程而形成。鋼渣中的主要礦物成分為硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)、鐵酸二鈣(C2F)、鐵橄欖石(CFS)、RO 相(Mg2+、Fe2+、Mn2+的固溶體)、f－MgO、f－ CaO、鎂薔薇輝石(C3MS2)、鐵尖晶石(FeO·Al2O3)，其中所含的硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(C2S)，具有較好的水硬性和膠凝性，其含量多少?zèng)Q定了鋼渣的活性大小，同時(shí)，鋼渣的活性隨著鋼渣堿度CaO/(SiO2+P2O5)的提高而提高。而鋼渣中的f－MgO、f－CaO 具有結(jié)晶致密，水化膨脹慢等特點(diǎn)，其水化后產(chǎn)生Ca(OH)2、Mg(OH)2，發(fā)生體積膨脹，使鋼渣強(qiáng)度降低，產(chǎn)生開裂破壞，使鋼渣具有不穩(wěn)定性。鋼渣以其潛在的活性特性，而得到工程界的關(guān)注，并被逐漸應(yīng)用于工程。例如，將其與石灰、粉煤灰、水泥等混合形成無機(jī)結(jié)合穩(wěn)定料廣泛用于道路路基的墊層、結(jié)構(gòu)層，還有將其用作瀝青拌合料的骨料鋪筑路面層，在該類應(yīng)用中一般使用齡期較長的陳渣，盡量減小其不穩(wěn)定性。也有將其代替碎石與水泥、粉煤灰混合并加入一定比例水拌合而成一種低強(qiáng)度混凝土，用振動(dòng)沉管法形成水泥粉煤灰鋼渣樁(CFS樁)對軟土地基進(jìn)行處理，具有較好的應(yīng)用效果。還有將鋼渣作為擠密樁樁體材料對軟土地基進(jìn)行處理，也表現(xiàn)出較好的處理效果。

邢衡高速公路一期工程包括棗園樞紐互通段和衡水南繞城段，全長18.684 km。項(xiàng)目跨越衡水湖湖泊相軟土地區(qū)，地基土體具有孔隙率高，含水率大，壓縮性大，承載力低等特點(diǎn)，為滿足路基承載力及沉降設(shè)計(jì)要求，需對該軟土地基進(jìn)行處理。考慮到灰土擠密樁的處理范圍有限，在含水量大的軟土地基中適用性差等缺點(diǎn)，基于鋼渣材料的特性，提出在灰土材料中摻入一定比例的鋼渣通過夯實(shí)擠密成樁對該段軟土地基進(jìn)行處理，以達(dá)到提高樁體強(qiáng)度、提高樁體適用性的目的。通過大量室內(nèi)試驗(yàn)對鋼渣改良灰土擠密樁這一新型樁體材料進(jìn)行分析研究，并選取ZK2 +030～ZK2 +407 里程段作為試驗(yàn)段，對其應(yīng)用效果進(jìn)行評價(jià)分析。將對該樁體材料特性及應(yīng)用效果進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 改良特性分析

鋼渣改良灰土材料的改良特性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，即:物理作用和化學(xué)作用。

2.1 物理作用

(1)鋼渣的顆粒較灰土顆粒大，且級配良好，通過在灰土材料中摻入一定比例的鋼渣，可改善樁體材料的顆粒級配，使樁體更易夯實(shí);同時(shí)，由于鋼渣顆粒表面粗糙，可增加樁體材料顆粒間的機(jī)械咬合力，提高樁體的前期強(qiáng)度。

(2)鋼渣的摻入使得樁體材料的最優(yōu)含水率提高，使得樁體材料在較高含水率的情況下也可達(dá)到最佳擊實(shí)效果。筆者根據(jù)工程中常用的灰土比例進(jìn)行了鋼渣灰土材料的配合比設(shè)計(jì)，并通過大量的擊實(shí)試驗(yàn)對鋼渣灰土的這一改良特性進(jìn)行了研究。

設(shè)計(jì)采用外摻法選取12 組鋼渣灰土質(zhì)量配比，具體配比如表1 所示。擊實(shí)試驗(yàn)所用材料中土體材料為試驗(yàn)段內(nèi)現(xiàn)場鉆取的經(jīng)晾曬烘干所得到的土體;石灰采用國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)三級以上的石灰，有效CaO+MgO 含量不低于55%，在拌制鋼渣灰土材料前對其進(jìn)行充分消解，粒徑小于2 mm;鋼渣采用齡期不大于3 個(gè)月的活性鋼渣，不大于19 mm。擊實(shí)方式采用輕型I－2 型擊實(shí)方式。

表1 鋼渣灰土材料設(shè)計(jì)配合比

通過對不同配合比的鋼渣灰土材料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到各配比材料的最優(yōu)含水率如圖1 所示。數(shù)據(jù)顯示:①摻入鋼渣后的灰土材料含水率得到明顯提高，整體提高幅度為2%～4%;②鋼渣摻入比例為30 的灰土材料最優(yōu)含水率提高幅度最明顯，最高為4.2%;③當(dāng)鋼渣摻入比例增加至35時(shí)，最優(yōu)含水率有所下降。

圖1 不同配比鋼渣灰土材料的最優(yōu)含水率

2.2 化學(xué)作用

(1)灰土擠密樁樁體強(qiáng)度主要來源于石灰消解后產(chǎn)生的Ca(OH)2與土體中的活性氧化硅、氧化鋁等發(fā)生火山灰作用生成硅酸鈣、硅酸鋁等水硬性膠結(jié)材料的膠凝作用和Ca(OH)2的結(jié)晶硬化作用。鋼渣的摻入使樁體材料中氧化硅、氧化鋁的含量增加，促進(jìn)硅酸鈣、硅酸鋁等成分的生成，增加水化作用，進(jìn)而樁體材料強(qiáng)度得到提高。

(2)石灰消解產(chǎn)生的Ca(OH)2給鋼渣提供了一個(gè)堿性環(huán)境，對鋼渣中的C2S、C3S 等硅酸鹽成分起到堿性激發(fā)的作用，促進(jìn)C2S、C3S 等硅酸鹽成分的水化作用，使樁體強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高。

(3)鋼渣中含有少量的f－CaO，f－CaO 遇水發(fā)生反應(yīng)生成Ca(OH)2，體積發(fā)生膨脹。鋼渣中f－CaO 的存在，可吸收樁體材料中的水分，改善樁體材料的固結(jié)特性。

3 配合比強(qiáng)度試驗(yàn)

為確定何種配比下的鋼渣灰土材料強(qiáng)度提高最大，分別按上述12 種配比制件，進(jìn)行大量無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對鋼渣、石灰、土的最優(yōu)配合比進(jìn)行了分析研究。主要對各配比材料在7 d、28 d、90 d 不同齡期的強(qiáng)度進(jìn)行測定，以對鋼渣改良灰土樁體材料隨齡期的變化規(guī)律進(jìn)行研究，進(jìn)而確定出隨齡期增加強(qiáng)度提高最大的最優(yōu)配合比。其中石灰:土:鋼渣為7∶100∶0、9∶100∶0、11∶100∶0 三組為不摻鋼渣的灰土材料，作為強(qiáng)度提高對照組。按規(guī)范要求進(jìn)行制件、養(yǎng)護(hù)及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試件尺寸為試件尺寸選為150 ×150，試驗(yàn)儀器采用YZM－2 型電腦路基路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)。

試驗(yàn)得到不同灰土比例下各配比試件強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律如圖2、圖3、圖4 所示，由三圖可以看出。

圖2 灰土比為7∶100 的各配比試件強(qiáng)度隨齡期增長的變化曲線

圖3 灰土比為9∶100 的各配比試件強(qiáng)度隨齡期增長的變化曲線

(1)隨齡期的增加，各配比試件強(qiáng)度均表現(xiàn)出不同程度的增加，其中，7～28 d 齡期內(nèi)，灰土比例為8∶100 的各配比試件強(qiáng)度增長幅度最大，相反，28～90 d 齡期內(nèi)，該組配比的試件強(qiáng)度增長幅度最小。

(2)不同齡期下，灰土比固定的試件強(qiáng)度隨鋼渣摻入量的增加均呈現(xiàn)出增加先增加后減小的趨勢，但均較不摻鋼渣的灰土強(qiáng)度有所提高，以鋼渣摻入比例為30 的試件強(qiáng)度提高幅度最大，且隨齡期的增加，提高幅度也逐漸增大。

(3)7 d 齡期時(shí)，配比為7∶100∶30 的試件強(qiáng)度最大，為1 696.58 kPa，與不摻鋼渣的同灰土比例的試件相比，強(qiáng)度提高83.59%;齡期為28 d 時(shí)，配比為9∶100∶30 的試件強(qiáng)度最大，為2 944.58 kPa，與不摻鋼渣的同灰土比例的試件相比，強(qiáng)度提高48.16%;齡期為90 d 時(shí)，配比為11∶100∶30 的試件強(qiáng)度最大，為3 965.66 kPa，與不摻鋼渣的同灰土比例的試件相比，強(qiáng)度提高51.13%，同時(shí)，配比為9∶100∶30 的試件強(qiáng)度為3 819 kPa，與不摻鋼渣的同灰土比例的試件強(qiáng)度相比也有較大提高，提高幅度為49.85%。說明，隨齡期的增加，灰土比高的試件中的石灰進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，使試件強(qiáng)度進(jìn)一步提高。

圖4 灰土比為11∶100 的各配比試件強(qiáng)度隨齡期增長的變化曲線

4 耐水性試驗(yàn)

基于配合比試驗(yàn)及施工條件考慮，選定石灰∶土∶鋼渣為9∶100∶30 的配合比作為施工配合比，進(jìn)行現(xiàn)場施工。為了進(jìn)一步研究該種新型樁體材料特性，以施工配合比制件，對該材料的耐水性進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

選定灰土比為9∶100 的灰土試件作為對照組，每種配合比的試件分為6 組，每組6 個(gè)，共計(jì)72 個(gè)試件，先進(jìn)行7 d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，然后將其放入水槽中分別浸泡1 d、3 d、5 d、7 d、11 d、22 d，水面超過試件頂面25 mm 以上。將滿足浸泡時(shí)間要求的試件取出后，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到不同配合比下試件強(qiáng)度隨浸水時(shí)間變化的規(guī)律。

隨浸水時(shí)間的增加，配比為9∶100∶30 的鋼渣灰土試件強(qiáng)度仍表現(xiàn)出不同程度的增長趨勢，浸水22 d 時(shí)的鋼渣灰土試件強(qiáng)度為2 055.27 kPa，灰土比為9∶100 的灰土試件強(qiáng)度增長趨勢不明顯，且鋼渣灰土試件的強(qiáng)度明顯高于灰土試件。對比浸水時(shí)間為22 d 的鋼渣灰土試件強(qiáng)度與同配比試件28 d 齡期時(shí)的強(qiáng)度，浸水試件的強(qiáng)度減小幅度為30.2%，而灰土試件的強(qiáng)度減小幅度為37.05%，說明在灰土材料中加入一定比例鋼渣，通過發(fā)生水化、硬凝、結(jié)晶等一系列反應(yīng)，使鋼渣、石灰、土顆粒膠結(jié)成整體，不僅提高了樁體材料的強(qiáng)度，還使得該樁體材料水穩(wěn)定性也有所提高。

5 應(yīng)用效果研究

為對鋼渣改良灰土擠密樁的應(yīng)用效果進(jìn)行研究，對試驗(yàn)段內(nèi)施工28 d 后的鋼渣改良灰土擠密樁進(jìn)行了靜力載荷試驗(yàn)及重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，以對其承載力及成樁效果進(jìn)行總體評價(jià)。試驗(yàn)段內(nèi)所用鋼渣改良灰土擠密的設(shè)計(jì)參數(shù)為:有效樁長8 m，成孔孔徑為400 mm，夯擴(kuò)后樁徑≥450 mm，樁身無側(cè)限抗壓強(qiáng)度R28≥1 MPa。

5.1 靜載試驗(yàn)

試驗(yàn)段內(nèi)鋼渣改良灰土擠密樁共成樁5 693 根，按設(shè)計(jì)要求0.2%的檢測比例對其進(jìn)行了單樁承載力靜力載荷試驗(yàn)，典型單樁承載力Q－s 曲線如圖5 所示。

圖5 鋼渣改良灰土擠密樁單樁靜載試驗(yàn)Q－s 曲線

根據(jù)規(guī)范中單樁極限承載力的確定方法，確定出鋼渣改良灰土擠密樁的單樁極限承載力為320 kN，即1 630 kPa，承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)

通過對樁長范圍內(nèi)樁體進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，對鋼渣改良灰土擠密樁的成樁質(zhì)量進(jìn)行了分析，得到典型樁體重型動(dòng)力觸探數(shù)據(jù)曲線如圖6 所示。

圖6 樁體重型動(dòng)力觸探數(shù)據(jù)曲線圖

圖7 樁體重型動(dòng)力觸探數(shù)據(jù)曲線圖

由圖7 可知，樁長范圍內(nèi)隨深度增加，N63.5呈先增大后減小趨勢，且于6.5 m 處最大，N63.5值為33，隨后N63.5值逐漸減小，至8 m 處最小為13。參考《湖南公路路基觸探試驗(yàn)規(guī)定》中給出的承載力容許值與重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)換算公式:Y =35.96X +23.8，對其進(jìn)行承載力容許值的粗略換算，樁長范圍內(nèi)單樁承載力容許值大多數(shù)在700 kPa 以上，表現(xiàn)出良好的成樁效果。

6 結(jié) 論

通過對鋼渣改良灰土擠密樁材材料進(jìn)行機(jī)理分析及試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

(1)鋼渣對灰土材料的改良作用主要表現(xiàn)為物理作用和化學(xué)作用兩個(gè)方面。

(2)鋼渣的摻入使得鋼渣灰土材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯提高，隨鋼渣摻入量的增加，提高幅度呈先增大后減小的趨勢，不同灰土配比下均以鋼渣摻入量為30 的配比材料強(qiáng)度最大;隨齡期增加，不同配比的材料強(qiáng)度均呈不同程度增加，與不摻鋼渣的灰土材料相比，鋼渣摻入量為30 的鋼渣灰土材料在不同齡期下的強(qiáng)度提高幅度范圍在49.85%～83.59%之間，表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度提高特性。

(3)隨浸水時(shí)間的增加，配比為9∶100∶30 的鋼渣灰土試件強(qiáng)度仍表現(xiàn)出不同程度的增長趨勢，浸水22 d 時(shí)的鋼渣灰土試件強(qiáng)度為2 055.27 kPa，與同比例的灰土材料相比，摻入鋼渣的鋼渣灰土材料仍具有較高的強(qiáng)度及較好的耐水性。

(4)將鋼渣改良灰土擠密樁應(yīng)用與加固湖泊相軟土地基，樁體表現(xiàn)出較好的承載力特性及成樁效果，表明鋼渣改良灰土擠密樁處理含水量較高的軟土地基是可行的。

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