基于大型直剪試驗的高爐礦渣粉煤灰混合料力學(xué)特性研究

劉香+吳成龍+許有俊+孫國棟+陳彬

摘要：依托包鋼新體系2 250 mm熱軋車間的地基處理工程對混合料的力學(xué)特性進行研究；借助大型直剪儀對不同圍壓和含水率的混合料進行直剪試驗，分析了混合料在不同條件下的抗剪強度、力學(xué)參數(shù)以及從混合料剪切“翻滾跳躍”現(xiàn)象的角度對相應(yīng)的剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線上下波動情況進行分析；通過線性回歸分析得到含水率與粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線。結(jié)果表明：當(dāng)含水率相同時，隨著法向應(yīng)力的增加，混合料的抗剪強度峰值逐漸增大；相同法向應(yīng)力作用下，隨著含水率的增加，混合料的抗剪強度逐漸降低；隨著含水率的增加，粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角逐漸降低，并且含水率的變化對粘結(jié)力的影響程度較內(nèi)摩擦角大；當(dāng)剪切位移處于試樣長度的1/60～1/10時，剪切“翻滾跳躍”現(xiàn)象最為明顯，相應(yīng)的剪應(yīng)力剪切位移曲線所出現(xiàn)的上下波動幅度也最大。

關(guān)鍵詞：高爐礦渣；粉煤灰；大型直剪試驗；力學(xué)特性

中圖分類號：TU521.4文獻標(biāo)志碼：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

高爐礦渣是在高爐冶煉生鐵過程中產(chǎn)生的一種固體廢棄物，其主要化學(xué)成分為SiO2，Al2O3，CaO，MgO，MnO，F(xiàn)eO等，其中CaO，SiO2，Al2O3占質(zhì)量的90%以上。由于煉鐵原料的成分、種類以及冶煉技術(shù)的差異，使得高爐礦渣的組成不盡相同。高爐礦渣按冶煉生鐵的品種可分為鑄造生鐵礦渣、煉鋼生鐵礦渣和特種生鐵礦渣，按照高爐礦渣的堿性率可分為堿性礦渣、中性礦渣和酸性礦渣。粉煤灰一般是指燃煤電廠從煙道氣體中收集的細灰，其主要組成為O，Si，Al，F(xiàn)e等元素構(gòu)成的氧化物。由于煤的灰量變化有很大差異，并且這一差異不僅存在于不同地點、不同的煤礦中，即使在同一煤礦中的不同煤層也有很大的差異，這就直接導(dǎo)致了粉煤灰的組成成分含量的不同。截至2012年，中國高爐礦渣產(chǎn)量為2.21×108 t，利用率約為78%，日本、德國等很多國家已做到了99%～100%的利用率[12]。早在1992年美國利用高爐礦渣作為路基填料的鐵路已達8條，并且美國還將高爐礦渣用作堿性骨料在建筑行業(yè)中進行廣泛應(yīng)用[3]。2009年，游潤衛(wèi)[4]對鋼渣在路基工程中的應(yīng)用進行了試驗研究，結(jié)果表明鋼渣路基路面彎沉值與砂礫路段路面彎沉值結(jié)果基本接近且滿足工程設(shè)計要求。王高峰等[5]根據(jù)試驗結(jié)果論述了重礦渣用于回填、道路基層、混凝土集料等的可行性，證明高爐礦渣可以取代砂石。熊南杰等[6]介紹了高爐重礦渣在地基處理中的應(yīng)用，并且從其強度、剛度及耐久性方面進行了研究分析，結(jié)果表明高爐礦渣與天然素土相比具有一定的特殊性，在進行設(shè)計時應(yīng)考慮渣體發(fā)熱升溫及渣體的特性等因素。

大型直剪試驗是以摩爾庫侖強度理論為基礎(chǔ)，用來測量土體抗剪強度指標(biāo)的一種方法。它具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、固結(jié)時間短等優(yōu)點。此外，直剪試驗中試樣的變形狀態(tài)與許多實際工程問題較為接近。因此，許多專家學(xué)者利用大型直剪試驗對粗粒土、土石混合材料等進行抗剪強度試驗。文獻[7]采用大型直剪試驗獲得千枚巖殘坡積土的有效控制密度、干密度和含水率條件下?lián)魧嵧翗拥姆逯祻姸群蜌堄鄰姸?，計算結(jié)果更為科學(xué)合理。文獻[8]針對3種不同粒徑的碎石集料進行不同垂直壓力下的室內(nèi)大型直剪試驗，分析了直剪條件下碎石材料的力學(xué)性能。文獻[9]采用美國Geotest公司生產(chǎn)的大型直剪儀，并基于正交設(shè)計方法開展了一系列土石混填體室內(nèi)大型直剪試驗研究，進而確定出不同因素對土石混填體抗剪強度有何影響及影響程度，為此類受多因素、多水平影響的試驗研究提供了一種新的思路。

鑒于上述內(nèi)容可知，高爐礦渣的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛并取得了良好的社會經(jīng)濟效益，但是高爐礦渣用于工業(yè)建筑地基處理的成功工程案例較為罕見，主要原因是工程設(shè)計人員、科研單位對高爐礦渣的工程特性認識不足[10]，導(dǎo)致高爐礦渣作為地基填料的工程實踐與理論研究成果少之又少，這些因素進一步限制了高爐礦渣在建筑地基處理工程中的應(yīng)用。因此，本文依托包鋼新體系2 250 mm熱軋車間地基處理工程，并在成熟的大型直剪試驗、理論基礎(chǔ)之上，對應(yīng)用于處理包鋼新體系不良地基的高爐礦渣粉煤灰混合料進行力學(xué)特性研究，試驗成果可為包鋼高爐礦渣應(yīng)用于工業(yè)、建筑地基、道路基層等方面提供理論基礎(chǔ)。

1高爐渣粉煤灰混合料的大型直剪試驗1.1試驗設(shè)備

試驗設(shè)備采用同濟大學(xué)地下建筑與工程系巖土實驗室的大型結(jié)構(gòu)面剪切儀，如圖1所示。該設(shè)備由液壓油泵系統(tǒng)、豎向和水平向加載系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)及加載組件等構(gòu)成。剪切盒的尺寸為600 mm×400 mm×210 mm，其中下盒高度為100 mm，上盒高度為110 mm，其主要技術(shù)參數(shù)為：豎向加載的最大荷載、最大位移及加載頻率分別為200 kN，圖1大型剪切儀和控制系統(tǒng)

Fig.1Largescale Shear Apparatus and Control System300 mm，0.1～1 Hz；水平加載的最大荷載、最大位移及加載頻率分別為200 kN，±75 mm，0.1～1 Hz。試驗時垂直壓力由液壓千斤頂施加，水平剪應(yīng)力則由液壓輪軸產(chǎn)生動力并經(jīng)下盒施加給土樣。試驗中剪切盒的位移和相應(yīng)的荷載均由高靈敏度電子傳感器（靈敏度為0.01 mm）測定；該設(shè)備可以對試驗過程進行動態(tài)控制，設(shè)置固定的水平剪切速度（一般速度設(shè)置為2 mm·min-1），整個試驗系統(tǒng)的傳感器和液壓加載系統(tǒng)均與計算機相連。

1.2試驗樣品

本文研究的試樣來源于由高爐礦渣與粉煤灰按照體積比5∶1進行混合回填，再將高爐礦渣粉煤灰混合料進行分層碾壓及強夯處理得到。每層虛鋪高爐礦渣厚度為500 mm，粉煤灰厚度為100 mm（壓實后每層厚度為0.5 m），并在分層碾壓厚度達到約5 m時進行強夯處理，以提高地基承載力。試樣取料數(shù)量為800 kg。

通過對試樣開展常規(guī)室內(nèi)土工物理性質(zhì)試驗，包括顆粒分析、密度、重型擊實試驗等，得到的物理性質(zhì)指標(biāo)有：最大干密度為2.01～2.07 g·cm-3；最優(yōu)含水率為8%；孔隙比在0.35～0.38之間；壓縮系數(shù)和壓縮模量分別為0.12 kPa-1和22 MPa。根據(jù)《土工試驗規(guī)程》（SL 273—1999）[11]中的相關(guān)規(guī)定，試驗前剔除粒徑大于60 mm的顆粒，得到顆粒級配曲線如圖2所示，其中α為小于某粒徑的試樣質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比。

圖2顆粒級配曲線

Fig.2Particle Size Distribution Curve1.3研究內(nèi)容

（1）根據(jù)不同含水率和法向應(yīng)力條件下的剪應(yīng)力剪切位移（τs）關(guān)系曲線，研究含水率對混合料抗剪強度峰值的影響。

（2）根據(jù)不同含水率條件下的法向應(yīng)力剪應(yīng)力關(guān)系曲線，通過線性回歸分析計算確定混合料的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角。

（3）根據(jù)（1），（2）中得到的試驗數(shù)據(jù)，進一步分析含水率與粘結(jié)力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線。此外，對三者之間的變化進行線性回歸分析。

（4）通過對大量的τs試驗數(shù)據(jù)進行分析處理得到Δτ/（Δsτmax）s曲線（其中，Δτ=τn+1-τn，Δs=sn+1-sn，n為加載級次，τmax為最大剪應(yīng)力），針對直剪試驗中存在的剪切“翻滾跳躍”現(xiàn)象進行解釋說明。2試驗結(jié)果分析

2.1剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線特性分析

不同含水率混合料直剪試驗的剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可以看出：

圖3剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線

Fig.3Relationship Curves of Shear

Stressshear Displacement（1）同一含水率條件下，隨著法向應(yīng)力的增加，混合料的抗剪強度峰值逐漸增大，總體趨勢明顯，同時應(yīng)力增大過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定的上下波動情形。

（2）通過對比圖3（a）～（c）可以發(fā)現(xiàn)，相同法向應(yīng)力（50，100，150，275，500 kPa）作用下，隨著含水率的增加，混合料的抗剪強度逐漸降低。在法向應(yīng)力較小時，抗剪強度峰值不明顯，為弱硬化型；在較高法向應(yīng)力下出現(xiàn)明顯的抗剪強度峰值，呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化特性。

（3）不同含水率和不同法向應(yīng)力作用下混合料直剪試驗的剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線形態(tài)基本一致，可以比較明顯地分成3個階段，即壓密階段、局部剪切階段、剪切破壞階段[12]。由圖3還可以看出：當(dāng)剪切位移在0～10 mm之間時，剪切位移與剪應(yīng)力呈線性關(guān)系（壓密階段），具有一定的應(yīng)力硬化現(xiàn)象；隨著剪切位移的持續(xù)增大，剪應(yīng)力增長趨勢變緩，當(dāng)剪切位移在60～70 mm（試樣長度的1/10～1/8）時達到抗剪強度峰值（局部剪切階段）；剪應(yīng)力峰值過后，此時的剪切面范圍內(nèi)各點的剪切力超過混合料的抗剪強度，抗剪強度主要來源于剪切破壞面的摩擦力，而剪切變形主要是由于粒徑較大的高爐礦渣在剪切過程中的錯動、翻轉(zhuǎn)及破碎引起的。

2.2抗剪強度參數(shù)的確定和回歸分析

在已有試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過整理、分析得到在不同含水率情況下剪應(yīng)力法向應(yīng)力的線性回歸曲線，如圖4所示。由圖4可知：在不同含水率情況下的粘結(jié)力分別為61.551，61.529，51.191 kPa；內(nèi)摩擦角分別為55.044°，52.570°，51.842°。由此可見，隨著含水率的增大，混合料的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角逐漸降低但降低幅度較小。同時，剪應(yīng)力和法向應(yīng)力相關(guān)性良好，得到的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角可靠性較高。擬合得到的剪應(yīng)力法向應(yīng)力回歸關(guān)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%分別為含水率0%，8%，13%時的剪應(yīng)力；σ為法向應(yīng)力；R為相關(guān)系數(shù)。

圖4剪應(yīng)力法向應(yīng)力擬合曲線

Fig.4Fitting Curves of Shear Stressnormal Stress此外，為了深入研究含水率對強度參數(shù)的影響規(guī)律，通過非線性回歸的方法得到如圖5所示的粘結(jié)力、內(nèi)摩擦角隨含水率變化的關(guān)系曲線。

圖5含水率與強度參數(shù)關(guān)系曲線

Fig.5Relationship Curves Between Moisture

Content and Strength Parameters由圖5可知：當(dāng)含水率為0%～8%時，含水率對粘結(jié)力影響較小，但隨后曲線急劇下降（幅值為10.36 kPa）且影響較大。一般無粘性的粗粒土是不存在嚴(yán)格意義上的粘結(jié)力的，或者僅有較小的由于土粒之間分子引力形成的原始假性粘結(jié)力[13]。在對高爐礦渣粉煤灰混合料的試驗中發(fā)現(xiàn)，混合料具有相當(dāng)大的粘結(jié)力，這主要是因為高爐礦渣具有不規(guī)則顆粒形狀，在擠壓密實狀態(tài)的條件下，粒徑較大的顆粒之間發(fā)生接觸時能夠互相嵌入，從而產(chǎn)生較為強大的機械咬合力；在外部振搗和荷載作用下，高爐礦渣顆粒表面的連通孔隙和粒間孔隙被粒徑較小顆粒和粉煤灰等得以填充，導(dǎo)致試樣更加密實，從而提高試樣的抗剪強度；此外，隨著含水率的增加，粉煤灰與水接觸后的膠結(jié)硬化作用增加了混合料的整體強度和密實度，且高爐礦渣的水穩(wěn)性良好，化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定且不會對混合料的抗剪強度造成較大影響。當(dāng)含水率較大且超過最優(yōu)含水率時，由于水分過多使得粉煤灰與水之間的膠結(jié)能力逐漸弱化，進而使得粉煤灰與高爐礦渣之間、高爐礦渣自身之間的粘結(jié)作用降低，甚至出現(xiàn)離析而導(dǎo)致粘結(jié)力快速降低。

從內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系曲線的總體趨勢來看，含水率對混合料的內(nèi)摩擦角影響較?。划?dāng)含水率在0%～8%區(qū)間時內(nèi)摩擦角略有增大；當(dāng)含水率在8%～13%時，內(nèi)摩擦角又逐漸減小到51.842°，這與文獻[14]，[15]中所得結(jié)論一致。含水率為8%時填料的內(nèi)摩擦角達到最大，這剛好是高爐礦渣粉煤灰混合料的最優(yōu)含水率，即當(dāng)含水率為最優(yōu)時，填料在同樣的壓實度下，密實度更高，增加了填料顆粒之間的聯(lián)鎖作用，從而增加了填料的內(nèi)摩擦角。

通過線性回歸分析得到的關(guān)于含水率ω與粘結(jié)力c、內(nèi)摩擦角φ的擬合關(guān)系式為

c=e4.12+0.02ω-0.003ω2

φ=e4+0.01ω-0.001ω2（2）

2.3混合料剪切“翻滾跳躍”現(xiàn)象分析

圖6為混合料直剪試驗的剪切過程。在直剪試驗中的剪切面往往不是一個理想的平面，如圖6（a）所示，加之高爐礦渣的顆粒直徑較大且形狀不規(guī)則，使得混合料在剪切過程中往往會伴隨著顆粒的錯動、翻轉(zhuǎn)及破碎等現(xiàn)象，如圖6（b）～（d）所示。對于剪切過程中的顆粒破碎、錯動、翻滾及跳躍等現(xiàn)象，董云等[16]結(jié)合土石混合體直剪試驗進行了一定的研究，但未結(jié)合相應(yīng)的應(yīng)力位移關(guān)系曲線的上下波動情況進行詳細研究。在此，本文將從混合料剪切“翻滾跳躍”現(xiàn)象的角度對相應(yīng)的應(yīng)力位移關(guān)系曲線的上下波動情況進行研究分析。

圖6混合料直剪試驗的剪切過程

Fig.6Shear Process of Direct Shear Experiment of Mixture根據(jù)文獻[12]中的分析方法對τs關(guān)系曲線的數(shù)據(jù)進行處理，得到的Δτ/（Δsτmax）s關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知：混合料的剪切“翻滾跳躍”現(xiàn)象不是從加載開始至剪切結(jié)束一直存在。當(dāng)剪切位圖7混合料Δτ/（Δsτmax）s關(guān)系曲線

Fig.7Relationship Curves of Δτ/（Δsτmax）s of Mixture移為0～10 mm時，Δτ/（Δsτmax）值在豎向圍壓的作用下驟然跌落，此時圖3中剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線的初始斜率較大且曲線近似呈直線。這表明在此區(qū)間內(nèi)混合料的剪切“翻滾跳躍”現(xiàn)象基本不明顯，這主要是因為在剪切盒的作用下，混合料逐漸被壓密且粒徑較大的高爐礦渣和粉煤灰結(jié)晶體發(fā)生彈性變形，在此剪切位移區(qū)間內(nèi)混合料尚處于剪壓狀態(tài)，尚未出現(xiàn)明顯的“翻滾跳躍”現(xiàn)象。當(dāng)含水率相同時，法向應(yīng)力越大，Δτ/（Δsτmax）s關(guān)系曲線的降低幅度越大。

當(dāng)剪切位移在試樣長度的1/60～1/10之間時，Δτ/（Δsτmax）值上下浮動范圍較大，同時剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線的波動相對較大且曲線斜率減緩，剪應(yīng)力呈逐步增大趨勢。由此說明，剪切面上粒徑較大的高爐礦渣、粉煤灰結(jié)晶體及尚未結(jié)硬的凝膠體因其在圍壓和剪切作用下而出現(xiàn)破碎、錯動等原因使得“翻滾跳躍”現(xiàn)象較為明顯，進而導(dǎo)致在剪切過程中的剪應(yīng)力剪切位移曲線出現(xiàn)曲折波動情況。通過對比圖7（a）～（c）還可知：含水率越低，剪切“翻滾跳躍”現(xiàn)象發(fā)生時的相應(yīng)剪切位移越大；隨著含水率的增大，剪切“翻滾跳躍”現(xiàn)象持續(xù)的時間變短，上下波動的幅度也減小，充分說明了水分對混合料的潤滑和粘結(jié)作用；同時，在含水率相同時，高圍壓下Δτ/（Δsτmax）s關(guān)系曲線的上下波動幅度明顯小于低圍壓的情況。

此后進入剪切破壞階段，Δτ/（Δsτmax）值變化浮動很小，表明此時混合料試樣的剪切“翻滾跳躍”現(xiàn)象趨于平穩(wěn)，同時也說明了剪切面的基本形成。此階段的剪應(yīng)力剪切位移曲線基本處于平緩階段，混合料的抗剪強度也主要是由剪切破壞面之間的摩擦粘結(jié)作用提供。同時，當(dāng)含水率相同時，低圍壓下的Δτ/（Δsτmax）值變化較高圍壓時大，反映出了低圍壓時的剪切破壞面平整性較差，而高圍壓的剪切破壞面相對平整。3結(jié)語

（1）由混合料的剪應(yīng)力剪切位移曲線分析可知，其抗剪強度與含水率及豎向圍壓之間存在著密切聯(lián)系。含水率相同時，隨著法向應(yīng)力的增加，混合料的抗剪強度峰值逐漸增大。法向應(yīng)力一定時，含水率的增加將導(dǎo)致混合料的抗剪強度逐漸降低。不同含水率和法向應(yīng)力作用下，剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線形態(tài)基本一致，可大致分為壓密階段、局部剪切階段、剪切破壞階段。

（2）通過線性回歸分析得到含水率與粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線及相關(guān)的擬合公式。分析表明，隨著含水率的增加，粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角逐漸降低，而且含水率變化對粘結(jié)力的影響程度較內(nèi)摩擦角大。

（3）基于Δτ/（Δsτmax）s關(guān)系曲線，從剪切“翻滾跳躍”現(xiàn)象的角度對剪應(yīng)力剪切位移曲線的上下波動現(xiàn)象進行分析，結(jié)果表明，當(dāng)剪切位移處于試樣長度的1/60～1/10時，剪切“翻滾跳躍”現(xiàn)象最為明顯，相應(yīng)的剪應(yīng)力剪切位移曲線所出現(xiàn)的上下波動幅度也最大。參考文獻：

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