钢铁冶炼废料高炉渣的强度特性研究

王春林 （安徽省路桥工程集团有限责任公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

随着现代化建设进程的推进，我国早已成为世界第一钢铁生产大国，我国的冶炼钢铁大多采用高炉熔炼，此过程会产生大量的废弃物：高炉渣。有分析指出，在钢铁厂每炼1吨铁要产生0.3～1t高炉渣，如此数量庞大的炼铁废物如何处理成为各钢铁厂面临的大问题。从高炉渣的化学成分分析来看它主要由氧化钙和二氧化硅等组成，并不是一种环境污染物，甚至是可以再生利用的矿物质。为了充分处理如此大量的工业废物，目前我国已有大量关于高炉渣的应用实例，如以高炉渣为材料生产隔热材料矿棉、开发高性能矿渣水泥、开发仿玄武岩制品等，也可以用在工程建设领域如代替生产加工石料用于公路、机场、地基工程、铁路道渣、混凝土骨料和沥青路面等。在公路和铁路的路基填筑中大量应用高炉渣的例子已经很多。当用高炉渣填筑公铁路的高填方地段时，为了控制高炉渣填筑的路基、地基或边坡的稳定性，需要对其强度特性进行研究，由于高炉渣中的天然细颗粒含量较少，为了得到良好工程力学特性，一般要对其重新加工（解小颗粒粒径）或掺加细颗粒物质改良，如添加粉煤灰、粉质粘土等细颗粒物质。

本文以高炉渣适当添加粉煤灰为研究对象，在室内进行了大型剪切试验，以期得到粉煤灰改良高炉渣的剪切强度特性，为在实际工程中应用该改良物质提供理论支撑。

2 试样级配特性

高炉渣在钢铁冶炼过程中漂浮在铁水上面的浮渣，其颗粒内部会产生部分孔隙，这种孔隙率不是一个定值，不同的铁矿石原料会产生不同的数值，本试验以内蒙古包头钢铁厂所生产的高炉渣为试验材料，通过平均法测得其平均孔隙率近似为10.6%，其密度为2.537g/cm。

高炉渣在夯实过程中会产生颗粒破碎，其粗颗粒被击碎会产生一定量的细颗粒，本试验根据夯实效果分析拟添加粉煤灰的含量为2%。然后对纯高炉渣试样和粉煤灰改良高炉渣试样分别进行了颗粒分析试验，得到了两种试验试样的级配曲线如图1中曲线1所示，同时也得到了两种试验试样的颗粒组成指标，参照粗粒土颗粒分析指标规定，高炉渣的粗颗粒含量P为98.89。其不均匀系数C=2.38，曲率系数C=0.95。按照文献[6]中的相关规定，该高炉渣被归类为级配不良的巨粒混合土。

图1 高炉渣与填料试样的级配曲线

在实际工程施工中，会对高炉渣填料进行振动碾压和强夯以保证压实效果，本试验为模拟现场施工对高炉渣填料的影响，在室内实验室对添加2%粉煤灰后的高炉渣混合料进行重锤夯实后，再进行颗粒分析试验，得到了粉煤灰高炉渣混合料试样的级配曲线如图1的曲线2所示，该做法可以有效地模拟现场施工时填料的工况，试验得出混合料的粗颗粒含量P为87.58，不均匀系数Cu为6.58，曲率系数Cc为1.29，按照文献[6]中的相关规定，重锤夯实后的粉煤灰改良高炉渣混合料试样被判定为级配良好的砾类土。该结果表明，高炉渣经施工现场重型压实设备碾压后，其级配组成也由级配不良的巨粒土变为级配良好的砾类土。可以较好地用于填筑高速公路、铁路、机场等高等级工程项目路基或基础。

3 试验仪器与试验方案

3.1 仪器简介及制样方法

大型结构面剪切仪（简称大型直剪仪）进行的直接剪切试验即大型剪切试验，能适用于颗粒较粗土样的剪切试验。试验所用的大型直剪仪为应力与应变双控式大型直剪仪，如图2所示。本次剪切试验采用了应变控制式，直剪速率为2mm/min。剪切盒为长方体型，其尺寸为：高×宽×长=200×400×600mm（下剪切盒高度为100mm，上剪切盒高度为110mm，装样时预留约10mm用于放置法向加载板）。此直剪仪适用于最大粒径为60mm的试样。大型直剪仪法向加载板上有竖向位移传感器，在试验过程中通过读取竖向位移传感器的竖向位移数据来分析剪切试验中的剪缩与剪胀。

图2 大型直剪仪

试验土样的颗粒组成指标 表1

当采用大型直剪仪进行直剪，由于高炉渣本身作为一种工业废料在倾倒过程中其颗粒分布具有不确定性（即扰动性），所以本试验的试样制备方法也采用扰动法制样。在制备试样时，直接向剪切盒倾倒试样会存在粗细颗粒不均匀甚至发生一定程度的离析，为避免离析情况发生给试验数据造成不准确的影响，试验采取按直剪仪剪切盒的高度分三次装填试样，每次先装填三分之一的高炉渣粗颗粒，再装填细颗粒，然后捣实，反复3次直到装满剪切盒为止，在装填试样接近剪切盒顶部时，要预留1cm的高度空间用于放置剪切盒上部盖板。通过粗细颗粒分层加入和捣实可以有效地避免粗细颗粒离析，能够保证了剪切面均匀，使试验得到的数据更加真实且有效。

3.2 试验方案

本试验的主要目的是了解粉煤灰改良高炉渣混合料经夯实后的抗剪强度指标和混合料的水稳定性。试验时分别对干料（烘干）及湿料进行了剪切试验，试验时每次装样方法及捣实工艺相同，试验时分两种情况，一种是干料，即填料在烘干状态进行剪切试验；一种是湿料，其含水量约为8%。干料与湿料在剪切试验时试样的干密度均约为1.78 g/cm。

4 试验结果分析

4.1 抗剪强度参数特性分析

剪切试验结果分别如表2与图3～图4所示。从两种试样的试验结果可以看出，水对这种粉煤灰改良高炉渣混合料剪切强度的影响很小，几乎可以忽略不计，这说明该种混合料具有良好的水稳定性，分析其原因，主要是因为该种混合料中粗颗粒的含量对混合料的剪切强度起主要作用。最主要的还是以粗颗粒之间的摩擦力和咬合力为主。

剪切试验结果 表2

图3、图4为两种不同含水量混合料的抗剪强度与垂直压力关系曲线，可以看出，法向应力150kPa为分界点，当小于150kPa时，曲线的斜率较大，当小于150kPa时，曲线的斜率较小。将两种斜率的曲线分别延长，可以看出当法向应力小于150kPa，抗剪强度中的粘聚力c值为负值，当法向应力大于150kPa，抗剪强度中的粘聚力c值为正值，但是我们知道该混合料是几乎不存在黏性的，出现的粘聚力一定为某种近似力所致，由于混合料中的粗颗粒较多，可以判断出该粘聚力为粗颗粒之间的咬合力所致，即表现出较大的咬合黏聚力。

图3 干料的抗剪强度与法向应力关系

图4 湿料的抗剪强度与法向应力关系

由此可知，粉煤灰改良高炉废渣混合料的咬合黏聚力出现的临界法向应力值为150kPa。

4.2 剪胀性分析

在剪切试验进行的过程中，会发生剪胀现象，这种现象表现为剪切盒前口会发生张开（如图5所示），这种现象发生在剪切位移大约为2cm之后，为了了解该混合料剪切试验的剪胀性，通过对垂直压力加载板的竖向位移进行测定，测试结果如图6所示。可以看出，在剪切位移约为2cm之前，垂直压力加载板向下发生了位移，法向应力越大，向下的位移越大，当法向应力达到500kPa时，其向下的位移可以达到约1mm。当剪切位移超过2cm之后，垂直加载板开始发生向上的位移，表现为法向应力越小，向上的位移越大。这说明粉煤灰改良高炉渣剪切试验是先发生减缩，再发生剪胀，法向应力越大，减缩量越大，法向应力越小，剪胀量越大。

图5 剪切盒张开

图6 干料试验时垂直加载板竖向位移与的剪切位移关系

之所以发生减缩现象是由于粗颗粒的相互嵌挤作用，而剪胀现象是由于剪切面粗颗粒发生翻滚和翻越作用所致。剪切试验的剪切面是一个复杂颗粒相互作用面。这种相互作用表现为粗颗粒之间发生着嵌挤、压碎、错动、翻滚、剪断等，其中颗粒相互嵌入、压碎可认为导致试样体积减小；颗粒错动、翻滚可认为导致试样体积增大；颗粒剪断可认为试样体积基本不变。

在剪切试验过程中，在不同法向应力作用及不同的剪切位移阶段，颗粒的主要作用形式不同，其中颗粒剪断占主要作用形式一般发生在大竖向压力作用下与较大剪切位移的情况下。从图6可以看出，当法向应力在150kPa之上时，垂直加载板竖向位移比法向应力为150kPa时小得多，竖向位移在法向应力为50kPa和150kPa时较为接近。可以断定，法向应力在150kPa之上时，混合料的体积发生变化较小，剪切面主要以粗颗粒剪断为主，伴随剪胀量也比较小。

5 结论

粉煤灰改良高炉渣混合料剪切试验结果表明：混合料具有良好的水稳定性；混合料在法向应力值大于150kPa时产生咬合黏聚力；在剪切试验过程中先发生减缩，再发生剪胀，法向应力越大，减缩量越大，法向应力越小，剪胀量越大；法向应力在150kPa之上时，混合料的体积发生变化较小，剪切面主要以粗颗粒剪断为主，伴随剪胀量也比较小。本试验结果可为相关利用高炉渣的实际工程提供理论支撑。