攀钢东渣场钢渣作杂填土力学特性的试验研究

2014-04-08熊南杰王瑞兵

有色金属设计 2014年3期

朱辉，熊南杰，王瑞兵

(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，云南昆明650051)

0 引言

对钢渣充当地基的研究，主要集中在利用钢渣体积较小、填充层较薄的这类地基垫层上，如高速公路路基填筑［1］、路基改良［2-4］、路基软基处理［5］、处理湿陷黄土路基［6］、用钢渣铺路及类似于砂石桩的钢渣桩应用研究［7-9］，而对如何用大体积且渣层较厚钢渣充当地基的研究则相对较少。位向飞［10］从温度场角度深入研究了攀钢钢渣作为地基回填料在外部热源作用下对上部建筑物的影响;王韬［11］从攀钢钢渣作为地基填料的实验出发，对钢渣地基进行了理论研究和数值模拟研究;李志坚［12］则通过试验探索了攀钢高炉渣地基土的力学特性，在此基础上针对高炉渣特殊地基土对上部结构物的影响进行了预测分析，相关文献［13］主要集中在用钢渣当作地基导致建筑开裂原因的分析上。此外，渣体的各项力学指标与常见建筑地基的力学性能指标相比差别较大，目前，地基土评价指标中没有包括高炉渣土。因此，基于用钢渣作为地基应高度重视钢渣与一般岩土的不同以及钢渣具有成分较复杂、不均匀、膨胀性、较高渣体温度等特性，且研究程度低等特点。该文以攀钢东渣场为例，通过对钢渣杂填土的力学性质进行试验研究，从而查明场地土层的物质组成及物理力学性质以及钢渣杂填土温度作用下应力变形特征，为钢渣杂填土场地施工设计提供理论依据。

1 研究区概况

攀钢东渣场位于攀枝花市马鹿箐辖区内，渣场修建于20世纪60年代末至70年代初期，为攀钢最早期的弃渣场，主要用于储存攀钢厂区内炼钢转炉钢渣。由于渣体含有可回收利用的钒钛等金属元素及大量的高炉“锅底”钢包，目前渣体大部分地段已翻渣筛选过且回填整平。拟建攀宏钒制品厂钒氮合金扩能工程场地正好位于渣场中部，翻渣筛选后回填整平的地段上。场地西北侧紧邻攀宏钒制品厂钒氮化钒车间;北侧紧邻五氧化二钒车间废水治理池;距拟建TBY窑跨车间东侧约12～34 m处为渣场平台边坡，该边坡前缘有国家铁路2201线支线马颈子隧道段;场地南侧约16 m处为攀枝花钢城企业公司现有的翻渣坑。场地地势较平坦，但区内拟建TBY窑跨车间位置目前堆放有高达10．2 m的回收利用渣料堆。马鹿箐厂区道路连接场地内施工便道，且有运料火车铁路通行，交通便利。

图1 场地测点平面布置图Fig.1 Layout plan of site test points

拟建场地原始地貌属中山区构造剥蚀沟谷地貌，场地原始地形由山腰低洼沟谷及隆起支脊相间构成，地势总体自西北向东南倾斜，地形起伏较大，自然坡度介于5°～25°之间，较陡地段达34°，区内发育有一“V”字型原始冲沟。经前期弃(翻)渣堆填整平，如今沟冲已被堆平，场地及周边已形成由钢渣堆积的宽厚平台，地势较为平坦。

2 试验方法

为了研究拟建场地钢渣杂填土的力学特性，该次在研究区内对钢渣杂填土进行击实试验、热膨胀系数试验以及渣块力学参数测试试验，从而获取钢渣杂填土的力学特性。

场地测点平面布置见图 1，取 P1、P2、P3、P4、P5、P6这6个位置的钢渣进行重型击实。每个试样选择颗粒孔径＜5 mm的碎渣13 kg，再均分5份，即每份2．5 kg，进行湿法制备后逐层击实。试件体积即为击实筒的体积，此测试选用的击实筒为内径102 mm，筒高116 mm，容积为947．4 mm2的击实筒。

取 P1、P2、P3、P4、P5、P6 及 DL1、DL2 和 DL3这9个位置的钢渣进行热膨胀系数的测定，了解钢渣的相关热物性。该试验执行标准《GB/T 4339-1999金属材料热膨胀特征参数的测定》。

最后取 P1、P2、P3、P4、P5、P6 等位置渣样进行渣块弹性模量、泊松比及抗压强度试验。

3 试验结果讨论

3.1 击实试验

通过对钢渣杂填土P1～P6的6个点进行击实试验，试验测试结果见表1。

表1 钢渣击实试验结果Tab.1 Compaction test results of steel slag

从表1中可以看出随着击实功的增加，最大干密度增大，而最优含水量则逐渐减小。即土的最优含水量和最大干密度不是常数，随着击实功的不同会产生变化。在进行现场压实度检测工作的时候，对于轻、重型击实试验结果的选择会直接影响到最大干密度的取值，进而间接的影响到检测结果及工程质量。此次试验得出的数据和图表，钢渣在击实方面表现出的性能与普通的粘性土还是有很大的差别。首先钢渣的干密度明显大于普通粘性土干密度，但是其含水率又远小于普通粘性土的含水率，所以其密度含水率曲线并不能以标准图来比对。试验选取6组试样进行试验，所得出的结果相差不大。而已有钢渣路基改良试验研究表明粘土填料中掺入钢渣能提高土体的强度［2］。因此，在钢渣杂填土过程中可以考虑通过一定比例的钢渣和粘土组合杂填，从而可以提高杂填土的强度。

3.2 热膨胀系数试验

热膨胀系数是材料热物理性能的一个重要指标。该次取样样品在不同温度条件下所测得的热膨胀系数对比见图2，而某些金属材料和该次实验测得钢渣的热膨胀系数λ×10-6(1/K)对比见表2。

图2 不同试样的热膨胀系数对比Fig.2 Comparison of thermal expansion coefficient for different samples

表2 钢渣热膨胀系数测试结果Tab.2 Test results of thermal expansion coefficient for different steel slag samples

续表2

从表2中可以看出该次实验测得的钢渣的热膨胀系数与金属材料相近，比一般的膨胀土高一个数量级。同时不同取样点的热膨胀系数有所差别，特别是P6和DL3取样点，出现反膨胀现象，即出现收缩现象。从热膨胀系数实验结果可以看出，整个取样区域钢渣的热膨胀系数分布非常不均匀，从而导致整个区域在温度载荷作用下产生不均匀膨胀和收缩，使得钢渣产生不均匀沉降。此外已有研究表明地下水水位的抬高有利于钢渣水化膨胀作用［13］。钢渣作为杂填土地基时，必须考虑产生不均匀沉降对建筑物的影响。

从表2中可以看出渣体在不同温度条件下所测得的无侧限热膨胀系数为-19．672～15．515×10-6/K，与金属材料相近，比一般的膨胀土高一个数量级，在上部结构和下部基础之间存在热源的情况下，必须考虑渣体对基础及一层地坪结构的影响。

3.3 渣块弹性模量、泊松比及抗压强度

从图3中可以看出渣块弹性模量、泊松比及抗压强度的测试数据离散性较大。相同部位的渣块，常温状态下的弹性模量最小，200℃时最大，并随着温度的升高而增大;泊松比在常温状态下最大，并随着温度的升高而降低;抗压强度在常温状态下最小，并随着温度的升高而增大。此外，不同部位的渣块，P4的弹性模量在常温时较低，但随着温度的增加而迅速增大，且成为4个位置中最大的一个;P4的泊松比最大，而P5最小;P5的抗压强度最高，而P3最低。

试验结果显示渣体的弹性模量为:7．99～10．17 GPa(常温);8．42 ～ 11．2 GPa(100 ℃);10．59～13．2 GPa(200 ℃)，表明渣体具有较高的刚度，并随着温度的升高而增大。从测试结果情况来看，不同位置渣体的差异性较大，试验结果针对性较强。