钢渣二灰土的无侧限抗压强度试验研究

刘光烨

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300143)

2014年，中国钢铁年产量突破了8亿t，占世界总量的50%以上，平均每生产1 t钢铁就排放0.2 t的钢渣。现阶段，我国钢渣利用率仅为10%，不仅浪费土地资源，而且造成了不同程度的环境污染。因此，把钢渣变废为宝，并有效地应用在工程上，减少废渣的运输和处理费用，具有环保意义和经济意义[1-3]。以下将钢渣、石灰、粉煤灰按不同比例掺入黄土混合成钢渣二灰土，研究其饱水、干湿循环以及冻融循环试验后的抗压强度变化规律。研究成果对改善路基土的涨缩变形具有重要意义[4-7]。

1 试验材料及试样制备

1.1 钢渣的主要成分

试验钢渣取自酒钢集团榆中钢铁公司，经过“热闷”工艺后，其化学成分如表1所示。热焖工艺是指利用钢渣余热，在有盖容器内加入冷水后使其成为蒸汽，使钢渣得到消解，通过膨胀冷缩达到渣铁分离，可以最大限度地消除钢渣中游离态的f-CaO和f-MgO，且冷强度高，级配均匀，颗粒形状适用，稳定性好，符合国内外对路用钢渣的要求，使用前应陈放2 d，消除自身膨胀性[8-10]。

表1 钢渣化学成分

1.2 土样配比

按照《公路路面基层施工技术规范》，结合现状研究[1-2]和实际需要，选取以下有代表性的配比(见表2)。

表2 土样配合比 %

2 试验结果与分析

2.1 击实试验及分析

击实试验的P-W曲线如图1所示，素土在达到最大干密度后曲线斜率最大，说明黄土有较强的水敏感性；1∶2∶7二灰土的最大干密度所对应的最优含水率范围加大。而钢渣二灰土相较于素土和普通二灰土，其P-W曲线峰值区更加平缓。随着钢渣掺量的增加，其P-W最大干密度变大，最优含水率变小，并且均低于素土的最大干密度。其原因为钢渣属于粒径较大的粗骨料，颗粒间分子引力小而使其结合水厚度小，结合力差(不及黄土和石灰的亲水性)。说明加入钢渣可以优化其水敏感性。

图1 不同含水率的试样干密度

2.2 不同饱水时间后的抗压强度试验及分析

路基回填土通常高于地下水位，地下水通过毛细作用上升，在路基上部蒸发失水，导致其含水率不断变化。为模拟这个变化过程，在水槽中铺设透水石，加水至透水石顶面下约1 mm并保持水槽平稳；然后在透水石上放一张滤纸(以防止转移时试样受损)，将试件置于滤纸上。试样在负孔隙水压力作用下，经过透水石从水槽中吸水，采用不同的吸水天数模拟自然环境中路基土的饱水时间。取三种不同龄期的试件，自然风干1 d，分别吸水不同天数后，测得无侧限抗压强度，分析不同龄期试件在不同饱水时间后的变化规律。水稳系数、强度损失计算公式[11]为

(1)

(2)

式中D——强度损失/%；

K——水稳定性系数/%；

R1——试件未浸水抗压强度/MPa；

R2——试件浸水后抗压强度/MPa。

结果分析如下：

(1)由图2可知，素土具有结构疏松、垂直节理和孔隙大等特性，水敏感性强，饱水2 d后试样的无侧限抗压强度变为0。其余试样随龄期的增加，无侧限抗压强度变大，说明抵抗水侵蚀的能力变得更好，呈现出水稳性逐渐增加的趋势；之后随饱水时间的增加，无侧限抗压强度均呈现先下降后趋于平缓的趋势，其中饱水1 d后的数据下降显著。

图2 不同养护龄期下试件强度曲线

(2)如图3，图4所示，三种配比的钢渣二灰土14 d时的水稳定系数比较：低配>高配>中配；强度损失比较：中配>高配>低配。说明此时试样内部的石灰粘结作用及钢渣的反应较慢，尚不充分。28 d时的水稳定系数比较：高配>中配>低配；强度损失比较：低配>高配>中配。说明随着养护龄期的增加，内部钢渣发生化学反应，强度变大；56 d时的水稳定系数：中配>高配>低配；强度损失：低配>高配>中配。说明在更长的龄期之后，试样中钢渣反应产生过量的f-CaO，游离氧化钙遇水反应膨胀，导致试样强度损失。因此，中配钢渣二灰土较高配钢渣二灰土遇水稳定性好。

图5 不同龄期试样无侧限抗压强度变化曲线

图3 不同龄期试样水稳定系数

图4 不同龄期试样饱水试验后强度损失曲线

(3)由图5可知，28 d后，试样各项指标增长趋势变缓，故接下来的干湿、冻融循环试验，皆取代表性的28 d龄期试样。

2.3 干湿循环后的抗压强度试验及分析

干湿循环试验装置与饱水试验相同，将龄期28 d的试样置于滤纸上，以“自然条件下风干48 h，吸水48 h”为干湿循环一次，吸水后把试件表面水擦干，测得不同循环次数后的无侧限抗压强度。干湿循环试验结果如图6所示，强度损失如表3所示。其计算公式为

(3)

式中Kn——经过n次干湿循环或冻融循环后抗压强度的损失程度；

Rn——经过n次干湿循环或冻融循环后的无侧限抗压强度/MPa；

R1——参照试样的无侧限抗压强度/MPa。

图6 无侧限抗压强度与干湿循环次数关系曲线

表3 不同干湿次数后土样的强度损失 %

结果分析如下：

如图6所示，试样在1次干湿循环后试样表面出现孔隙及细微的裂缝。随着循环次数的增加，试样中的易溶盐含量趋于稳定，强度的变化量逐渐减小，4次后基本不再变化。根据表3分析，前两次强度损失较明显，10次干湿循环后，钢渣二灰土的水稳性和强度损失均优于二灰土。掺量钢渣不同的三种钢渣二灰土损失比较:低配钢渣土<中配钢渣土<高配钢渣土。可以看出，低配钢渣二灰土抵抗干湿破坏能力较强。

2.4 冻融循环后的抗压强度试验及分析

冻融循环试验时，以“-20 ℃冷冻-室温融化”为冻融循环一次，测得不同循环次数后的无侧限抗压强度。冻融循环试验结果如图7所示，抗冻性指标如表4所示。强度损失和抗冻性指标的计算公式为

(4)

式中 BDRn——经n次冻融循环的试样的抗压强度损失系数/(%)；

RnDC——经n次冻融循环的试样的无侧限抗压强度/MPa；

RC——参照试样的无侧限抗压强度/MPa。

图7 无侧限抗压强度与冻融循环次数关系曲线

表4 不同冻融次数后土样的抗冻性指标 %

图7中，试样在冻融1次后强度有明显下降，但冻融损失幅度较干湿破坏小，循环5次后冰冻胶结和冻胀破坏的效果均减弱，无侧限抗压强度变化减小并趋于稳定；根据表4分析，钢渣二灰土的抗冻性能高于二灰土，表明钢渣的掺入可以提高抗冻性能，中配钢渣土冻融稳定性为最优。

3 结论

(1)钢渣二灰土相较于二灰土有更宽的最优含水率范围。因此，在实际工程中，其最优含水率的控制更为简单。

(2)饱水试验中六种不同试样的无侧限抗压强度均随龄期增大而提高，钢渣掺量大于30%之后，其抗压强度增长变平缓。

(3)在干湿循环和冻融循环后的无侧限抗压强度测试中，钢渣二灰土的遇水稳定性和抗冻性均优于二灰土。钢渣的掺入，使得试样折损程度减小，其抵抗干湿、冻融循环破坏的性能提升，但掺入过量钢渣试样的无侧限抗压强度增幅并不明显。因此，最佳钢渣掺入量为30%～50%之间，可最有效地激发钢渣在钢渣二灰土中的作用。

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