基于大型直剪试验的高炉矿渣粉煤灰混合料力学特性研究

刘香+吴成龙+许有俊+孙国栋+陈彬

摘要：依托包钢新体系2 250 mm热轧车间的地基处理工程对混合料的力学特性进行研究；借助大型直剪仪对不同围压和含水率的混合料进行直剪试验，分析了混合料在不同条件下的抗剪强度、力学参数以及从混合料剪切“翻滚跳跃”现象的角度对相应的剪应力剪切位移关系曲线上下波动情况进行分析；通过线性回归分析得到含水率与粘结力和内摩擦角的关系曲线。结果表明：当含水率相同时，随着法向应力的增加，混合料的抗剪强度峰值逐渐增大；相同法向应力作用下，随着含水率的增加，混合料的抗剪强度逐渐降低；随着含水率的增加，粘结力和内摩擦角逐渐降低，并且含水率的变化对粘结力的影响程度较内摩擦角大；当剪切位移处于试样长度的1/60～1/10时，剪切“翻滚跳跃”现象最为明显，相应的剪应力剪切位移曲线所出现的上下波动幅度也最大。

关键词：高炉矿渣；粉煤灰；大型直剪试验；力学特性

中图分类号：TU521.4文献标志码：A

Research on Mechanical Properties of Blast Furnance Slag Fly Ash

Mixture Based on Largescale Direct Shear ExperimentLIU Xiang1， WU Chenglong1， XU Youjun1，SUN Guodong2，3， CHEN Bin1

（1. College of Architecture and Civil Engineering， Inner Mongolia University of Science & Technology， Baotou

014010， Inner Mongolia， China； 2. Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of Ministry of

Education， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China； 3. National Engineering Research

Center for Inland Waterway Regulation， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China）Abstract： The mechanical properties of mixture were studied based on a new system of Baotou Steel 2 250 mm hotrolling workshop ground treatment engineering. By means of largescale direct shear apparatus， direct shear tests of mixture with different confining pressures and moisture contents were carried out. The shear strength and mechanical parameters of mixture under different conditions were analyzed. The fluctuations of shear stressshear displacement curves were analyzed from perspective of shear “rolljump” phenomenon of mixture. The relationship curves of moisture content， cohesive force and internal friction angle were obtained through linear regression analysis. The results show that the peak value of shear strength of mixture increases gradually with increase of normal stress when moisture content is the same. Under the same normal stress，shear strength of mixture decreases gradually with increase of moisture content. The cohesive force and internal friction angle decrease gradually with increase of water content. The impact of moisture content change on cohesive force is greater than internal friction angle. When the shear displacement is 1/601/10 of specimen length， shear “rolljump” phenomenon is most obvious， and the fluctuations of shear stressshear displacement curves are greatest.

Key words： blast furnace slag； fly ash； largescale direct shear experiment； mechanical property

0引言

高炉矿渣是在高炉冶炼生铁过程中产生的一种固体废弃物，其主要化学成分为SiO2，Al2O3，CaO，MgO，MnO，FeO等，其中CaO，SiO2，Al2O3占质量的90%以上。由于炼铁原料的成分、种类以及冶炼技术的差异，使得高炉矿渣的组成不尽相同。高炉矿渣按冶炼生铁的品种可分为铸造生铁矿渣、炼钢生铁矿渣和特种生铁矿渣，按照高炉矿渣的碱性率可分为碱性矿渣、中性矿渣和酸性矿渣。粉煤灰一般是指燃煤电厂从烟道气体中收集的细灰，其主要组成为O，Si，Al，Fe等元素构成的氧化物。由于煤的灰量变化有很大差异，并且这一差异不仅存在于不同地点、不同的煤矿中，即使在同一煤矿中的不同煤层也有很大的差异，这就直接导致了粉煤灰的组成成分含量的不同。截至2012年，中国高炉矿渣产量为2.21×108 t，利用率约为78%，日本、德国等很多国家已做到了99%～100%的利用率[12]。早在1992年美国利用高炉矿渣作为路基填料的铁路已达8条，并且美国还将高炉矿渣用作碱性骨料在建筑行业中进行广泛应用[3]。2009年，游润卫[4]对钢渣在路基工程中的应用进行了试验研究，结果表明钢渣路基路面弯沉值与砂砾路段路面弯沉值结果基本接近且满足工程设计要求。王高峰等[5]根据试验结果论述了重矿渣用于回填、道路基层、混凝土集料等的可行性，证明高炉矿渣可以取代砂石。熊南杰等[6]介绍了高炉重矿渣在地基处理中的应用，并且从其强度、刚度及耐久性方面进行了研究分析，结果表明高炉矿渣与天然素土相比具有一定的特殊性，在进行设计时应考虑渣体发热升温及渣体的特性等因素。

大型直剪试验是以摩尔库仑强度理论为基础，用来测量土体抗剪强度指标的一种方法。它具有结构简单、操作方便、固结时间短等优点。此外，直剪试验中试样的变形状态与许多实际工程问题较为接近。因此，许多专家学者利用大型直剪试验对粗粒土、土石混合材料等进行抗剪强度试验。文献[7]采用大型直剪试验获得千枚岩残坡积土的有效控制密度、干密度和含水率条件下击实土样的峰值强度和残余强度，计算结果更为科学合理。文献[8]针对3种不同粒径的碎石集料进行不同垂直压力下的室内大型直剪试验，分析了直剪条件下碎石材料的力学性能。文献[9]采用美国Geotest公司生产的大型直剪仪，并基于正交设计方法开展了一系列土石混填体室内大型直剪试验研究，进而确定出不同因素对土石混填体抗剪强度有何影响及影响程度，为此类受多因素、多水平影响的试验研究提供了一种新的思路。

鉴于上述内容可知，高炉矿渣的应用已相当广泛并取得了良好的社会经济效益，但是高炉矿渣用于工业建筑地基处理的成功工程案例较为罕见，主要原因是工程设计人员、科研单位对高炉矿渣的工程特性认识不足[10]，导致高炉矿渣作为地基填料的工程实践与理论研究成果少之又少，这些因素进一步限制了高炉矿渣在建筑地基处理工程中的应用。因此，本文依托包钢新体系2 250 mm热轧车间地基处理工程，并在成熟的大型直剪试验、理论基础之上，对应用于处理包钢新体系不良地基的高炉矿渣粉煤灰混合料进行力学特性研究，试验成果可为包钢高炉矿渣应用于工业、建筑地基、道路基层等方面提供理论基础。

1高炉渣粉煤灰混合料的大型直剪试验1.1试验设备

试验设备采用同济大学地下建筑与工程系岩土实验室的大型结构面剪切仪，如图1所示。该设备由液压油泵系统、竖向和水平向加载系统、计算机控制系统及加载组件等构成。剪切盒的尺寸为600 mm×400 mm×210 mm，其中下盒高度为100 mm，上盒高度为110 mm，其主要技术参数为：竖向加载的最大荷载、最大位移及加载频率分别为200 kN，图1大型剪切仪和控制系统

Fig.1Largescale Shear Apparatus and Control System300 mm，0.1～1 Hz；水平加载的最大荷载、最大位移及加载频率分别为200 kN，±75 mm，0.1～1 Hz。试验时垂直压力由液压千斤顶施加，水平剪应力则由液压轮轴产生动力并经下盒施加给土样。试验中剪切盒的位移和相应的荷载均由高灵敏度电子传感器（灵敏度为0.01 mm）测定；该设备可以对试验过程进行动态控制，设置固定的水平剪切速度（一般速度设置为2 mm·min-1），整个试验系统的传感器和液压加载系统均与计算机相连。

1.2试验样品

本文研究的试样来源于由高炉矿渣与粉煤灰按照体积比5∶1进行混合回填，再将高炉矿渣粉煤灰混合料进行分层碾压及强夯处理得到。每层虚铺高炉矿渣厚度为500 mm，粉煤灰厚度为100 mm（压实后每层厚度为0.5 m），并在分层碾压厚度达到约5 m时进行强夯处理，以提高地基承载力。试样取料数量为800 kg。

通过对试样开展常规室内土工物理性质试验，包括颗粒分析、密度、重型击实试验等，得到的物理性质指标有：最大干密度为2.01～2.07 g·cm-3；最优含水率为8%；孔隙比在0.35～0.38之间；压缩系数和压缩模量分别为0.12 kPa-1和22 MPa。根据《土工试验规程》（SL 273—1999）[11]中的相关规定，试验前剔除粒径大于60 mm的颗粒，得到颗粒级配曲线如图2所示，其中α为小于某粒径的试样质量占总质量的百分比。

图2颗粒级配曲线

Fig.2Particle Size Distribution Curve1.3研究内容

（1）根据不同含水率和法向应力条件下的剪应力剪切位移（τs）关系曲线，研究含水率对混合料抗剪强度峰值的影响。

（2）根据不同含水率条件下的法向应力剪应力关系曲线，通过线性回归分析计算确定混合料的粘结力和内摩擦角。

（3）根据（1），（2）中得到的试验数据，进一步分析含水率与粘结力、内摩擦角的关系曲线。此外，对三者之间的变化进行线性回归分析。

（4）通过对大量的τs试验数据进行分析处理得到Δτ/（Δsτmax）s曲线（其中，Δτ=τn+1-τn，Δs=sn+1-sn，n为加载级次，τmax为最大剪应力），针对直剪试验中存在的剪切“翻滚跳跃”现象进行解释说明。2试验结果分析

2.1剪应力剪切位移关系曲线特性分析

不同含水率混合料直剪试验的剪应力剪切位移关系曲线如图3所示。由图3可以看出：

图3剪应力剪切位移关系曲线

Fig.3Relationship Curves of Shear

Stressshear Displacement（1）同一含水率条件下，随着法向应力的增加，混合料的抗剪强度峰值逐渐增大，总体趋势明显，同时应力增大过程中出现不稳定的上下波动情形。

（2）通过对比图3（a）～（c）可以发现，相同法向应力（50，100，150，275，500 kPa）作用下，随着含水率的增加，混合料的抗剪强度逐渐降低。在法向应力较小时，抗剪强度峰值不明显，为弱硬化型；在较高法向应力下出现明显的抗剪强度峰值，呈现明显的应变软化特性。

（3）不同含水率和不同法向应力作用下混合料直剪试验的剪应力剪切位移关系曲线形态基本一致，可以比较明显地分成3个阶段，即压密阶段、局部剪切阶段、剪切破坏阶段[12]。由图3还可以看出：当剪切位移在0～10 mm之间时，剪切位移与剪应力呈线性关系（压密阶段），具有一定的应力硬化现象；随着剪切位移的持续增大，剪应力增长趋势变缓，当剪切位移在60～70 mm（试样长度的1/10～1/8）时达到抗剪强度峰值（局部剪切阶段）；剪应力峰值过后，此时的剪切面范围内各点的剪切力超过混合料的抗剪强度，抗剪强度主要来源于剪切破坏面的摩擦力，而剪切变形主要是由于粒径较大的高炉矿渣在剪切过程中的错动、翻转及破碎引起的。

2.2抗剪强度参数的确定和回归分析

在已有试验数据的基础上，经过整理、分析得到在不同含水率情况下剪应力法向应力的线性回归曲线，如图4所示。由图4可知：在不同含水率情况下的粘结力分别为61.551，61.529，51.191 kPa；内摩擦角分别为55.044°，52.570°，51.842°。由此可见，随着含水率的增大，混合料的粘结力和内摩擦角逐渐降低但降低幅度较小。同时，剪应力和法向应力相关性良好，得到的粘结力和内摩擦角可靠性较高。拟合得到的剪应力法向应力回归关系式如公式（1）所示，即

τ0%=1.43σ+61.551，R=0.990

τ8%=1.307σ+61.529，R=0.962

τ13%=1.273σ+51.191，R=0.956（1）

式中：τ0%，τ8%，τ13%分别为含水率0%，8%，13%时的剪应力；σ为法向应力；R为相关系数。

图4剪应力法向应力拟合曲线

Fig.4Fitting Curves of Shear Stressnormal Stress此外，为了深入研究含水率对强度参数的影响规律，通过非线性回归的方法得到如图5所示的粘结力、内摩擦角随含水率变化的关系曲线。

图5含水率与强度参数关系曲线

Fig.5Relationship Curves Between Moisture

Content and Strength Parameters由图5可知：当含水率为0%～8%时，含水率对粘结力影响较小，但随后曲线急剧下降（幅值为10.36 kPa）且影响较大。一般无粘性的粗粒土是不存在严格意义上的粘结力的，或者仅有较小的由于土粒之间分子引力形成的原始假性粘结力[13]。在对高炉矿渣粉煤灰混合料的试验中发现，混合料具有相当大的粘结力，这主要是因为高炉矿渣具有不规则颗粒形状，在挤压密实状态的条件下，粒径较大的颗粒之间发生接触时能够互相嵌入，从而产生较为强大的机械咬合力；在外部振捣和荷载作用下，高炉矿渣颗粒表面的连通孔隙和粒间孔隙被粒径较小颗粒和粉煤灰等得以填充，导致试样更加密实，从而提高试样的抗剪强度；此外，随着含水率的增加，粉煤灰与水接触后的胶结硬化作用增加了混合料的整体强度和密实度，且高炉矿渣的水稳性良好，化学性质较为稳定且不会对混合料的抗剪强度造成较大影响。当含水率较大且超过最优含水率时，由于水分过多使得粉煤灰与水之间的胶结能力逐渐弱化，进而使得粉煤灰与高炉矿渣之间、高炉矿渣自身之间的粘结作用降低，甚至出现离析而导致粘结力快速降低。

从内摩擦角与含水率关系曲线的总体趋势来看，含水率对混合料的内摩擦角影响较小；当含水率在0%～8%区间时内摩擦角略有增大；当含水率在8%～13%时，内摩擦角又逐渐减小到51.842°，这与文献[14]，[15]中所得结论一致。含水率为8%时填料的内摩擦角达到最大，这刚好是高炉矿渣粉煤灰混合料的最优含水率，即当含水率为最优时，填料在同样的压实度下，密实度更高，增加了填料颗粒之间的联锁作用，从而增加了填料的内摩擦角。

通过线性回归分析得到的关于含水率ω与粘结力c、内摩擦角φ的拟合关系式为

c=e4.12+0.02ω-0.003ω2

φ=e4+0.01ω-0.001ω2（2）

2.3混合料剪切“翻滚跳跃”现象分析

图6为混合料直剪试验的剪切过程。在直剪试验中的剪切面往往不是一个理想的平面，如图6（a）所示，加之高炉矿渣的颗粒直径较大且形状不规则，使得混合料在剪切过程中往往会伴随着颗粒的错动、翻转及破碎等现象，如图6（b）～（d）所示。对于剪切过程中的颗粒破碎、错动、翻滚及跳跃等现象，董云等[16]结合土石混合体直剪试验进行了一定的研究，但未结合相应的应力位移关系曲线的上下波动情况进行详细研究。在此，本文将从混合料剪切“翻滚跳跃”现象的角度对相应的应力位移关系曲线的上下波动情况进行研究分析。

图6混合料直剪试验的剪切过程

Fig.6Shear Process of Direct Shear Experiment of Mixture根据文献[12]中的分析方法对τs关系曲线的数据进行处理，得到的Δτ/（Δsτmax）s关系曲线如图7所示。由图7可知：混合料的剪切“翻滚跳跃”现象不是从加载开始至剪切结束一直存在。当剪切位图7混合料Δτ/（Δsτmax）s关系曲线

Fig.7Relationship Curves of Δτ/（Δsτmax）s of Mixture移为0～10 mm时，Δτ/（Δsτmax）值在竖向围压的作用下骤然跌落，此时图3中剪应力剪切位移关系曲线的初始斜率较大且曲线近似呈直线。这表明在此区间内混合料的剪切“翻滚跳跃”现象基本不明显，这主要是因为在剪切盒的作用下，混合料逐渐被压密且粒径较大的高炉矿渣和粉煤灰结晶体发生弹性变形，在此剪切位移区间内混合料尚处于剪压状态，尚未出现明显的“翻滚跳跃”现象。当含水率相同时，法向应力越大，Δτ/（Δsτmax）s关系曲线的降低幅度越大。

当剪切位移在试样长度的1/60～1/10之间时，Δτ/（Δsτmax）值上下浮动范围较大，同时剪应力剪切位移关系曲线的波动相对较大且曲线斜率减缓，剪应力呈逐步增大趋势。由此说明，剪切面上粒径较大的高炉矿渣、粉煤灰结晶体及尚未结硬的凝胶体因其在围压和剪切作用下而出现破碎、错动等原因使得“翻滚跳跃”现象较为明显，进而导致在剪切过程中的剪应力剪切位移曲线出现曲折波动情况。通过对比图7（a）～（c）还可知：含水率越低，剪切“翻滚跳跃”现象发生时的相应剪切位移越大；随着含水率的增大，剪切“翻滚跳跃”现象持续的时间变短，上下波动的幅度也减小，充分说明了水分对混合料的润滑和粘结作用；同时，在含水率相同时，高围压下Δτ/（Δsτmax）s关系曲线的上下波动幅度明显小于低围压的情况。

此后进入剪切破坏阶段，Δτ/（Δsτmax）值变化浮动很小，表明此时混合料试样的剪切“翻滚跳跃”现象趋于平稳，同时也说明了剪切面的基本形成。此阶段的剪应力剪切位移曲线基本处于平缓阶段，混合料的抗剪强度也主要是由剪切破坏面之间的摩擦粘结作用提供。同时，当含水率相同时，低围压下的Δτ/（Δsτmax）值变化较高围压时大，反映出了低围压时的剪切破坏面平整性较差，而高围压的剪切破坏面相对平整。3结语

（1）由混合料的剪应力剪切位移曲线分析可知，其抗剪强度与含水率及竖向围压之间存在着密切联系。含水率相同时，随着法向应力的增加，混合料的抗剪强度峰值逐渐增大。法向应力一定时，含水率的增加将导致混合料的抗剪强度逐渐降低。不同含水率和法向应力作用下，剪应力剪切位移关系曲线形态基本一致，可大致分为压密阶段、局部剪切阶段、剪切破坏阶段。

（2）通过线性回归分析得到含水率与粘结力和内摩擦角的关系曲线及相关的拟合公式。分析表明，随着含水率的增加，粘结力和内摩擦角逐渐降低，而且含水率变化对粘结力的影响程度较内摩擦角大。

（3）基于Δτ/（Δsτmax）s关系曲线，从剪切“翻滚跳跃”现象的角度对剪应力剪切位移曲线的上下波动现象进行分析，结果表明，当剪切位移处于试样长度的1/60～1/10时，剪切“翻滚跳跃”现象最为明显，相应的剪应力剪切位移曲线所出现的上下波动幅度也最大。参考文献：

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