王春林 （安徽省路橋工程集團有限責任公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

我國于21世紀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于高爐渣的應用實例，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設施建設領域。有關文獻表明，在公路和鐵路的路基填筑中可以大量應用高爐渣[1-2]。當用高爐渣填筑公路鐵路的高填方地段時，工后沉降這一指標必須嚴格控制，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]。

高爐渣與土樣的顆粒組成指標 表1

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，參照粗粒土顆粒分析指標規(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]中的相關規(guī)定，高爐渣被歸類為級配不良的巨粒混合土。

試驗試樣 表2

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。

圖1 高爐渣與填料試樣的級配曲線

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≤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。

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力與應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。

圖2 試驗儀器

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及含水量對壓縮性能指標的影響。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為達到穩(wěn)定，然后方可進行下一級加（卸）載。

圖3 豎向壓應力與時間關系曲線

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4 加載板沉降量與時間關系曲線

圖5為三組試驗的加載板沉降量與豎向壓應力的關系曲線，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。

圖5 加載板沉降量與豎向壓應力關系曲線

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：

式中△σ′為有效應力增量，△ε為壓縮應變增量。

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，可以認為總應力等同于有效應力?；谠摋l件假設，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，當豎向壓應力由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：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?。欢渭虞d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。

圖6 側(cè)限壓縮模量與豎向壓應力關系曲線

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性能。因此，應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%。

圖7 顆粒棱角壓碎與長扁狀顆粒折斷

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致；對高填方工程的壓縮模量Es取值應取室內(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摻加細料使其細顆粒含量P5含量接近30%。