力學特性試驗研究

廢鋼渣與黏土的混合土材料力學特性試驗研究摘要:目的了解廢鋼渣與黏土的混合土材料的力學特性，為廢鋼渣在黏土地基處理中的應用提供理論依據(jù)。方法通過分析廢鋼渣的礦物成份、理化性能，提出了用廢鋼渣作為主要地基處理材料的設想；并且根據(jù)廢鋼渣與黏土的混合土的三軸壓縮，研究廢鋼渣及其混合物的力學特性。結(jié)果總結(jié)出廢鋼渣與黏土的配合比及齡期的變化對混合土力學性質(zhì)影響的基本規(guī)律，廢鋼渣與黏土的混合土材料的粘聚力、內(nèi)摩擦角、最大主應力差、初始彈性模量均較大，所以采用廢鋼渣對黏土攪拌壓實后，處理后的土體與自然土體相比較，可有效地提高地基的承載能力、降低基礎的沉降量。結(jié)論廢鋼渣可以作為一種環(huán)保型地基改良材料應用到軟土地基處理中去，從而維持建筑物的長期使用性能。關(guān)鍵詞:廢鋼渣；力學特性；三軸壓縮試驗；循環(huán)利用0引言加強環(huán)境保護和資源有效利用是當今世界主題，鋼渣作為鋼鐵工業(yè)的主要副產(chǎn)品之一，是煉鋼過程中產(chǎn)生的廢渣，數(shù)量約為鋼產(chǎn)量的15%一20%[1]，鋼渣作為一種廢棄資源如何科學有效地綜合利用、變廢為寶、應用到土木工程建設中是一項重要的課題。對于廢鋼渣的礦物成份、理化性能及其基本力學特性，國內(nèi)外許多學者都已經(jīng)進行了大量研究，同時取得了大量的研究成果。對于工業(yè)廢鋼渣的再利用上，在諸如日本美國等發(fā)達國家，廢鋼渣已充分應用到工程建設中，其回收率基本達到100%。而我國對于廢鋼渣的回收再利用上只有國外的一半左右，研究深度和廣度不夠，資源流失比例仍然不小。本文主要通過分析廢鋼渣的礦物成份、理化性能，提出了用廢鋼渣作為主要地基處理材料的設想；并且根據(jù)廢鋼渣與黏土的混合土的三軸壓縮，研究廢鋼渣及其混合物的力學特性，為廢鋼渣在軟土地基處理中的應用提供理論依據(jù)；再通過進一步的分析廢鋼渣在處理軟土地基中的作用機理、作用效果以及合理的應用形式，綜合論證廢鋼渣在可以作為一種環(huán)保型地基改良材料應用到軟土地基處理中去，通過對基礎下部的軟土層進行整體或局部地基處理，以提高地基的承載力，降低基礎的沉降量，從而維持建筑物的長期使用性能。根據(jù)各種分析及試驗所得出的數(shù)據(jù)表明，廢鋼渣可以作為一種環(huán)保型材料應用到軟土地基處理中去。不僅達到環(huán)境保護的目的，也可以在本地區(qū)乃至我國取得良好的經(jīng)濟和社會效益。同時，本課題的實施將為復合地基的發(fā)展做出巨大貢獻，在巖土工程理論與實踐的發(fā)展等方面上有著重要意義。1材料的物理化學性質(zhì)及試件制作由于化學成分及冷卻條件不同造成鋼渣外觀形態(tài)、顏色差異很大。具體見參考文獻[17]本文未對所采用廢鋼渣的化學成分進行具體分析。由于原礦石成分、制作工藝等原因，廢鋼渣的化學成分有所變化，其力學特性也稍有變化。根據(jù)日本廢鋼渣協(xié)會的統(tǒng)計結(jié)果[15-16]，其主要化學成分為CaO、SiO2、T-Fe、MgO、Al2O3，各礦物質(zhì)成份的平均含量如表[17]。無論是水淬高爐渣，還是制鋼渣都具有較強的水硬性。并且由于CaO的影響，與水反應，廢鋼渣的PH值可達到10-12，采用廢鋼渣進行地基處理，一方面可以提高地基承載力，同時達到基礎防腐的目的。表2廢鋼渣與黏土的混合土材料試樣制備比例配合比廢鋼渣質(zhì)量/kg黏土質(zhì)量/kg摻水量/mLGc100—7.52000Gc801.56.02000Gc603.04.52000Gc404.53.02000本實驗中的試料采用鞍山鋼鐵公司制鋼渣與黏土混合制成。廢鋼渣與黏土的混合土材料三軸壓縮試驗根據(jù)圍壓σ3（50kPa、100kPa、150kPa）、養(yǎng)護齡期D（1d、3d、7d）、試塊的配合比（Gc100、Gc80、Gc60、Gc40）的不同進行分類（注：Gc100、Gc80、Gc60、Gc40分別代表黏土占固體材料的含量為100%、80%、60%、40%），具體見表2。但是考慮到黏土的蠕變特性（應力不變的條件下，應變隨時間延長而增加的現(xiàn)象），以及黏土受含水率影響很大等因素，所以100%純黏土只進行養(yǎng)護齡期為一天（D=1d）的三軸壓縮試驗，共計30種組合條件。由于試料顆粒組成較為均勻，具有普遍的代表性，而且經(jīng)過先期試驗摸索比較，發(fā)現(xiàn)試驗的精度與可再現(xiàn)性很強，故在同一種條件下實施3組三軸壓縮試驗，總計90組試驗。具體實驗方案見表3。表3廢鋼渣與黏土的混合土材料三軸壓縮試驗方案配合比D=1dD=3dD=7dσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaGc100√√√——————Gc80√√√√√√√√√Gc60√√√√√√√√√Gc40√√√√√√√√√分別稱取一定質(zhì)量的廢鋼渣和黏土，充分攪拌混合后，加入2000ml水，再次攪拌均勻。將攪拌均勻的混合料分四層裝入直徑為39.1mm，高度為80mm的擊實筒內(nèi)分層擊實，每20mm層深擊一次，每次擊10下，錘擊高度約為20cm。然后將試樣兩端削平，取出試樣，稱重，裝入托盤放置于塑料薄膜內(nèi)進行養(yǎng)護。為了確保實驗精度，對試塊質(zhì)量進行抽樣檢查，檢查比例約為總制作試塊的1/3，以保證同組試塊中的各試塊間的質(zhì)量誤差小于±1g。廢鋼渣與黏土的混合土材料三軸壓縮試驗所用試樣制備完成后，考慮到黏土的蠕變特性（應力不變的條件下，應變隨時間延長而增加的現(xiàn)象），以及黏土受含水率影響很大等因素，裝入托盤放置于塑料薄膜內(nèi)進行養(yǎng)護。養(yǎng)護齡期D分別為1天、3天、7天（1d、3d、7d）。試樣在各齡期下的物理參數(shù)見表4。表4廢鋼渣與黏土的混合土材料試樣各齡期下的物理參數(shù)配合比平均干密度/（g·cm-3）平均含水量（D=0d）/%平均含水量（D=1d）/%平均含水量（D=3d）/%平均含水量（D=7d）/%Gc1001.6320.4320.24——Gc801.6222.4322.3922.2321.40Gc601.6521.8721.6020.9220.28Gc401.6325.6525.3824.4222.96由于試塊制作過程中，嚴格控制試塊的質(zhì)量、密實度、垂擊高度和垂擊數(shù)，并且所有試塊摻水量相等，所以在一定體積下不同配合比的試塊密度、含水量都變化不大。本實驗中所用廢鋼渣經(jīng)篩分后，最大粒徑小于4.00mm，粒徑小于1mm的占80%以上，含土量占6%左右。采用該種廢鋼渣試料進行其與黏土混合材料的力學實驗分析，具有較高的代表性。所采用的廢鋼渣粒徑分布見圖參考文獻[17]。為了減少試樣的差異，采用了重塑黏土試樣。土樣取自沈陽市渾南新區(qū)雍熙金園的深基坑工地，為了減少試驗土樣之間的差異，本次取樣采用抓勾機挖取，為5—8米之間的粉質(zhì)粘土層，在同一斗內(nèi)切取大塊土樣，以保證試驗土樣的均勻性。然后，用木錘在實驗室內(nèi)敲碎所取的大塊土樣，將敲碎的土樣放置烘箱內(nèi)，在溫度110oC下經(jīng)歷24小時進行烘干，使用石碾將烘干后的黏土土樣粉碎，再經(jīng)過人工篩分，取粒徑2mm以下的土顆粒，顆粒組成較為均勻，具有普遍的代表性。其中，黏土的液限wL=21.06%，塑限wP=16.19%。本實驗采用應變控制式三軸剪切滲透試驗儀,儀器的基本組成見參考文獻[17]。2實驗數(shù)據(jù)分析本文通過對廢鋼渣與黏土的混合土材料的三軸壓縮試驗數(shù)據(jù)進行整理、統(tǒng)計，分別從主應力差、彈性模量、粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ幾方面進行分析。2.1主應力差-軸向應變關(guān)系、初始彈性模量的分析通過對廢鋼渣與黏土的混合土材料的三軸壓縮試驗數(shù)據(jù)進行整理，繪出主應力差-軸向應變關(guān)系曲線?，F(xiàn)從中取出3組關(guān)系曲線進行舉例分析說明。第一組：相同配合比、齡期，不同圍壓的比較。Gc80,D=1d不同圍壓的比較。其中①、②、③分別代表σ3=50kPa、100kPa、150kPa,如圖3所示。第二組：相同圍壓、齡期，不同配合比的比較,σ3=100kPa,D=1d不同配合比的比較。其中①、②、③、④分別代表Gc100、Gc80、Gc60、Gc40,如圖4所示。第三組：相同圍壓、配合比，不同齡期的比較,σ3=100kPa,Gc60不同齡期的比較,其中①、②、③分別代表D=1d、3d、7d,如圖5所示。③②③②①ε/（%）(σ1-σ3)/kPa圖3Gc80D=1d不同圍壓③②①ε/（%）(σ1-σ3)/kPa④圖4σ3=100kPaD=1d不同配合比ABABε/（%）度包線(σ1-σ3)/kPa(σ1-σ3)maxGs80D=1dσ3=50kPa③②①圖5σ3=100kPaGc60不同齡期ε/（%）(σ1-σ3)/kPa圖6割線彈性模量示例圖根據(jù)齡期、圍壓、配合比的不同，由鋼渣與黏土的混合土材料的主應力差-軸向應變關(guān)系曲線得出不同條件下的最大主應力差σ1-σ3，匯總數(shù)據(jù)見表5。表5：鋼渣與的混合土材料（σ1-σ3）maxkPa配合比D=1dD=3dD=7dσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaGc10051.859.669.0——————Gc80114.9150.1203.8119.8165.7237.8127.8188.3252.9Gc60184.3308.2462.9190.6323.8483.6206.9366.5470.3Gc40170.1315.0533.5191.6341.8537.5202.3378.5536.5通過圖3、圖4、圖5和表5可以看出，在配合比、D都相同時，隨著σ3增加，（σ1-σ3）max顯著變大；在σ3、配合比都相同時，隨著D的增加，（σ1-σ3）max變化范圍不大；在σ3、D都相同時，隨著廢鋼渣摻入量的逐漸增加，（σ1-σ3）max逐漸變大。為了便于分析、說明問題，根據(jù)主應力差—軸向應變平均關(guān)系曲線，規(guī)定其極限主應力差的50%，對應地主應力差與相應應變值之比為割線彈性模量E50，即E50=A/B,其中A為極限主應力差的50%對應在縱向應力軸上的讀數(shù)；B為極限主應力差的50%對應在橫向應變軸上的讀數(shù)。故筆者根據(jù)圍壓、配合比、齡期的不同，由各種條件下的廢鋼渣與黏土的混合土材料的主應力差—軸向應變平均關(guān)系曲線，分別計算出其在不同條件下的割線彈性模量E50。將計算所得出的所有割線彈性模量進行匯總，得出表6。并對E50進行分析比較，以明確采用廢鋼渣處理黏土的變形特性。 表6鋼渣與黏土的混合土材料E50kPa配合比D=1dD=3dD=7dσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaGc1000.670.831.08Gc801.581.821.731.821.772.461.742.073.13Gc605.024.397.014.694.785.756.726.716.35Gc405.494.749.015.795.519.005.475.978.19由表6可以看出，在σ3、配合比都相同時，由于廢鋼渣與黏土的混合土材料試塊在養(yǎng)護過程中，水份揮發(fā)得到很大程度地限制，所以隨著D的增加，E50具有變大范圍不大；在σ3、D都相同時，隨著廢鋼渣摻入量的逐漸增加，E50逐漸變大。而在配合比、D都相同時，隨著σ3增加，E50逐漸變大。具有與一般土體隨著深度的增加彈性模量逐漸增大，而隨著土體深度的進一步加深，其彈性模量趨于定值的相同性質(zhì)。2.2粘聚力才c、內(nèi)摩擦角φ的分析粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ是用來衡量土的抗剪強度的重要物理參數(shù)，故根據(jù)對廢鋼渣與黏土的混合土材料的三軸壓縮試驗數(shù)據(jù)進行整理，繪出全部強度包線，現(xiàn)從中取出2組強度包線分析說明。第一組：相同配合比，不同齡期的比較（如圖7中a、b、c、所示）。第二組：相同齡期，不同配合比的比較（如圖7中d、e、f、g所示）。(b)Gc80D=3d抗剪強度包線(a)Gc80D=1d抗剪強度包線(b)Gc80D=3d抗剪強度包線(a)Gc80D=1d抗剪強度包線(d)Gc100D=1抗剪強度包線(c)Gc80D=7d抗剪強度包線(d)Gc100D=1抗剪強度包線(c)Gc80D=7d抗剪強度包線(f)Gc60D=1d抗剪強度包線(e)Gc80D=1d抗剪強度包線(f)Gc60D=1d抗剪強度包線(e)Gc80D=1d抗剪強度包線(g)Gc40D=1抗剪強度包線(g)Gc40D=1抗剪強度包線圖7：抗剪強度包線為了更直觀、準確地觀察出c和φ的變化，由鋼渣與黏土的混合土材料的抗剪強度包線得出的在不同條件下的c和φ，將其數(shù)據(jù)匯總見表7。表7鋼渣與黏土的混合土材料粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ配合比D=1dD=3dD=7dc/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)Gc10020.05Gc8022.21818.52221.723Gc609.4366.43719.736Gc402.9392.3398.439由表7、圖7可以看出，D相同，在黏土中摻入少量廢鋼渣，c變化不大、φ迅速變大；而隨著廢鋼渣摻入量進一步增加，具有c逐漸減小、φ逐漸變大的趨勢。在配合比都相同時，由于廢鋼渣與黏土的混合土材料試塊在養(yǎng)護過程中，水份揮發(fā)得到很大程度地限制，隨著D的增加，c和φ都變化不大。綜上所述，依照廢鋼渣與黏土的混合土材料的三軸壓縮試驗結(jié)果，根據(jù)對由主應力差—軸向應變平均關(guān)系曲線所得到的(σ1-σ3)max、E50、抗剪強度指標c與φ所進行的比較分析，可以看出隨著黏土中廢鋼渣摻入量的增加，E50在逐漸變大。所以，采用廢鋼渣對黏土攪拌壓實后，處理后的土體與自然土體相比較，彈性模量得以增大、壓縮性得以降低，可一定程度上降低基礎的沉降量。另外，隨著黏土中廢鋼渣摻入量的增加，c逐漸減小、φ逐漸變大，并參照表7，可以說明采用廢鋼渣對黏土攪拌壓實后，處理后的地基土的承載能力將有一定地提高。3.結(jié)論筆者對廢鋼渣與黏土的混合土材料進行大量物理力學性質(zhì)試驗，對其物理力學特性進行分析和研究，明確采用廢鋼渣進行地基處理的適宜性。由試驗結(jié)果得出，在一定的摻和量范圍內(nèi)，并保證廢鋼渣的水穩(wěn)定性的前提下，廢鋼渣與黏土的混合土材料具有以下特性：（1）采用廢鋼渣對黏土攪拌壓實后，E50逐漸增大，壓縮性逐漸降低，變形逐漸減??；（2）采用廢鋼渣對松軟黏土攪拌壓實后，處理后的地基土的承載能力將有所提高；（3）廢鋼渣可以作為一種環(huán)保型材料應用到黏土的地基處理中，以提高地基承載力。本文僅從室內(nèi)試驗的角度，研究了廢鋼渣與黏土的混合土材料的力學特性，而且，在室內(nèi)試驗中，各試料中水的摻入量為一定，水摻入量對該混合體材料的影響尚需進一步研究。另外，由于鋼渣有效鈣成分含量較高，摻具有一定塑性指數(shù)的黏性土是地基處理應用研究的一個主要方向，廢鋼渣與黏土的混合土材料的物理力學特性，將在下一步的試驗中研究分析。而如何將廢鋼渣實際應用于地基處理中尚需大量現(xiàn)場試驗與理論分析研究。參考文獻：[1]董保澍.固體廢物的處理與利用(第2版)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，1999.[2]單志峰.國內(nèi)外鋼渣處理技術(shù)與綜合利用技術(shù)的發(fā)展分析[J].工業(yè)安全與防塵，2000.(2):27.[3]H.Y.Poh，GurmelS.Ghataora，NizarGhazireh.SoilStabilizationUsingBasicOxygenSteelSlagFines[J].JournalofMaterialsinCivilEngineering?ASCE，2006.18(2):230-240.[4]CaijunShi.SteelSlag—ItsProduction，Processing，Characteristics，andCementitiousProperties[J].JournalofMaterialsinCivilEngineering?ASCE，2004.16(3):230-236.[5]王琳，孫本良，李成威.鋼渣處理與綜合利用[J].冶金能源，2007.26(4):54-57.[6]張繼香，李啟令，徐莉，等.鋼渣代砂建筑砂漿的性能研究[J].建筑材料學報，2006.9(5):623-626.[7]賀蔚波.鋼渣擠密樁處理地基[J].湘潭大學自然科學學報，2001.23(4):106-108.[8]徐紅江，付貴勤，朱苗勇.鋼渣膨脹性的實驗[J].環(huán)境工程，2006.24(6):62-64.[9]龔曉南.復合地基設計和施工指南[M].北京:人民交通出版社，2003.8.[10]李偉，竹內(nèi)謹治，山本春行.一種筏板與柱形及外圍墻式地基改良相結(jié)合的復合基礎[P].中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局.0090253.3.2007[11]H.Yamamoto，W.Li.Anewraftfoundationsystemwithshallowsoilimprovement[C].CollaborationandHarmonizationinCreativeSystems-Hara(ed.)?2005Taylor&FrancisGroup.2005.9:797-804.[12]WeiLi，KinjiTakeuchi，HaruyukiYamamoto.Parametricfiniteelementanalysisoflimepilecompositeground[C].RecentDevelopmentsofGeotechnicalEngineeringinSoftGround.2005.10:350-357.[13]WeiLi，F(xiàn)engLi，KinjiTakeuchi，etal.NumericalAnalysisonaNewFoundationSystemwithColumniformSoilImprovement[C].NewFrontiersinChineseandJapaneseGeotechniques.2007.11:344-352.[14]李偉.一種復合式建筑基礎[P].中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局.0153524.5.2007[15]日本廢鋼渣協(xié)會西日本支部.廢鋼渣作為土木工程用材料的技術(shù)資料[R].日本廢鋼渣協(xié)會西日本支部.1983.[16]日本廢鋼渣協(xié)會.廢鋼渣的特性與實用性[R].日本廢鋼渣協(xié)會.1996.[17]李偉.廢鋼渣與砂土的混合土材料力學特性試驗[J].沈陽建筑大學學報.Teststudyonthemechanicscharacteristicsofsoilsmixedbysteelslagandclay(1.ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang,Liaoning,China,110168;2.LiaoNingBuildingScienceResearchInstitute,Shenyang,Liaoning,China,110005)Abstract:Investigatethemechanicscharacteristicofsoilsmixedbysteelslagandclay,andprovidethetheorybasisforsteelslagonclaygroundtreatment.Bringforwardtheideathatthesteelslagasamaterialcanbeusedonthegroundtreatmentbyanalyzingthemineralcomposition,physicalandchemicalpropertiesofsteelslag.Meanwhile,basedonthetri-axialcompressiontest,weinvestigatethemechanicscharacteristicofthesoilmixedwithsteelslagandclay,andprovidethetheoreticalbasisforthest