冒捷鑫，王 琪，唐 琰，王麗艷

江蘇科技大學(xué) 土建學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003

0 引言

如果能把鋼渣和舊輪胎兩種工業(yè)廢棄物變廢為寶，有效再利用，不但環(huán)境污染問題可以得到解決，還具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。通常淤泥土的滲透系數(shù)在108～ 106cm·s1，滲透能力很弱，而鋼渣表面多孔，導(dǎo)致開口空隙率較，吸水能力強(qiáng)，因此本文考慮把鋼渣添加至吹填淤泥中以獲得性能良好的土木材料。為了減輕土的重度，降低軟弱地基的沉降，提高其穩(wěn)定性，考慮加入橡膠顆粒。故把鋼渣和橡膠顆粒加入淤泥中進(jìn)行固化和輕量處理，使其成為滲透性能好、強(qiáng)度較高的高性能土工材料。

Huang等[1]總結(jié)了英國(guó)4種工業(yè)廢棄物在瀝青路面上的應(yīng)用，其中包括廢棄鋼渣和廢舊輪胎。Tsai等[2]對(duì)臺(tái)灣地區(qū)諸多工業(yè)廢棄物循環(huán)再利用的可持續(xù)性進(jìn)行了分析，其中包括廢棄鋼渣。張朝暉等[3]對(duì)鋼渣處理工藝與國(guó)內(nèi)外鋼渣利用技術(shù)進(jìn)行了研究。近些年，粉煤灰已被大量用于筑壩和基礎(chǔ)填筑的施工中，在許多方面已表現(xiàn)出優(yōu)越的工程性能[4]。王強(qiáng)[5]總結(jié)了鋼渣的膠凝性能及在復(fù)合膠凝材料水化硬化過程中的作用。堿渣與粉煤灰等拌合后可制成工程土，代替一般工程土作為道路基礎(chǔ)或大面積填墊材料。程緒想等[6]總結(jié)了鋼渣的物理化學(xué)性質(zhì)，如果鋼渣滲透性能良好，將比粉煤灰更適合作為填料用于路基、建筑地基等實(shí)際工程。

表1 淤泥土的主要物理性質(zhì)

因此，有必要研究鋼渣土工應(yīng)用的滲透性能。本文通過滲透試驗(yàn)，測(cè)出各工況的滲透系數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，對(duì)不同鋼渣摻入比、不同橡膠顆粒摻入比及其粒徑大小對(duì)鋼渣與橡膠顆粒復(fù)合改性海相淤泥滲透系數(shù)的影響進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中所用的材料有海相淤泥、廢棄鋼渣、橡膠顆粒和水。試驗(yàn)所選取的海相淤泥為連云港海濱大道填海造陸淤泥土，鋼渣為張家港永鋼集團(tuán)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐鋼渣，橡膠顆粒為江蘇奧馳建設(shè)新材料公司生產(chǎn)的EPDM（三元乙丙輪胎）顆粒。

1.1 淤泥

海相沉積淤泥沉積年代較久遠(yuǎn)，土體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，其相關(guān)物理參數(shù)如表1所示?，F(xiàn)場(chǎng)取得的土體天然含水率約為50%，天然孔隙比大于1.5，通過煅燒法測(cè)得土中的有機(jī)質(zhì)含量為3.4%，按土的分類方法，該淤泥屬于軟塑狀態(tài)淤泥土。試驗(yàn)所用淤泥按重塑土樣配制，烘干后過2 mm篩，得到的土顆粒如圖1所示。

1.2 鋼渣和橡膠

根據(jù)《水泥化學(xué)分析方法》（GB/T 176—2008），對(duì)試驗(yàn)鋼渣進(jìn)行化學(xué)分析，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)鋼渣中活性成分含量高，強(qiáng)度高，硬度大，滲水性能好，可壓縮程度小，適于填筑。陳化堆放8個(gè)月以上，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，水硬性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，可直接用于土工中。參考巖土工程對(duì)粗砂的定義，本文定義粒徑大于0.5 mm的粒組質(zhì)量超過全重50%的鋼渣為粗鋼渣，如圖2所示。其級(jí)配曲線如圖3所示。鋼渣的不均勻系數(shù)Cu=6.75，曲率系數(shù)Cc=1.33。該鋼渣級(jí)配良好，最大干密度（ρdmax）和最小干密度（ρdmin）分別為2.58 g·cm3和1.76 g·cm3。

橡膠顆粒為江蘇奧馳建設(shè)新材料公司生產(chǎn)的EPDM顆粒，本次試驗(yàn)使用的橡膠顆粒粒徑范圍為1～2 mm和3～4 mm，其堆積密度分別為0.55 g·cm3和0.71 g·cm3，橡膠顆粒與其他傳統(tǒng)建筑材料相比具有輕質(zhì)、彈性好、抗變形能力強(qiáng)、透水性好、耐用的特點(diǎn)，有利于減輕土的重度，降低軟弱地基的沉降，提高其穩(wěn)定性。橡膠顆粒如圖4所示。

2 滲透試驗(yàn)基本原理

滲透系數(shù)的室內(nèi)測(cè)量方法有許多種，根據(jù)達(dá)西定律，室內(nèi)滲透試驗(yàn)可分為常水頭及變水頭2種，前者一般適用于滲透性較大（滲透系數(shù)大于103cm·s1）的粗粒土，而后者適用于滲透性較?。B透系數(shù)小于103cm·s1）的細(xì)粒土。對(duì)于含淤泥的工況，由于淤泥質(zhì)土具有顆粒極細(xì)、滲透系數(shù)較小的特點(diǎn)，應(yīng)采用變水頭法來測(cè)定。

試驗(yàn)器材選用南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的TST-55型變水頭滲透儀。裝樣環(huán)刀直徑為6.18 cm，高4 cm，其底面面積為A。試驗(yàn)用水經(jīng)過煮沸法脫氣，試驗(yàn)時(shí)水溫高出室內(nèi)溫度3 ℃～4 ℃。

3 試驗(yàn)方案與土樣制備

3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所選取的淤泥為連云港海濱大道填海造陸淤泥土，初測(cè)的滲透系數(shù)在108～106cm·s1，滲透能力很弱。由于鋼渣表面多孔，導(dǎo)致開口空隙率較大，吸水能力強(qiáng)，考慮把粗鋼渣中的2 mm以下粒組添加至吹填淤泥中。為了減輕土的重度，降低軟弱地基的沉降，提高其穩(wěn)定性，考慮加入橡膠顆粒。故把鋼渣和橡膠顆粒加入淤泥中進(jìn)行固化和輕量處理，使其成為滲透性能好、強(qiáng)度較高的高性能土工材料。

淤泥烘干研磨后配制成含水率為50%的淤泥。鋼渣和橡膠顆粒摻入比都按淤泥總質(zhì)量的百分比加入。選用粒徑0～2 mm的鋼渣，且鋼渣摻入比不宜超過70%。這主要是由于含過多鋼渣的混合料較干燥，制樣不易成型，存在局部松散脫落現(xiàn)象，故鋼渣添加量定為10%、30%、50%、70%。用于試驗(yàn)的橡膠顆粒粒徑范圍分別為1～2 mm和3～4 mm，質(zhì)量百分比定為0、5%、10%、15%，摻入比不宜超過15%，因?yàn)殡S著橡膠顆粒摻入比的增大，混合料在荷載作用下回彈大，受力性質(zhì)變差。具體試驗(yàn)方案如表2所示，共32個(gè)工況，每種工況制3個(gè)試樣進(jìn)行平行試驗(yàn)，共制96個(gè)試樣研究不同鋼渣摻入比、不同橡膠顆粒摻入比及其粒徑大小對(duì)鋼渣與橡膠顆粒復(fù)合改性海相淤泥的滲透系數(shù)。

3.2 土樣制備

把稱量好的淤泥干土顆粒放入容器，再添加預(yù)定摻入比的鋼渣和橡膠顆粒，因3種材料均處于干燥狀態(tài)，很容易拌合，省時(shí)且拌合均勻度高。拌合完成后按淤泥干土顆粒質(zhì)量的50%進(jìn)行加水，充分?jǐn)噭蚝竺荛]容器悶料2 h，使水分充分均勻浸濕土樣。

表2 土樣滲透試驗(yàn)方案參數(shù) 數(shù)值鋼渣粒徑ds/mm 0～2鋼渣摻入比αs/% 10、30、50、70橡膠顆粒粒徑dr/mm 1～2、3～4橡膠顆粒摻入比αr/% 0、5、10、15

土樣制作完畢后進(jìn)行裝樣，環(huán)刀直徑為6.18 cm，高4 cm，分4層填充擊實(shí)，所有試樣每層均擊實(shí)4下，以達(dá)到相同的壓實(shí)度。具體步驟參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999），各步驟所用試驗(yàn)器具以及試驗(yàn)過程如圖5所示。

4 鋼渣改性海相淤泥的滲透特性

通過滲透試驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，圖6為不同鋼渣摻入比下改性淤泥的滲透系數(shù)和擬合曲線，在整個(gè)摻入比變化范圍內(nèi)，滲透系數(shù)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性變化規(guī)律。

對(duì)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得出鋼渣改性海相淤泥滲透系數(shù)k的計(jì)算擬合公式，見式（1）。鋼渣改性海相淤泥土的滲透系數(shù)與鋼渣摻入比αs成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合得到的滲透系數(shù)計(jì)算公式擬合度達(dá)到97.67%。

式中：e是自然對(duì)數(shù)的底。

由圖6可看出，以摻入比50%為分界點(diǎn)，在摻入比由10%增大至分界點(diǎn)時(shí)，滲透系數(shù)增大幅度較小，超越分界點(diǎn)后，隨著摻入比增加至70%，滲透系數(shù)增長(zhǎng)曲線較陡。當(dāng)鋼渣摻入比達(dá)到30%時(shí)，滲透系數(shù)相比摻入比10%時(shí)增幅不顯著，滲透系數(shù)只增加了30%。這主要是由于，陳化8個(gè)月以上的鋼渣中約有2%游離CaO，30%摻入比的鋼渣相比10%鋼渣中多了少許游離CaO，與水發(fā)生反應(yīng)生成Ca(OH)2，造成體積略微膨脹，使孔隙率降低，減少了水的滲流通道，抵消了增大鋼渣摻入比所帶來的透水性增強(qiáng)的效應(yīng)，使得整體的滲透系數(shù)漲幅不明顯。

鋼渣摻入比從30%增加至50%時(shí)，滲透系數(shù)是摻入比30%時(shí)的2.6倍。鋼渣摻入比增70%時(shí)，滲透系數(shù)為4.18×105cm·s1，約為鋼渣摻入比50%時(shí)的5.9倍，數(shù)量級(jí)由106激增至105，由于鋼渣屬于多孔結(jié)構(gòu)，非結(jié)晶結(jié)構(gòu)，大量的開口空隙使其具有很好的透水性，大摻入比的鋼渣為混合料貢獻(xiàn)了較強(qiáng)的透水性，所以相比其他鋼渣摻入比，滲透系數(shù)增幅最大。綜合鋼渣摻入比和滲透系數(shù)變化特征發(fā)現(xiàn)，鋼渣的摻入比為70%時(shí)，其改良土內(nèi)部孔隙、改良滲透性能的效果最顯著。

5 復(fù)合改性海相淤泥的滲透特性

5.1 不同鋼渣摻入比下滲透系數(shù)的擬合分析

通過滲透試驗(yàn)，測(cè)出各工況的滲透系數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖7所示，分別為不同鋼渣摻入比時(shí)橡膠顆粒粒徑dr為1～2 mm及3～4 mm情況下的改性淤泥滲透系數(shù)變化曲線。

5.2 鋼渣摻入比的影響

從圖7（a）發(fā)現(xiàn)4種工況下滲透系數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致。4種不同橡膠顆粒摻入比情況下，當(dāng)αs=10%增加至αs=30%時(shí)滲透系數(shù)增幅較小。當(dāng)增加至αs=50%時(shí)，橡膠顆粒摻入比為15%時(shí)滲透系數(shù)增幅最大，αs=50%時(shí)的滲透系數(shù)是αs=30%時(shí)的4.5倍。當(dāng)αs從50%增加至70%時(shí)，每種橡膠顆粒摻入比工況下的滲透系數(shù)增幅都較大，橡膠顆粒摻入比為0、5%、10%和15%時(shí)，αs=70%時(shí)的滲透系數(shù)分別是50%時(shí)的5.9倍、5.5倍、4.5倍和2.5倍；且αs=70%時(shí)，4種不同橡膠顆粒摻入比情況下，αr=15%時(shí)的滲透系數(shù)最大，滲透系數(shù)由αs=50%時(shí)的5.15×105cm·s1增大至1.27×104cm·s1，滲透系數(shù)以數(shù)量級(jí)為跨度的漲幅在提高。

從圖7（b）發(fā)現(xiàn)4種工況下滲透系數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)較為相似。4種不同橡膠顆粒摻入比情況下，當(dāng)αs從10%增加至30%時(shí)滲透系數(shù)增幅不明顯。當(dāng)αs從30%增加至50%時(shí)，橡膠顆粒摻入比為15%時(shí)的滲透系數(shù)增幅最大，αs為50%時(shí)的滲透系數(shù)是30%時(shí)的6.4倍。當(dāng)αs從50%增加至70%時(shí)，4種工況下的滲透系數(shù)增幅都比較大，橡膠顆粒摻入比為0、5%、10%和15%時(shí)，αs=70%時(shí)的滲透系數(shù)分別是50%時(shí)的5.9、5.3、6.3倍和2.8倍，其中αr從0增加到5%和10%時(shí)，滲透系數(shù)均以一個(gè)數(shù)量級(jí)的增幅在提高，且αr=15%時(shí)的滲透系數(shù)最大，達(dá)到了3.46×104cm·s1。

綜上，由于鋼渣具有較強(qiáng)的透水能力，鋼渣摻入比越大，為改性淤泥貢獻(xiàn)的透水性越大，從而滲透系數(shù)越大。橡膠顆粒粒徑為1～2 mm和3～4 mm時(shí)，各級(jí)橡膠顆粒摻入比下，鋼渣摻入比從50%增加到70%的滲透系數(shù)增長(zhǎng)幅度最大，且鋼渣摻入比達(dá)到70%時(shí)滲透系數(shù)均達(dá)到最大值，對(duì)鋼渣與橡膠顆粒復(fù)合改性海相淤泥滲透性能的改善最有效。

5.3 不同橡膠顆粒摻入比下滲透系數(shù)的擬合分析

通過滲透試驗(yàn)，測(cè)出不同橡膠摻入比下的滲透系數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖8所示。

各鋼渣摻入比下滲透系數(shù)隨橡膠顆粒摻入比的變化均呈冪函數(shù)上升的趨勢(shì)，都可以用k＝A＋Bαr＋Cαr2＋Bαr3函數(shù)的形式表示。

對(duì)照組給予常規(guī)新輔助化療，給予地塞米松和環(huán)磷酰胺治療，環(huán)磷酰胺（國(guó)藥準(zhǔn)字H32020857，江蘇恒瑞醫(yī)藥股份有限公司，規(guī)格0.2 g，批號(hào)：13012321、15041245）200 mg/m2在治療的第1～4天靜脈推注；地塞米松（國(guó)藥準(zhǔn)字H44021890，廣東邦民制藥廠有限公司，規(guī)格5 mg/支，批號(hào)：20130919、20150721）20 mg/d，在術(shù)后第1～2、4～5、8～9、11～12天靜脈滴注。

5.4 橡膠顆粒摻入比的影響

圖8為橡膠顆粒粒徑為1～2 mm及3～4 mm時(shí)，各級(jí)鋼渣摻入比下的不同橡膠顆粒摻入比的滲透系數(shù)的擬合曲線。觀察圖8（a）和圖8（b）發(fā)現(xiàn)，無論何種橡膠摻入比，滲透系數(shù)均隨鋼渣摻入比的增大而增大。從圖中還可以看出，不論哪種鋼渣摻入比，滲透系數(shù)均隨橡膠顆粒摻入比的增大而增大。這是因?yàn)椋阡撛鼡饺氡纫粯拥那闆r下，由于橡膠顆粒具有較強(qiáng)的透水能力，橡膠顆粒摻入比越大，為混合料貢獻(xiàn)的透水性越大，其滲透系數(shù)越大。

由圖8（a）發(fā)現(xiàn)：橡膠顆粒摻入比從0至15%逐漸遞增的過程中，αs=50%和αs=70%工況下的滲透系數(shù)增長(zhǎng)曲線較陡，αr=5%時(shí)的滲透系數(shù)分別為αr=0時(shí)的1.8倍和1.7倍；αr=10%時(shí)的滲透系數(shù)分別為αr=5%時(shí)的1.5倍和1.2倍；αr=15%時(shí)的滲透系數(shù)分別為αr=10%時(shí)的2.7倍和1.5倍；且當(dāng)αr=15%時(shí)，αs=70%時(shí)的滲透系數(shù)最大，為1.27×104cm·s1，相較于αs=50%時(shí)的8.74×105cm·s1，提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

由圖8（b）發(fā)現(xiàn)：鋼渣摻入比為70%時(shí)，4種不同橡膠摻入比時(shí)的滲透系數(shù)均為最大值，比其他鋼渣摻入比下的滲透系數(shù)大很多。αr=5%時(shí)的滲透系數(shù)為αr=0時(shí)的1.7倍；αr=10%時(shí)的滲透系數(shù)為αr=5%時(shí)的1.2倍；αr=15%時(shí)的滲透系數(shù)為αr=10%時(shí)的1.5倍，從8.74×105cm·s1增大至1.27×104cm·s1，以一個(gè)數(shù)量級(jí)的增幅提高。

綜上，橡膠顆粒粒徑為1～2 mm和3～4 mm的工況下，橡膠顆粒摻入比為15%時(shí)的滲透系數(shù)曲線相較于為0、5%、10%時(shí)高高在上，αr取15%對(duì)滲透系數(shù)改良的作用最突出。

橡膠顆粒粒徑為3～4 mm時(shí)，αs=70%且αr=15%時(shí)的滲透系數(shù)為粒徑為1～2 mm時(shí)的2.7倍，主要是因?yàn)殇撛拖鹉z顆粒摻入比相同，3～4 mm的橡膠單個(gè)顆粒相較于1～2 mm的體積大，且3～4 mm的橡膠顆粒與淤泥顆粒粒徑相差較大，不同物質(zhì)顆粒間的接觸吻合較差，存在較大的孔隙，對(duì)水的阻力較小，因此滲透系數(shù)較大。

綜上說明，橡膠顆粒粒徑為3～4 mm時(shí)，鋼渣摻入比為70%且橡膠顆粒摻入比為15%時(shí)，鋼渣與橡膠顆粒復(fù)合改性海相淤泥的滲透系數(shù)最大。

6 與傳統(tǒng)土工填料的對(duì)比

為了鋼渣與橡膠顆粒復(fù)合改性海相淤泥在巖土工程中廣泛應(yīng)用，本文將其滲透特性與傳統(tǒng)土料的滲透特性進(jìn)行比較，見圖9和表3。

傳統(tǒng)砂土和粉煤灰常用于路基填料，但是由于砂土和粉煤灰基本不具有膠凝性和黏聚力，砂土?xí)芩鳑_刷和風(fēng)蝕損壞，粉煤灰水穩(wěn)定性弱于鋼渣。而鋼渣由于其多孔性遇水不易液化，有較好的滲水性，地下水長(zhǎng)期浸泡或水位浮動(dòng)造成的含水量變化對(duì)路堤強(qiáng)度和變形影響很小，因而具有很好的水穩(wěn)定性。橡膠顆粒質(zhì)輕，使混合料重度變小，輕量化的填土混合料可以降低地基中的應(yīng)力水平，提高穩(wěn)定性，減少沉降。因此鋼渣與橡膠改性海相淤泥可以替換粉煤灰和粉砂作為填料用于路基和建筑地基等工程回填中。

7 結(jié)語(yǔ)

為了解決固體廢棄物處理問題，本文研究了摻入鋼渣和橡膠顆粒的改性海相淤泥的滲透特性，得出了如下結(jié)論。

（1）單純以鋼渣改良海相淤泥滲透性時(shí)，鋼渣摻入比從10%增加至50%時(shí)，改性海相淤泥滲透系數(shù)增長(zhǎng)幅度較小，當(dāng)鋼渣摻入比增至70%時(shí)，滲透系數(shù)增長(zhǎng)劇烈，改良滲透性能的效果顯著。

（2）橡膠顆粒粒徑為1～2 mm和3～4 mm時(shí)，各級(jí)橡膠顆粒摻入比下，鋼渣摻入比從50%增加到70%的滲透系數(shù)增長(zhǎng)幅度最大，且鋼渣摻入比達(dá)到70%時(shí)滲透系數(shù)均達(dá)到最大值，對(duì)海相淤泥滲透性能的改善最有效。

（3）橡膠顆粒粒徑為1～2 mm和3～4 mm時(shí)，橡膠顆粒摻入比為15%相較于0、5%、10%對(duì)滲透系數(shù)改良的作用最顯著，這主要是由于橡膠顆粒摻入比大，對(duì)鋼渣與橡膠顆粒復(fù)合改性海相淤泥滲透性的改良效果好。

（4）橡膠顆粒粒徑為1～2 mm和3～4 mm時(shí)，鋼渣摻入比為70%且橡膠顆粒摻入比為15%時(shí)，對(duì)海相淤泥滲透性能的改善作用最顯著；且橡膠顆粒粒徑為3～4 mm時(shí)比1～2 mm的滲透系數(shù)更大。

（5）鋼渣與橡膠顆粒復(fù)合改性的海相淤泥滲透系數(shù)相較于海相淤泥提高很大。改性海相淤泥滲透系數(shù)劣于卵石、礫石、粗砂、中砂和細(xì)砂，但絕大部分工況下與粉土相當(dāng)，大部分工況下與粉煤灰相當(dāng)。

（6）橡膠顆粒粒徑為1～2 mm，αs=70%且αs=15%；等5種工況下鋼渣與橡膠顆粒復(fù)合改性海相淤泥的滲透系數(shù)與粉砂相當(dāng)，可以替換粉煤灰和粉砂作為填料用于路基和建筑地基等工程回填中。