鐵水脫硫渣固化土基層材料力學(xué)性能研究

鐵水脫硫渣固化土基層材料力學(xué)性能研究*摘要：基于土壤固化技術(shù),將鐵水脫硫渣、高爐礦渣微粉、普通硅酸鹽水泥與素土按一定比例拌和制備鐵水脫硫渣固化土基層材料,通過擊實(shí)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度等試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)定,并分析物料摻量對(duì)鐵水脫硫渣固化土力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明:提高鐵水脫硫渣摻量和降低礦渣微粉摻量均會(huì)使混合料最大干密度增大、最佳含水率下降;鐵水脫硫渣固化土基層材料具有較好的力學(xué)性能,7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于6MPa;當(dāng)?shù)V渣微粉摻量為40%時(shí),鐵水脫硫渣固化土基層材料達(dá)到力學(xué)峰值,道路基層強(qiáng)度最佳。關(guān)鍵詞：鐵水脫硫渣;固化土;基層材料;無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;劈裂強(qiáng)度;力學(xué)性能0引言鐵水脫硫渣是轉(zhuǎn)爐煉鋼前采用鐵水脫硫工藝脫硫后產(chǎn)出的工業(yè)廢棄物。隨著鋼鐵產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,鐵水脫硫渣的排放量不斷增大,目前尚無成熟、穩(wěn)定、大規(guī)模的鐵水脫硫渣利用途徑。鐵水脫硫渣的長(zhǎng)期堆放不僅消耗了大量土地資源,同時(shí)也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了不利影響。因此,如何將鐵水脫硫渣穩(wěn)定化處理后加以合理利用已成為冶金行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。近年來,在國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的指導(dǎo)下,環(huán)境保護(hù)力度不斷加大,以天然砂石料為主的傳統(tǒng)土石方路基材料的開采受到了嚴(yán)格限制,成本不斷攀升。在此背景下,采用新技術(shù)、新材料,開發(fā)利用工業(yè)固體廢棄物(簡(jiǎn)稱“固廢”)制備綠色環(huán)保、成本低廉的新型建筑材料,既符合國(guó)家關(guān)于固廢資源回用的政策導(dǎo)向,同時(shí)也為建筑材料市場(chǎng)提供了新的選擇。在道路工程領(lǐng)域,為便于就地取材和降低土石方外運(yùn)成本,研究人員采用土體固化[11]、鋼渣混料穩(wěn)定土體等技術(shù)]制備得到的道路基層材料具有承載力大、穩(wěn)定性好、荷載擴(kuò)散能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),不僅可以有效緩解道路工程大宗原材料(砂、石)短缺的問題,也為解決工業(yè)固廢堆存問題提供了新思路。基于此,本文以鐵水脫硫渣與素土為主料,以礦渣微粉、水泥、土壤聚合劑作為膠凝材料,采用混合攪拌的方式制備新型道路基層材料,通過擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)定,以期為鐵水脫硫渣的工程應(yīng)用提供參考。1試驗(yàn)材料與方法1.1試驗(yàn)材料鐵水脫硫渣取自廣東省寶鋼湛江有限公司,呈暗灰色顆粒狀,少量呈塊狀;素土取自安徽省馬鞍山市某一施工現(xiàn)場(chǎng),采挖深度約2m,液限為44.5%,塑限為22.0%,塑性指數(shù)Ip(PlasticityIndex)為22.5,為低液限黏土;高爐礦渣微粉產(chǎn)自馬鋼嘉華有限公司,為淡白色粉末;水泥為海螺牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥,呈粉末狀;離子型土壤聚合劑由北京中科勝聯(lián)公司生產(chǎn),為深棕色黏稠狀液體;水為普通自來水。1.2試驗(yàn)方法擊實(shí)試驗(yàn)依據(jù)JTG3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》預(yù)設(shè)6種含水率(10.5%、11.5%、12.5%、13.5%、14.5%、15.5%),采用DZY-111擊實(shí)儀進(jìn)行甲類擊實(shí),最終測(cè)定不同渣土比、礦渣微粉摻量固化土的最大干密度和最佳含水率。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)均按照J(rèn)TGE51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》的要求進(jìn)行,試件尺寸為50mm×50mm;養(yǎng)護(hù)齡期預(yù)設(shè)為7、14、28、60、90d,養(yǎng)護(hù)結(jié)束前浸水24h;采用路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀對(duì)其進(jìn)行加載,速率為1mm/min,記錄破壞時(shí)的最大承載力并分析其力學(xué)性能。1.3配比設(shè)計(jì)擊實(shí)試驗(yàn)配比按表1設(shè)計(jì),據(jù)此擬合得到最佳含水率和最大干密度公式。表1擊實(shí)試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)Table1Mixtureratiodesignforcompactiontest無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)渣土比設(shè)計(jì)為3∶7、4∶6、5∶5、6∶6、7∶3,礦渣微粉摻量按與鐵水脫硫渣的質(zhì)量占比分別取20%、30%、40%、50%、60%。土壤聚合劑摻量與水泥摻量按上述混料質(zhì)量的占比分別取0.02%和5%。2結(jié)果與討論2.1擊實(shí)試驗(yàn)圖1為在不同渣土比下進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)得到的礦渣微粉摻量與鐵水脫硫渣固化土干密度和含水率的關(guān)系曲線。由圖1可知,不同渣土比下制備的固化土隨其含水率的增大,干密度呈先增后減的變化趨勢(shì)。由圖1(a)可知,礦渣微粉摻量為30%、40%、50%時(shí),固化土的最大干密度分別為2.071、2.036、2.019g/cm3,最佳含水率分別為14.0%、14.1%、14.3%。由圖1(b)可知,當(dāng)?shù)V渣微粉摻量為30%、40%、50%時(shí),固化土的最大干密度分別為2.155、2.115、2.079g/cm3,最佳含水率分別為12.5%、12.9%、13.1%。由圖1(c)可知,當(dāng)?shù)V渣微粉摻量為30%、40%、50%時(shí),最大干密度分別為2.307、2.271、2.253g/cm3,最佳含水率分別為11.4%、11.6%、11.9%。圖1鐵水脫硫渣固化土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果關(guān)系曲線Fig.1Compactiontestcurveofsolidifiedsoilwithmoltenirondesulphurizationslag圖2為不同礦渣微粉摻量下鐵水脫硫渣固化土最大干密度和最佳含水率對(duì)比柱狀圖。圖2鐵水脫硫渣固化土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比柱狀圖Fig.2Barchartofcompactiontestofsolidifiedsoilwithmoltenirondesulphurizationslag由圖2可知:在礦渣微粉摻量一定時(shí),隨著渣土比的增大,鐵水脫硫渣固化土最大干密度逐漸增大,最佳含水率不斷下降;在渣土比一定時(shí),隨著礦渣微粉摻量的增加,固化土最大干密度緩慢下降,最佳含水率緩慢升高。擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,提高渣土比和降低礦渣微粉摻量均可提高固化土最大干密度并降低其最佳含水率。相比礦渣微粉摻量,渣土比對(duì)鐵水脫硫渣固化土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果的影響更大。為了給不同配比的鐵水脫硫渣固化土試件制備提供依據(jù),采用MATLAB軟件對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到最大干密度和最佳含水率擬合圖(見圖3),以及最大干密度、最佳含水率擬合公式[見式(1)、式(2)],其相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9421、0.9948,表明兩個(gè)公式擬合程度均較高。Z1=0.5875X-0.3033Y+1.973,(1)Z2=-6.25X+2.333Y+15.06,(2)式中,X為鐵水脫硫渣摻量,Y為礦渣微粉摻量。依據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算鐵水脫硫渣固化土其他配比擊實(shí)數(shù)據(jù),結(jié)果見表2。圖3鐵水脫硫渣固化土擊實(shí)試驗(yàn)擬合圖Fig.3Fittingdiagramofcompactingtestofsolidifiedsoilwithmoltenirondesulphurizationslag表2鐵水脫硫渣固化土擊實(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算值Table2Compactioncalculationvaluesofsolidifiedsoilwithmoltenirondesulphurizationslag2.2無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)圖4為不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同配比鐵水脫硫渣固化土試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響曲線。由圖4(a)可知:隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng),不同鐵水脫硫渣摻量試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅均呈先快后慢的趨勢(shì);隨著鐵水脫硫渣摻量的增加,固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大,增幅逐漸減緩;當(dāng)鐵水脫硫渣摻量高于50%時(shí),固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅明顯降低,且在28～90d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度形成較慢;當(dāng)鐵水脫硫渣摻量低于50%時(shí),固化土試件在7～14d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度形成較快。由圖4(b)可知:養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng),試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高,7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于6MPa;當(dāng)鐵水脫硫渣摻量較低時(shí),固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較低,但后期增幅較大;隨著鐵水脫硫渣摻量不斷升高,固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度持續(xù)增大,后期增幅逐漸減緩;當(dāng)鐵水脫硫渣摻量為50%時(shí),影響曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。以30%鐵水脫硫渣摻量為基準(zhǔn),鐵水脫硫渣摻量由30%增至70%的過程中,混合料7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別增加了2.44、5.85、6.89、7.86MPa,增幅分別為40.07%、96.06%、113.14%、129.06%,增幅較顯著。另外,所有試件7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均已達(dá)到JTGE51-2009對(duì)國(guó)家一級(jí)公路重交通力學(xué)性能的基本要求。由圖4(c)可知:隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng),不同配比的固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均不斷增長(zhǎng),增幅逐漸減緩;隨著礦渣微粉摻量的增大,鐵水脫硫渣固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈先增后減的趨勢(shì),且在礦渣微粉摻量為40%時(shí)達(dá)到峰值。由圖4(d)可知:養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng),試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高;在不同養(yǎng)護(hù)齡期,40%礦渣微粉摻量的固化土試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均最高;對(duì)比不同礦渣微粉摻量的固化土,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)的增長(zhǎng)趨勢(shì)大致相同。以7d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為例,礦渣微粉摻量由20%增至60%的過程中,固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別增加了2.47、4.09、2.88、2.23MPa,增幅分別為31.46%、52.19%、36.69%、28.41%,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均已達(dá)到JTGE51-2009對(duì)一級(jí)公路重交通力學(xué)性能的基本要求。試驗(yàn)結(jié)果表明,摻入適量礦渣微粉有利于基層材料強(qiáng)度的形成,40%礦渣微粉摻量的固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高。圖4鐵水脫硫渣固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響曲線Fig.4Influencecurveofunconfinedcompressivestrengthofmoltenirondesulfurizationslagsolidifiedsoil2.3劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)半剛性基層制備時(shí)因局部骨料攪拌不充分,在受到外界拉伸荷載作用時(shí)易發(fā)生錯(cuò)位破壞。劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)可對(duì)固化土試件的間接抗拉性能進(jìn)行測(cè)定。不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同配比鐵水脫硫渣固化土試件劈裂強(qiáng)度影響曲線見圖5。由圖5(a)可知:隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng),不同配比的固化土試件劈裂強(qiáng)度均呈上升趨勢(shì);以50%鐵水脫硫渣摻量為例,隨著養(yǎng)護(hù)齡期由7d增至90d,固化土試件劈裂強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了0.374、0.721、0.779、0.804MPa,增幅分別為32.75%、63.13%、68.21%、70.40%,增幅逐漸變緩。由圖5(b)可知:鐵水脫硫渣摻量越大,固化土試件劈裂強(qiáng)度越高;以30%鐵水脫硫渣摻量為基準(zhǔn),鐵水脫硫渣摻量由30%增至70%的過程中,試件的28d劈裂強(qiáng)度分別增加了0.286、0.495、0.568、0.609MPa、增幅分別為20.91%、36.18%、41.52%、50.44%。鐵水脫硫渣材料硬度較大,粒徑較小,增加其用量可提高混合料密實(shí)度,對(duì)改善基層材料力學(xué)性能效果顯著。由圖5(c)、圖5(d)可知:隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng),不同配比的鐵水脫硫渣固化土劈裂強(qiáng)度呈先快后慢的增長(zhǎng)趨勢(shì),40%礦渣微粉摻量的鐵水脫硫渣固化土劈裂強(qiáng)度最高。以28d養(yǎng)護(hù)齡期為例,礦渣微粉摻量由20%增至60%的過程中,固化土試件劈裂強(qiáng)度分別增加了0.404、0.627、0.339、0.182MPa、增幅分別為32.69%、50.73%、27.43%、14.72%。礦渣微粉作為鐵水脫硫渣固化土基層材料中的膠凝材料,適量摻入可改善骨料間的黏結(jié)性能,使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更密實(shí),固化土力學(xué)性能更優(yōu)。圖5鐵水脫硫渣固化土劈裂強(qiáng)度影響曲線Fig.5Influencecurveofsplittingstrengthofsolidifiedsoilwithmoltenirondesulfuri