石灰钢渣挤密桩混合料配比研究

2014-12-25杨广庆李三妮叶朝良焦国木

铁道建筑 2014年3期

杨广庆，李三妮，叶朝良，焦国木

(石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043)

钢渣是一种工业废料，已普遍应用于国内外建筑工程领域。如制备掺钢渣水泥或掺钢渣水泥混凝土［1-2］、用石灰钢渣土作为道路基层或底基层材料［3］，用钢渣桩进行地基处理［4］等。但把钢渣与石灰同时应用到桩体中的实践和研究还较少。室内试验研究表明［5］，在石灰碱性环境下，石灰能激发钢渣的活性，加速钢渣的水化硬化，可提高钢渣和石灰的强度和水稳性，尤其是掺细钢渣的石灰钢渣土其干缩性能优于石灰土［6］，因此可将钢渣桩和石灰挤密桩进行综合改进。

为了研究石灰钢渣挤密桩混合料的最佳配比，本文依托河北省邢衡高速公路刚柔性长短桩复合地基试验段项目进行了室内试验，试验根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行，研究石灰钢渣挤密桩的强度和水稳性，探讨其在地基处理中的适用性，以节约工程造价，减少钢渣对环境的污染。

1 石灰钢渣挤密桩的强度形成机理

钢渣中含有与硅酸盐水泥熟料相似的C2S和C3S，具有水化能力，但由于钢渣的形成要经过高温和急冷过程，导致这些矿物活性明显降低。研究表明，掺入一定的石灰能激发钢渣的活性。钢渣玻璃体的主要化学键是 Si—O和Al—O，它们分别以［SiO4］四面体和［AlO4］四面体或［AlO6］配位多面体的形式存在。对于［SiO4］四面体而言，钢渣经过破碎后，其表面存在断键，并在碱性环境中发生化学反应而生成H3SiO－4，类似地［AlO4］生成H3AlO2－4，H3SiO－4和H3AlO2－4进而与Ca2+和Na+反应生成沸石类水化产物。沸石类水化产物发生交织与连生，使混合料的网络结构逐渐形成和增强，有利于其强度的形成和水稳性的提高［5］。

游离氧化钙f-CaO消解后生成的Ca(OH)2能与钢渣中的活性氧化物发生火山灰反应，生成硅酸钙、铝酸钙凝胶，这些水化产物将钢渣颗粒很好地胶结在一起，有一部分Ca(OH)2与空气中CO2反应，生成稳定的CaCO3，能提高混合料的强度。但在作为桩体材料时要严格控制这些游离氧化钙，避免遇水体积膨胀严重造成桩体开裂而破坏。

石灰钢渣挤密桩为密实结构，钢渣粒料起骨架作用，石灰起填充孔隙和胶结作用。桩体的强度主要表现为胶结强度和骨架结构强度［6］，掺加一定的石灰能激发钢渣的活性，而且能提高混合料的强度。混合料具有明显的水硬性，石灰钢渣挤密桩在机械打入成孔过程中对桩周围土的挤密和桩体材料中石灰和钢渣的吸水、膨胀以及与桩周土的离子交换、硬凝反应等，改善了桩周土的物理力学性质，并与桩周土一起共同构成复合地基。

2 试验原材料

1)钢渣

钢渣为冀州市炼铁产生的废钢渣，主要成分为橄榄石(Mg·Fe)2［SiO4］(主要由镁橄榄石 Mg2SiO4和铁橄榄石Fe2SiO4组成，硅酸二钙2CaO·SiO2和硅酸三钙3CaO·SiO2，铁酸二钙 2CaO·Fe2O3，氧化钙 CaO 等，粒径符合规定，具有规定的强度。其游离氧化钙f-CaO的含量＜3%，最大粒径37.5 mm。各种组分性能基本稳定，若在一定的碱性环境中对其活性进行激发，将能够加速钢渣的水化硬化。

2)白灰

使用袋装熟石灰，保存期未超过3个月。石灰质量为国家标准Ⅲ级，CaO及MgO含量为65%，不低于规定要求的最低限55%。

3)土样

土样采集于邢衡高速公路K2+030和K2+407里程附近。土样的工程分类为低液限粉质黏土，土中有机质含量未超过5%且不含有膨胀土。

3 桩体混合料配比设计

在石灰钢渣挤密桩中，石灰为胶结材料，钢渣粒料起骨架作用，混合料具有明显的水硬性。因此应首先控制石灰的比例。同时钢渣粒料是形成混合料强度的骨架结构的重要成分。钢渣含量不足，混合料的骨架结构就会不稳定，强度难以达到要求;钢渣含量过多，则结合料含量就会减少，无法形成足够的胶结强度。因此，在混合料设计时应保证一个合理的粒料含量。综合考虑上述因素，根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(T0841—2009)及有关文献，结合地基处理设计与施工经验，试验拟选了12种混合料，其配合比(质量比)如表1中第1列所示。

4 试验结果与分析

4.1 配合比和龄期对无侧限抗压强度的影响

12种配合比在相同条件下3个龄期各制作6个抗压试件，选用φ150 mm×150 mm的试件，标准养护，分别测定7，28，90 d共3个龄期的无侧限抗压强度，取平行试验的平均值作为试验代表值。共制作12×6×3=216个试件。各配合比试样在不同龄期的无侧限抗压强度如表1所示。

表1 不同龄期的石灰钢渣试样无侧限抗压强度平均值

从表1可知:

1)灰土比和龄期一定时，随着钢渣含量增加，桩体的抗压强度变化均是先增加后减小，而且均是钢渣掺量35%时的强度较30%时的强度低。如图1中灰土质量比为7∶100时，随着钢渣含量的增加，桩体试样的前期和后期的抗压强度均是先增加后减少。这是由于如果钢渣含量不足，则混合料的骨架结构就不稳定，强度难以达到要求;但若钢渣含量过多，则结合料含量就会减少，无法形成足够的胶结强度。

图1 灰土比为7∶100试件抗压强度随钢渣掺量的变化曲线

2)石灰钢渣挤密桩桩体的早期强度低，但随着龄期的增长其后期强度增大，28 d强度得到了明显的提高，且石灰钢渣挤密桩桩体强度增幅较灰土挤密桩桩体大，说明钢渣在石灰的作用下活性得到激发。

3)龄期为7 d试件中，质量比为7∶100∶30的试件强度最大;龄期为28 d试件中，质量比为9∶100∶30的试件强度最大;龄期为90 d试件中，质量比为7∶100∶30的试件强度最大。说明如果石灰含量过高，试件强度反而会有所降低。这是由于石灰作为胶结材料，随着掺入量的增多，桩体体积会膨胀过大，从而导致桩体开裂抗压强度降低。图2为配比为7∶100∶30和11∶100∶30的试样养护90 d饱水1 d后进行无侧限抗压试验前的图片，可明显看出11∶100∶30的试样已经出现裂缝和脱皮。