复合水泥炉渣灰材料动弹性模量试验研究

张淑坤，张向东，陆启珂

（1.辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁阜新 123000；2.中交集团第三航务工程局铁路分公司，上海 201900）

复合水泥炉渣灰材料动弹性模量试验研究

张淑坤1，张向东1，陆启珂2

（1.辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁阜新 123000；2.中交集团第三航务工程局铁路分公司，上海 201900）

为了研究复合水泥炉渣灰动力特性，通过动三轴试验，测试出不同替换比率下复合水泥炉渣灰的Ed-ε曲线。分析应变、围压及替换比率等对动弹性模量的影响规律。得出如下结论：动弹性模量随着应变的增加而递减；应变一定，围压增加，复合水泥炉渣灰土具有较高的动弹性模量；应变一定，提高替换比率，可以增加复合水泥炉渣灰土试样的整体强度。复合水泥炉渣灰作为注浆材料进行土体加固的研究成果，可为其加固体的抗震设计提供科学依据。

动三轴；水泥炉渣灰；替换比率；抗震设计

现今炉渣灰、粉煤灰数量很多，是对环境影响最为严重的一类固体废弃物。考虑到废物回收利用，近年来炉渣灰、粉煤灰被越来越广泛地利用起来，对粉煤灰应用的研究也越来越多。然而对炉渣灰应用的研究略少。或将粉煤灰与石灰水泥拌合来进行填筑公路路基［1］，或将其与混凝土混合后作为防渗的充填材料［2］，还有在黏土中掺入不同比例的粉煤灰加固软土地基［3］，也有从物理化学角度出发来改变炉渣灰、粉煤灰的特性等［4－5］。各个研究中从不同角度分析掺入粉煤灰后形成复合材料的力学特性，为炉渣灰、粉煤灰的再利用奠定了基础。然而在炉渣灰、粉煤灰复合材料的研究中，对其加固后工程体的动力研究却比较少。其中文献［6］研究了粉煤灰作为坝基和坝料时的动力特性，文献［7］对粉煤灰改良后的风积土进行了动力特性研究等。

本文中将炉渣灰与水泥进行混合，研究水泥炉渣灰作为注浆材料加固软土的特性，采用动三轴方法分析加固后土体Ed－ε之间的关系，以便为加固后土体的抗震设计提供依据。

1 材料特性

软土试样采用辽宁省本溪市桓仁县浑江水库林场边坡软弱夹层土，水泥采用普通425号硅酸盐水泥，炉渣灰采用辽宁省阜新市阜新火力发电厂的高炉排灰，该炉渣灰呈暗灰色，具体化学成分及粒度成分如表1所示。

表1 炉渣灰化学成分及粒度成分Table1 Chem ical com positions and grain sizes of the slag ash

2 复合水泥炉渣灰土的试验设备及其试样制备

试验仪器中，主机是DZ78－1型电磁式动三轴仪，激振器在试件上方，力传感器在活塞与激振器动圈之间；试件尺寸D×H＝50.5 mm×110.0 mm［8］（D为直径，H为高度），拉压力传感器型号BLR－1型，最大荷载为2 kN；孔压传感器型号为AK－1，量程为0～1 MPa；位移传感器型号为（HP－DCLVDT）DA－10型。

测控系统为DDS－30动三轴试验系统。微机信号发生板发出给定信号，经动率放大器放大信号后输入主机开始振动。振动信号经传感器、动态应变放大仪和数据采集板将数据反馈并存储于微机中，最后进行整理分析。试验机采用周期波振动，频率为F＝12 Hz。试样及实验仪器如图1、图2所示，其中试样渗透部分为制备试样时内核水泥炉渣灰向外扩散与土融合的部分。

图1 试件图样Fig.1 Sketch and photo of the specimen

图2 动三轴仪Fig.2 Dynam ic triaxial apparatus

复合水泥炉渣灰土的动力特性可以用周期荷载作用下土的应力－应变曲线来表示。图3表示了周期荷载作用下滞变回线环形成的应力应变曲线。

图3 应力－应变关系曲线Fig.3 Stress-strain curve

通过上图可以得到动弹性模量Ed的表达式为Ed＝（σd1＋σd2）／（ε1＋ε2），σd1，σd2为轴向受压应力和受拉应力，ε1，ε2为相应的垂直应变。

3 试验结果及分析

复合水泥炉渣灰土试样：半径50.5 mm，高110 mm，水泥掺和率为18%，炉渣灰掺和率为5%，替换比率（M）分别为5.5%，12.5%和21.5%，水灰比为0.5。通过动三轴试验，得到天然黏性土及复合水泥炉渣灰土（M＝5.5%，12.5%，21.5%）的Ed-ε曲线，见图4。

图4 Ed-ε曲线Fig.4 Ed-εcurves

3.1 围压影响

图4（a）显示了素土的围压对动弹性模量Ed的影响。从图中可以看出，应变一定时，围压增加，则动弹性模量增大。图4（b）、4（c）、4（d）也显示了同样的趋势。这种趋势可以解释为：当围压增加时，复合水泥炉渣灰土中邻近颗粒的接触变得更加紧密，颗粒间的咬合及摩阻效果增大，导致了能量耗散的大量减少，因此复合水泥炉渣灰土中有较高的动弹性模量。

3.2 应变与动弹性模量的关系

由试验得出的Ed-ε曲线可知，动弹性模量随着应变的增加而递减。这递减的阶段基本分为骤减阶段（ab），平缓阶段（bc），持稳阶段（cd）。如图5所示。

图5 Ed-ε曲线阶段示意图Fig.5 Stages of Ed-εcurve

该试验中把明显特征试验点作为分界b，c点，如若更精细划分，需加密试验。不同围压下相同替换比率时，各个阶段对应的变形区间不太明显，但相同区间的Ed随着围压的增加而增大；相同围压下替换比率不同时，随着替换比率增加，阶段b点到来得要早一些，而c点到来得要晚一些（即平缓阶段区间大），且对应的动弹性模量也要大。该平缓阶段大小直接影响着土样抗震性能，说明水泥炉渣灰相互作用，能大大增强试件的Ed，而这种现象随着替换比率的增加以及围压的增大而越来越显著，将该段详细情况列入表2。

表2 特征点应变Table2 The strains of feature points

3.3 替换比率的影响

水泥与炉渣灰相互混合，水泥一定程度上可以激发炉渣灰活性，水泥水化生成的Ca（OH）2会与炉渣灰中活性较高的Al2O3和SiO2反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙。水化28 d，粉煤灰水化成的产物与水泥水化产物相互交叉搭接形成整体结构，两者紧密结合，强度增高。如若考虑到改变水化的时间长短或者充分的程度，也可以考虑加入相应的激发剂等。

基于水泥能够激发炉渣灰活性的原因，对于复合水泥炉渣灰土试样而言，替换比率（M）则成为了一个非常重要的因素，从而影响动弹性模量Ed。例如由曲线图4（（a）—（d））可见当围压为300 MPa，且初始应变为0和0.005时，对应的4种替换比率动弹模分别为：250，275，300，350 MPa和105，125，130，160 MPa，即其它参数保持不变，在一定变形条件下，替换比率增加，则动弹性模量Ed增加。而水泥炉渣灰土核心的动弹性模量Ed要比试样周围土介质的动弹性模量Ed高很多。因此大幅度提高替换比率，即可增加复合水泥炉渣灰土试样的整体强度。

4 结 论

（1）动弹性模量随着应变的增加而递减。相同替换比率，相同围压下，各个阶段对应的变形区间不太明显；不同替换比率，相同围压下，随着替换比率增加，阶段b点到来得要早一些，而c点到来得要晚一些（即平缓阶段区间大），且对应的动弹性模量也要大。

（2）应变一定，当围压增加时，复合水泥炉渣灰土中邻近颗粒的接触变得更加紧密，颗粒间的咬合及摩阻效果增大，导致了能量耗散的大量减少，因此复合水泥炉渣灰土中有较高的动弹性模量。

（3）当其它参数都保持不变时，在一定变形条件下，当替换比率增加时，动弹性模量Ed增加，而水泥炉渣灰土核心的动弹性模量Ed要比试样周围土介质的动弹性模量Ed高很多，因此大幅度提高替换比率，也就增加了复合水泥炉渣灰土试样的整体强度。

（4）将复合水泥炉渣灰作为注浆材料对土体结构物进行加固时，若需考虑加固后土体的抗震性，则可进行此类试验来进行相应判断。

［1］ 杨有海，梁 波，丁 立，等.粉煤灰与石灰、水泥拌合料的强度特性试验研究［J］.岩土工程学报，2001，23（2）：227－230.（YANG You-hai，LIANG Bo，DING Li，et al.Experimental Study on the Strength Behaviors of Flyash-Lime or Flyash-Cement［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2001，23（2）：227－230.（in Chinese））

［2］ 张之颖，王 晋，周建军，等.非破坏振动环境对粉煤灰混凝土渗透性能的影响［J］.西安交通大学学报，2005，39（11）：1273－1281.（ZHANG Zhi-ying，WANG Jin，ZHOU Jian-jun，et al.Effect of Nondestructive Shaking Environmenton Permeability of Flyash Concrete［J］.Journal of Xi’an Jiaotong University，2005，39（11）：1273－1281.（in Chinese））

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［5］ 杨玉芬，陈清如，骆振福.流态化技术干法脱炭的理论分析与试验研究［J］.中国矿业大学学报，2003，32（6）：632－635.（YANG Yu-fen，CHEN Qing-ru，LUO Zhen-fu.Theoretic Analysis and Experimental Research on Dry Removing Carbon with Fluidization Method［J］.Journal of China University of Mining and Technology，2003，32（6）：632－635.（in Chinese））［6］ 刘垂远，何昌荣.粉煤灰筑坝的动力特性试验研究［J］.东北水利水电，2004，22（1）：29－32.（LIU Chuiyuan，HE Chang-rong.Experimental Study on Dynamic Characteristics of Flyash for Dam［J］.Water Resources Hydropower of Northeast China，2004，22（1）：29－32.（in Chinese））

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［8］ 施 斌，朱志铎，刘松玉.土工试验原理及方法［M］.南京：南京大学出版社，1994.（SHIBin，ZHU Zhi-duo，LIU Song-yu.Principle and Method of the Geotechnical Test［M］.Nanjing：Nanjing University Press，1994.（in Chinese） ）

（编辑：陈 敏）

Dynam ic Elastic M odulus of Com posite Cement Slag Ash M aterial

ZHANG Shu-kun1，ZHANG Xiang-dong1，LU qi-ke2
（1.School of Civil and Transportation，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China；2.Railway Branch of the Third Navigational Engineering Bureau of China Communications Construction Co.，Ltd.，Shanghai 201900，China）

To investigate the dynamic characteristics of composite cement slag ash，we analyzed the effect of strain，confining pressure，and replacement ratio on the dynamic elastic modulus through Ed-εcurves obtained from dynamic triaxial tests.Itwas concluded that dynamic elasticmoduluswas degressive alongwith the increase of strain；when strain remained unchanged and the confining pressure increased，the dynamic elasticmodulus of the composite cement slag ash soilwas larger；when strain remained unchanged and replacement ratio increased，the overall strength of the soil sample was improved.This research could provide scientific basis for aseismic design when the composite cement slag ash is used as groutingmaterial for soil reinforcement.

dynamic triaxial；cement slag ash；replacement ratio；aseismic design

P642.16

A

1001－5485（2012）09－0074－03

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.09.017

2011－08－15；

2011－11－19

国家自然科学基金资助（51174268）

张淑坤（1983－），男，黑龙江方正人，讲师，博士研究生，主要从事岩土工程方面的教学与科研工作，（电话）13795023625（电子信箱）4254423＠163.com。