力学特性试验研究

废钢渣与黏土的混合土材料力学特性试验研究摘要:目的了解废钢渣与黏土的混合土材料的力学特性，为废钢渣在黏土地基处理中的应用提供理论依据。方法通过分析废钢渣的矿物成份、理化性能，提出了用废钢渣作为主要地基处理材料的设想；并且根据废钢渣与黏土的混合土的三轴压缩，研究废钢渣及其混合物的力学特性。结果总结出废钢渣与黏土的配合比及龄期的变化对混合土力学性质影响的基本规律，废钢渣与黏土的混合土材料的粘聚力、内摩擦角、最大主应力差、初始弹性模量均较大，所以采用废钢渣对黏土搅拌压实后，处理后的土体与自然土体相比较，可有效地提高地基的承载能力、降低基础的沉降量。结论废钢渣可以作为一种环保型地基改良材料应用到软土地基处理中去，从而维持建筑物的长期使用性能。关键词:废钢渣；力学特性；三轴压缩试验；循环利用0引言加强环境保护和资源有效利用是当今世界主题，钢渣作为钢铁工业的主要副产品之一，是炼钢过程中产生的废渣，数量约为钢产量的15%一20%[1]，钢渣作为一种废弃资源如何科学有效地综合利用、变废为宝、应用到土木工程建设中是一项重要的课题。对于废钢渣的矿物成份、理化性能及其基本力学特性，国内外许多学者都已经进行了大量研究，同时取得了大量的研究成果。对于工业废钢渣的再利用上，在诸如日本美国等发达国家，废钢渣已充分应用到工程建设中，其回收率基本达到100%。而我国对于废钢渣的回收再利用上只有国外的一半左右，研究深度和广度不够，资源流失比例仍然不小。本文主要通过分析废钢渣的矿物成份、理化性能，提出了用废钢渣作为主要地基处理材料的设想；并且根据废钢渣与黏土的混合土的三轴压缩，研究废钢渣及其混合物的力学特性，为废钢渣在软土地基处理中的应用提供理论依据；再通过进一步的分析废钢渣在处理软土地基中的作用机理、作用效果以及合理的应用形式，综合论证废钢渣在可以作为一种环保型地基改良材料应用到软土地基处理中去，通过对基础下部的软土层进行整体或局部地基处理，以提高地基的承载力，降低基础的沉降量，从而维持建筑物的长期使用性能。根据各种分析及试验所得出的数据表明，废钢渣可以作为一种环保型材料应用到软土地基处理中去。不仅达到环境保护的目的，也可以在本地区乃至我国取得良好的经济和社会效益。同时，本课题的实施将为复合地基的发展做出巨大贡献，在岩土工程理论与实践的发展等方面上有着重要意义。1材料的物理化学性质及试件制作由于化学成分及冷却条件不同造成钢渣外观形态、颜色差异很大。具体见参考文献[17]本文未对所采用废钢渣的化学成分进行具体分析。由于原矿石成分、制作工艺等原因，废钢渣的化学成分有所变化，其力学特性也稍有变化。根据日本废钢渣协会的统计结果[15-16]，其主要化学成分为CaO、SiO2、T-Fe、MgO、Al2O3，各矿物质成份的平均含量如表[17]。无论是水淬高炉渣，还是制钢渣都具有较强的水硬性。并且由于CaO的影响，与水反应，废钢渣的PH值可达到10-12，采用废钢渣进行地基处理，一方面可以提高地基承载力，同时达到基础防腐的目的。表2废钢渣与黏土的混合土材料试样制备比例配合比废钢渣质量/kg黏土质量/kg掺水量/mLGc100—7.52000Gc801.56.02000Gc603.04.52000Gc404.53.02000本实验中的试料采用鞍山钢铁公司制钢渣与黏土混合制成。废钢渣与黏土的混合土材料三轴压缩试验根据围压σ3（50kPa、100kPa、150kPa）、养护龄期D（1d、3d、7d）、试块的配合比（Gc100、Gc80、Gc60、Gc40）的不同进行分类（注：Gc100、Gc80、Gc60、Gc40分别代表黏土占固体材料的含量为100%、80%、60%、40%），具体见表2。但是考虑到黏土的蠕变特性（应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象），以及黏土受含水率影响很大等因素，所以100%纯黏土只进行养护龄期为一天（D=1d）的三轴压缩试验，共计30种组合条件。由于试料颗粒组成较为均匀，具有普遍的代表性，而且经过先期试验摸索比较，发现试验的精度与可再现性很强，故在同一种条件下实施3组三轴压缩试验，总计90组试验。具体实验方案见表3。表3废钢渣与黏土的混合土材料三轴压缩试验方案配合比D=1dD=3dD=7dσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaGc100√√√——————Gc80√√√√√√√√√Gc60√√√√√√√√√Gc40√√√√√√√√√分别称取一定质量的废钢渣和黏土，充分搅拌混合后，加入2000ml水，再次搅拌均匀。将搅拌均匀的混合料分四层装入直径为39.1mm，高度为80mm的击实筒内分层击实，每20mm层深击一次，每次击10下，锤击高度约为20cm。然后将试样两端削平，取出试样，称重，装入托盘放置于塑料薄膜内进行养护。为了确保实验精度，对试块质量进行抽样检查，检查比例约为总制作试块的1/3，以保证同组试块中的各试块间的质量误差小于±1g。废钢渣与黏土的混合土材料三轴压缩试验所用试样制备完成后，考虑到黏土的蠕变特性（应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象），以及黏土受含水率影响很大等因素，装入托盘放置于塑料薄膜内进行养护。养护龄期D分别为1天、3天、7天（1d、3d、7d）。试样在各龄期下的物理参数见表4。表4废钢渣与黏土的混合土材料试样各龄期下的物理参数配合比平均干密度/（g·cm-3）平均含水量（D=0d）/%平均含水量（D=1d）/%平均含水量（D=3d）/%平均含水量（D=7d）/%Gc1001.6320.4320.24——Gc801.6222.4322.3922.2321.40Gc601.6521.8721.6020.9220.28Gc401.6325.6525.3824.4222.96由于试块制作过程中，严格控制试块的质量、密实度、垂击高度和垂击数，并且所有试块掺水量相等，所以在一定体积下不同配合比的试块密度、含水量都变化不大。本实验中所用废钢渣经筛分后，最大粒径小于4.00mm，粒径小于1mm的占80%以上，含土量占6%左右。采用该种废钢渣试料进行其与黏土混合材料的力学实验分析，具有较高的代表性。所采用的废钢渣粒径分布见图参考文献[17]。为了减少试样的差异，采用了重塑黏土试样。土样取自沈阳市浑南新区雍熙金园的深基坑工地，为了减少试验土样之间的差异，本次取样采用抓勾机挖取，为5—8米之间的粉质粘土层，在同一斗内切取大块土样，以保证试验土样的均匀性。然后，用木锤在实验室内敲碎所取的大块土样，将敲碎的土样放置烘箱内，在温度110ºC下经历24小时进行烘干，使用石碾将烘干后的黏土土样粉碎，再经过人工筛分，取粒径2mm以下的土颗粒，颗粒组成较为均匀，具有普遍的代表性。其中，黏土的液限wL=21.06%，塑限wP=16.19%。本实验采用应变控制式三轴剪切渗透试验仪,仪器的基本组成见参考文献[17]。2实验数据分析本文通过对废钢渣与黏土的混合土材料的三轴压缩试验数据进行整理、统计，分别从主应力差、弹性模量、粘聚力c、内摩擦角φ几方面进行分析。2.1主应力差-轴向应变关系、初始弹性模量的分析通过对废钢渣与黏土的混合土材料的三轴压缩试验数据进行整理，绘出主应力差-轴向应变关系曲线。现从中取出3组关系曲线进行举例分析说明。第一组：相同配合比、龄期，不同围压的比较。Gc80,D=1d不同围压的比较。其中①、②、③分别代表σ3=50kPa、100kPa、150kPa,如图3所示。第二组：相同围压、龄期，不同配合比的比较,σ3=100kPa,D=1d不同配合比的比较。其中①、②、③、④分别代表Gc100、Gc80、Gc60、Gc40,如图4所示。第三组：相同围压、配合比，不同龄期的比较,σ3=100kPa,Gc60不同龄期的比较,其中①、②、③分别代表D=1d、3d、7d,如图5所示。③②③②①ε/（%）(σ1-σ3)/kPa图3Gc80D=1d不同围压③②①ε/（%）(σ1-σ3)/kPa④图4σ3=100kPaD=1d不同配合比ABABε/（%）度包线(σ1-σ3)/kPa(σ1-σ3)maxGs80D=1dσ3=50kPa③②①图5σ3=100kPaGc60不同龄期ε/（%）(σ1-σ3)/kPa图6割线弹性模量示例图根据龄期、围压、配合比的不同，由钢渣与黏土的混合土材料的主应力差-轴向应变关系曲线得出不同条件下的最大主应力差σ1-σ3，汇总数据见表5。表5：钢渣与的混合土材料（σ1-σ3）maxkPa配合比D=1dD=3dD=7dσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaGc10051.859.669.0——————Gc80114.9150.1203.8119.8165.7237.8127.8188.3252.9Gc60184.3308.2462.9190.6323.8483.6206.9366.5470.3Gc40170.1315.0533.5191.6341.8537.5202.3378.5536.5通过图3、图4、图5和表5可以看出，在配合比、D都相同时，随着σ3增加，（σ1-σ3）max显著变大；在σ3、配合比都相同时，随着D的增加，（σ1-σ3）max变化范围不大；在σ3、D都相同时，随着废钢渣掺入量的逐渐增加，（σ1-σ3）max逐渐变大。为了便于分析、说明问题，根据主应力差—轴向应变平均关系曲线，规定其极限主应力差的50%，对应地主应力差与相应应变值之比为割线弹性模量E50，即E50=A/B,其中A为极限主应力差的50%对应在纵向应力轴上的读数；B为极限主应力差的50%对应在横向应变轴上的读数。故笔者根据围压、配合比、龄期的不同，由各种条件下的废钢渣与黏土的混合土材料的主应力差—轴向应变平均关系曲线，分别计算出其在不同条件下的割线弹性模量E50。将计算所得出的所有割线弹性模量进行汇总，得出表6。并对E50进行分析比较，以明确采用废钢渣处理黏土的变形特性。 表6钢渣与黏土的混合土材料E50kPa配合比D=1dD=3dD=7dσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaσ3=50kPaσ3=100kPaσ3=150kPaGc1000.670.831.08Gc801.581.821.731.821.772.461.742.073.13Gc605.024.397.014.694.785.756.726.716.35Gc405.494.749.015.795.519.005.475.978.19由表6可以看出，在σ3、配合比都相同时，由于废钢渣与黏土的混合土材料试块在养护过程中，水份挥发得到很大程度地限制，所以随着D的增加，E50具有变大范围不大；在σ3、D都相同时，随着废钢渣掺入量的逐渐增加，E50逐渐变大。而在配合比、D都相同时，随着σ3增加，E50逐渐变大。具有与一般土体随着深度的增加弹性模量逐渐增大，而随着土体深度的进一步加深，其弹性模量趋于定值的相同性质。2.2粘聚力才c、内摩擦角φ的分析粘聚力c、内摩擦角φ是用来衡量土的抗剪强度的重要物理参数，故根据对废钢渣与黏土的混合土材料的三轴压缩试验数据进行整理，绘出全部强度包线，现从中取出2组强度包线分析说明。第一组：相同配合比，不同龄期的比较（如图7中a、b、c、所示）。第二组：相同龄期，不同配合比的比较（如图7中d、e、f、g所示）。(b)Gc80D=3d抗剪强度包线(a)Gc80D=1d抗剪强度包线(b)Gc80D=3d抗剪强度包线(a)Gc80D=1d抗剪强度包线(d)Gc100D=1抗剪强度包线(c)Gc80D=7d抗剪强度包线(d)Gc100D=1抗剪强度包线(c)Gc80D=7d抗剪强度包线(f)Gc60D=1d抗剪强度包线(e)Gc80D=1d抗剪强度包线(f)Gc60D=1d抗剪强度包线(e)Gc80D=1d抗剪强度包线(g)Gc40D=1抗剪强度包线(g)Gc40D=1抗剪强度包线图7：抗剪强度包线为了更直观、准确地观察出c和φ的变化，由钢渣与黏土的混合土材料的抗剪强度包线得出的在不同条件下的c和φ，将其数据汇总见表7。表7钢渣与黏土的混合土材料粘聚力c、内摩擦角φ配合比D=1dD=3dD=7dc/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)Gc10020.05Gc8022.21818.52221.723Gc609.4366.43719.736Gc402.9392.3398.439由表7、图7可以看出，D相同，在黏土中掺入少量废钢渣，c变化不大、φ迅速变大；而随着废钢渣掺入量进一步增加，具有c逐渐减小、φ逐渐变大的趋势。在配合比都相同时，由于废钢渣与黏土的混合土材料试块在养护过程中，水份挥发得到很大程度地限制，随着D的增加，c和φ都变化不大。综上所述，依照废钢渣与黏土的混合土材料的三轴压缩试验结果，根据对由主应力差—轴向应变平均关系曲线所得到的(σ1-σ3)max、E50、抗剪强度指标c与φ所进行的比较分析，可以看出随着黏土中废钢渣掺入量的增加，E50在逐渐变大。所以，采用废钢渣对黏土搅拌压实后，处理后的土体与自然土体相比较，弹性模量得以增大、压缩性得以降低，可一定程度上降低基础的沉降量。另外，随着黏土中废钢渣掺入量的增加，c逐渐减小、φ逐渐变大，并参照表7，可以说明采用废钢渣对黏土搅拌压实后，处理后的地基土的承载能力将有一定地提高。3.结论笔者对废钢渣与黏土的混合土材料进行大量物理力学性质试验，对其物理力学特性进行分析和研究，明确采用废钢渣进行地基处理的适宜性。由试验结果得出，在一定的掺和量范围内，并保证废钢渣的水稳定性的前提下，废钢渣与黏土的混合土材料具有以下特性：（1）采用废钢渣对黏土搅拌压实后，E50逐渐增大，压缩性逐渐降低，变形逐渐减小；（2）采用废钢渣对松软黏土搅拌压实后，处理后的地基土的承载能力将有所提高；（3）废钢渣可以作为一种环保型材料应用到黏土的地基处理中，以提高地基承载力。本文仅从室内试验的角度，研究了废钢渣与黏土的混合土材料的力学特性，而且，在室内试验中，各试料中水的掺入量为一定，水掺入量对该混合体材料的影响尚需进一步研究。另外，由于钢渣有效钙成分含量较高，掺具有一定塑性指数的黏性土是地基处理应用研究的一个主要方向，废钢渣与黏土的混合土材料的物理力学特性，将在下一步的试验中研究分析。而如何将废钢渣实际应用于地基处理中尚需大量现场试验与理论分析研究。参考文献：[1]董保澍.固体废物的处理与利用(第2版)[M].北京:冶金工业出版社，1999.[2]单志峰.国内外钢渣处理技术与综合利用技术的发展分析[J].工业安全与防尘，2000.(2):27.[3]H.Y.Poh，GurmelS.Ghataora，NizarGhazireh.SoilStabilizationUsingBasicOxygenSteelSlagFines[J].JournalofMaterialsinCivilEngineering©ASCE，2006.18(2):230-240.[4]CaijunShi.SteelSlag—ItsProduction，Processing，Characteristics，andCementitiousProperties[J].JournalofMaterialsinCivilEngineering©ASCE，2004.16(3):230-236.[5]王琳，孙本良，李成威.钢渣处理与综合利用[J].冶金能源，2007.26(4):54-57.[6]张继香，李启令，徐莉，等.钢渣代砂建筑砂浆的性能研究[J].建筑材料学报，2006.9(5):623-626.[7]贺蔚波.钢渣挤密桩处理地基[J].湘潭大学自然科学学报，2001.23(4):106-108.[8]徐红江，付贵勤，朱苗勇.钢渣膨胀性的实验[J].环境工程，2006.24(6):62-64.[9]龚晓南.复合地基设计和施工指南[M].北京:人民交通出版社，2003.8.[10]李伟，竹内谨治，山本春行.一种筏板与柱形及外围墙式地基改良相结合的复合基础[P].中华人民共和国国家知识产权局.0090253.3.2007[11]H.Yamamoto，W.Li.Anewraftfoundationsystemwithshallowsoilimprovement[C].CollaborationandHarmonizationinCreativeSystems-Hara(ed.)©2005Taylor&FrancisGroup.2005.9:797-804.[12]WeiLi，KinjiTakeuchi，HaruyukiYamamoto.Parametricfiniteelementanalysisoflimepilecompositeground[C].RecentDevelopmentsofGeotechnicalEngineeringinSoftGround.2005.10:350-357.[13]WeiLi，FengLi，KinjiTakeuchi，etal.NumericalAnalysisonaNewFoundationSystemwithColumniformSoilImprovement[C].NewFrontiersinChineseandJapaneseGeotechniques.2007.11:344-352.[14]李伟.一种复合式建筑基础[P].中华人民共和国国家知识产权局.0153524.5.2007[15]日本废钢渣协会西日本支部.废钢渣作为土木工程用材料的技术资料[R].日本废钢渣协会西日本支部.1983.[16]日本废钢渣协会.废钢渣的特性与实用性[R].日本废钢渣协会.1996.[17]李伟.废钢渣与砂土的混合土材料力学特性试验[J].沈阳建筑大学学报.Teststudyonthemechanicscharacteristicsofsoilsmixedbysteelslagandclay(1.ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang,Liaoning,China,110168;2.LiaoNingBuildingScienceResearchInstitute,Shenyang,Liaoning,China,110005)Abstract:Investigatethemechanicscharacteristicofsoilsmixedbysteelslagandclay,andprovidethetheorybasisforsteelslagonclaygroundtreatment.Bringforwardtheideathatthesteelslagasamaterialcanbeusedonthegroundtreatmentbyanalyzingthemineralcomposition,physicalandchemicalpropertiesofsteelslag.Meanwhile,basedonthetri-axialcompressiontest,weinvestigatethemechanicscharacteristicofthesoilmixedwithsteelslagandclay,andprovidethetheoreticalbasisforthest