劉光燁
(中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300143)
2014年,中國鋼鐵年產(chǎn)量突破了8億t,占世界總量的50%以上,平均每生產(chǎn)1 t鋼鐵就排放0.2 t的鋼渣?,F(xiàn)階段,我國鋼渣利用率僅為10%,不僅浪費土地資源,而且造成了不同程度的環(huán)境污染。因此,把鋼渣變廢為寶,并有效地應(yīng)用在工程上,減少廢渣的運輸和處理費用,具有環(huán)保意義和經(jīng)濟意義[1-3]。以下將鋼渣、石灰、粉煤灰按不同比例摻入黃土混合成鋼渣二灰土,研究其飽水、干濕循環(huán)以及凍融循環(huán)試驗后的抗壓強度變化規(guī)律。研究成果對改善路基土的漲縮變形具有重要意義[4-7]。
試驗鋼渣取自酒鋼集團榆中鋼鐵公司,經(jīng)過“熱悶”工藝后,其化學(xué)成分如表1所示。熱燜工藝是指利用鋼渣余熱,在有蓋容器內(nèi)加入冷水后使其成為蒸汽,使鋼渣得到消解,通過膨脹冷縮達到渣鐵分離,可以最大限度地消除鋼渣中游離態(tài)的f-CaO和f-MgO,且冷強度高,級配均勻,顆粒形狀適用,穩(wěn)定性好,符合國內(nèi)外對路用鋼渣的要求,使用前應(yīng)陳放2 d,消除自身膨脹性[8-10]。
表1 鋼渣化學(xué)成分
按照《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》,結(jié)合現(xiàn)狀研究[1-2]和實際需要,選取以下有代表性的配比(見表2)。
表2 土樣配合比 %
擊實試驗的P-W曲線如圖1所示,素土在達到最大干密度后曲線斜率最大,說明黃土有較強的水敏感性;1∶2∶7二灰土的最大干密度所對應(yīng)的最優(yōu)含水率范圍加大。而鋼渣二灰土相較于素土和普通二灰土,其P-W曲線峰值區(qū)更加平緩。隨著鋼渣摻量的增加,其P-W最大干密度變大,最優(yōu)含水率變小,并且均低于素土的最大干密度。其原因為鋼渣屬于粒徑較大的粗骨料,顆粒間分子引力小而使其結(jié)合水厚度小,結(jié)合力差(不及黃土和石灰的親水性)。說明加入鋼渣可以優(yōu)化其水敏感性。
圖1 不同含水率的試樣干密度
路基回填土通常高于地下水位,地下水通過毛細作用上升,在路基上部蒸發(fā)失水,導(dǎo)致其含水率不斷變化。為模擬這個變化過程,在水槽中鋪設(shè)透水石,加水至透水石頂面下約1 mm并保持水槽平穩(wěn);然后在透水石上放一張濾紙(以防止轉(zhuǎn)移時試樣受損),將試件置于濾紙上。試樣在負孔隙水壓力作用下,經(jīng)過透水石從水槽中吸水,采用不同的吸水天數(shù)模擬自然環(huán)境中路基土的飽水時間。取三種不同齡期的試件,自然風(fēng)干1 d,分別吸水不同天數(shù)后,測得無側(cè)限抗壓強度,分析不同齡期試件在不同飽水時間后的變化規(guī)律。水穩(wěn)系數(shù)、強度損失計算公式[11]為
(1)
(2)
式中D——強度損失/%;
K——水穩(wěn)定性系數(shù)/%;
R1——試件未浸水抗壓強度/MPa;
R2——試件浸水后抗壓強度/MPa。
結(jié)果分析如下:
(1)由圖2可知,素土具有結(jié)構(gòu)疏松、垂直節(jié)理和孔隙大等特性,水敏感性強,飽水2 d后試樣的無側(cè)限抗壓強度變?yōu)?。其余試樣隨齡期的增加,無側(cè)限抗壓強度變大,說明抵抗水侵蝕的能力變得更好,呈現(xiàn)出水穩(wěn)性逐漸增加的趨勢;之后隨飽水時間的增加,無側(cè)限抗壓強度均呈現(xiàn)先下降后趨于平緩的趨勢,其中飽水1 d后的數(shù)據(jù)下降顯著。
圖2 不同養(yǎng)護齡期下試件強度曲線
(2)如圖3,圖4所示,三種配比的鋼渣二灰土14 d時的水穩(wěn)定系數(shù)比較:低配>高配>中配;強度損失比較:中配>高配>低配。說明此時試樣內(nèi)部的石灰粘結(jié)作用及鋼渣的反應(yīng)較慢,尚不充分。28 d時的水穩(wěn)定系數(shù)比較:高配>中配>低配;強度損失比較:低配>高配>中配。說明隨著養(yǎng)護齡期的增加,內(nèi)部鋼渣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),強度變大;56 d時的水穩(wěn)定系數(shù):中配>高配>低配;強度損失:低配>高配>中配。說明在更長的齡期之后,試樣中鋼渣反應(yīng)產(chǎn)生過量的f-CaO,游離氧化鈣遇水反應(yīng)膨脹,導(dǎo)致試樣強度損失。因此,中配鋼渣二灰土較高配鋼渣二灰土遇水穩(wěn)定性好。
圖5 不同齡期試樣無側(cè)限抗壓強度變化曲線
圖3 不同齡期試樣水穩(wěn)定系數(shù)
圖4 不同齡期試樣飽水試驗后強度損失曲線
(3)由圖5可知,28 d后,試樣各項指標增長趨勢變緩,故接下來的干濕、凍融循環(huán)試驗,皆取代表性的28 d齡期試樣。
干濕循環(huán)試驗裝置與飽水試驗相同,將齡期28 d的試樣置于濾紙上,以“自然條件下風(fēng)干48 h,吸水48 h”為干濕循環(huán)一次,吸水后把試件表面水擦干,測得不同循環(huán)次數(shù)后的無側(cè)限抗壓強度。干濕循環(huán)試驗結(jié)果如圖6所示,強度損失如表3所示。其計算公式為
(3)
式中Kn——經(jīng)過n次干濕循環(huán)或凍融循環(huán)后抗壓強度的損失程度;
Rn——經(jīng)過n次干濕循環(huán)或凍融循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強度/MPa;
R1——參照試樣的無側(cè)限抗壓強度/MPa。
圖6 無側(cè)限抗壓強度與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線
表3 不同干濕次數(shù)后土樣的強度損失 %
結(jié)果分析如下:
如圖6所示,試樣在1次干濕循環(huán)后試樣表面出現(xiàn)孔隙及細微的裂縫。隨著循環(huán)次數(shù)的增加,試樣中的易溶鹽含量趨于穩(wěn)定,強度的變化量逐漸減小,4次后基本不再變化。根據(jù)表3分析,前兩次強度損失較明顯,10次干濕循環(huán)后,鋼渣二灰土的水穩(wěn)性和強度損失均優(yōu)于二灰土。摻量鋼渣不同的三種鋼渣二灰土損失比較:低配鋼渣土<中配鋼渣土<高配鋼渣土??梢钥闯?,低配鋼渣二灰土抵抗干濕破壞能力較強。
凍融循環(huán)試驗時,以“-20 ℃冷凍-室溫融化”為凍融循環(huán)一次,測得不同循環(huán)次數(shù)后的無側(cè)限抗壓強度。凍融循環(huán)試驗結(jié)果如圖7所示,抗凍性指標如表4所示。強度損失和抗凍性指標的計算公式為
(4)
式中 BDRn——經(jīng)n次凍融循環(huán)的試樣的抗壓強度損失系數(shù)/(%);
RnDC——經(jīng)n次凍融循環(huán)的試樣的無側(cè)限抗壓強度/MPa;
RC——參照試樣的無側(cè)限抗壓強度/MPa。
圖7 無側(cè)限抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線
表4 不同凍融次數(shù)后土樣的抗凍性指標 %
圖7中,試樣在凍融1次后強度有明顯下降,但凍融損失幅度較干濕破壞小,循環(huán)5次后冰凍膠結(jié)和凍脹破壞的效果均減弱,無側(cè)限抗壓強度變化減小并趨于穩(wěn)定;根據(jù)表4分析,鋼渣二灰土的抗凍性能高于二灰土,表明鋼渣的摻入可以提高抗凍性能,中配鋼渣土凍融穩(wěn)定性為最優(yōu)。
(1)鋼渣二灰土相較于二灰土有更寬的最優(yōu)含水率范圍。因此,在實際工程中,其最優(yōu)含水率的控制更為簡單。
(2)飽水試驗中六種不同試樣的無側(cè)限抗壓強度均隨齡期增大而提高,鋼渣摻量大于30%之后,其抗壓強度增長變平緩。
(3)在干濕循環(huán)和凍融循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強度測試中,鋼渣二灰土的遇水穩(wěn)定性和抗凍性均優(yōu)于二灰土。鋼渣的摻入,使得試樣折損程度減小,其抵抗干濕、凍融循環(huán)破壞的性能提升,但摻入過量鋼渣試樣的無側(cè)限抗壓強度增幅并不明顯。因此,最佳鋼渣摻入量為30%~50%之間,可最有效地激發(fā)鋼渣在鋼渣二灰土中的作用。
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