鋼渣微粉改良膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)研究

袁明月，張福海，陳 翔，施海建

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)研究中心， 江蘇 南京 210098;3.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司, 江蘇 南京 210014)

鋼渣微粉改良膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)研究

袁明月1，2，張福海1,2，陳 翔3，施海建1,2

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)研究中心， 江蘇 南京 210098;3.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司, 江蘇 南京 210014)

鋼渣微粉是鋼渣加工產(chǎn)生的副產(chǎn)品，一直未被有效利用。Ca2+含量占40%～60%，考慮是否可以用來(lái)有效改良膨脹土。分別對(duì)膨脹土、素土和不同鋼渣微粉摻量的改良土進(jìn)行液塑限試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)，得到結(jié)論：鋼渣微粉的摻入使得膨脹土液限下降，塑限上升，且摻量大于3%時(shí)液、塑限符合路基規(guī)范要求；鋼渣微粉的摻入對(duì)于膨脹土強(qiáng)度具有很好的改良效果，且鋼渣微粉的最優(yōu)摻入比例為5%；鋼渣微粉對(duì)干濕循環(huán)后膨脹率的下降以及強(qiáng)度的增長(zhǎng)均有很好的改良效果。試驗(yàn)結(jié)果表明膨脹土通過(guò)鋼渣微粉的改良后符合工程規(guī)范要求。

膨脹土；鋼渣微粉；液塑限；剪切強(qiáng)度；干濕循環(huán)

膨脹土是由強(qiáng)親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石組成的特殊土，具有脹縮性、裂隙性、超固結(jié)性、遇水軟化和低滲透性[1]。正是這些特殊性決定了膨脹土需要經(jīng)過(guò)改良才能直接在工程實(shí)踐中運(yùn)用。目前，膨脹土改良方法分為物理類(lèi)和化學(xué)類(lèi)。物理類(lèi)的處理方法主要是考慮膨脹土的礦物組成，采取一定的技術(shù)手段全部或部分代替膨脹土中不良組成成分，改變膨脹土顆粒間組合，改善膨脹土的結(jié)構(gòu)方面特性，達(dá)到降低膨脹土脹縮性質(zhì)的目的[2-4]。化學(xué)類(lèi)的處理方法主要是在膨脹土中加入一定比例的石灰、水泥、石膏和水玻璃等具有活性的物質(zhì)，加入一定比例的改良劑后使得膨脹土中大量游離的鋁硅離子產(chǎn)生相互交換，并發(fā)生團(tuán)聚反應(yīng)和硬凝作用，養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間可較大的增加膨脹土的塑限，并且能夠很好地降低膨脹土的塑性指數(shù)，使得膨脹土的脹縮性得到改善[5-7]。鋼渣作為煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的廢料，其主要成分是Ca、Si、Fe、Mg、Al、Mn等氧化物，其中含量最多的是CaO和SiO2，分別占總量的40%～60%和13%～20%，而CaO可作為膨脹土改良的有效成分。另外，鋼渣微粉中有硅酸三鈣和硅酸二鈣等具有活性的物質(zhì)，并且這些物質(zhì)具有與水泥相似的水硬膠凝性，這就為鋼渣微粉改良膨脹土提供了另一個(gè)有力的論證[8-10]。

本文通過(guò)液塑限試驗(yàn)、自有膨脹率試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)對(duì)鋼渣微粉改良膨脹土的效果以及合理?yè)搅窟M(jìn)行研究，為鋼渣微粉改良膨脹土在工程上的應(yīng)用提供理論支持。

1 基本物理力學(xué)性質(zhì)

本文所用膨脹土取自南京高淳某路段，通過(guò)室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)得出土樣的基本物理性質(zhì)參數(shù)，見(jiàn)表1。鋼渣微粉取自南京鋼鐵廠，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。經(jīng)判斷所用土為高液限黏土，經(jīng)過(guò)自有膨脹率試驗(yàn)得自有膨脹率為57%，屬于弱膨脹。

表1 膨脹土基本物理性質(zhì)

表2 鋼渣微粉的化學(xué)成分

2 液塑限試驗(yàn)

液塑限作為判斷是否符合工程應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)之一，本文將按照鋼渣微粉摻量分別為0%、1%、2%、3%、4%、5%來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)得到改良效果。本次試驗(yàn)是將同一種摻量的土風(fēng)干并用木槌敲碎，拌勻，次天取土樣300 g并將試樣過(guò)0.5 mm的篩，根據(jù)液塑限聯(lián)合測(cè)定法來(lái)做液塑限試驗(yàn)[11]。得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同鋼渣微粉摻量下膨脹土液塑限

由圖1可見(jiàn)，隨著鋼渣微粉含量的增加，液限的數(shù)值降低，塑限增加，塑性指數(shù)在逐漸減小。這是因?yàn)殇撛⒎壑杏泄杷崛}、硅酸二鈣及鐵鋁酸鹽等具有活性的物質(zhì)，這些物質(zhì)具有與水泥相似的水硬膠凝性，當(dāng)土顆粒處于相對(duì)流動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，鋼渣微粉能夠與土顆粒充分膠凝，降低含水率，也就使得液限減小；而塑限之所以增加是因?yàn)樽匀唤缰叙ちＭǔ６紟в胸?fù)電荷，容易吸引周?chē)?yáng)離子形成反離子層，陽(yáng)離子的化學(xué)成分和離子濃度決定了擴(kuò)散層的厚度和結(jié)合水的數(shù)量以及性質(zhì)，而鋼渣微粉含有大量氧化鈣，水化生成的Ca(OH)2溶于水后，使得土顆粒周?chē)碾x子濃度增加，二價(jià)的Ca2+離子將膨脹土中單價(jià)的Na+和K+離子交換出來(lái)，降低結(jié)合水膜的厚度，減小膨脹土顆粒間的孔隙，使得膨脹土顆粒相互凝聚，引起塑性的變化，改善工程性質(zhì)。

經(jīng)過(guò)改良，改良土摻量3%、4%、5%所對(duì)應(yīng)的液限和塑性指數(shù)均符合公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范要求[12]。

3 自由膨脹率試驗(yàn)

自由膨脹率是反映膨脹土脹縮特性的重要指標(biāo)之一，反映膨脹土的膨脹潛勢(shì)的高低，同時(shí)也是反映膨脹土膨脹性質(zhì)最直觀的指標(biāo)，常作為膨脹土判別和分類(lèi)的指標(biāo)，以百分率表示。

本文將鋼渣微粉摻量按質(zhì)量比例控制為1%、2%、3%、4%、5%進(jìn)行設(shè)計(jì)，而養(yǎng)護(hù)齡期控制為7 d、14 d、21 d和28 d，將試樣放置在潮沙中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，分別進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)，并且平行測(cè)定，得到結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 改良土自由膨脹率隨鋼渣摻量變化

由圖2可知，對(duì)于鋼渣微粉改良劑，改良土的自由膨脹率隨著摻量的增加而降低。在摻量5%養(yǎng)護(hù)齡期28 d時(shí)，改良土自由膨脹率下降幅度最大，達(dá)到24.02%，遠(yuǎn)低于規(guī)范給出的膨脹土臨界自由膨脹率40%的標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明鋼渣微粉的加入對(duì)于膨脹土脹縮特性的改良效果良好，能夠達(dá)到工程應(yīng)用的條件。并且養(yǎng)護(hù)齡期21 d和28 d所對(duì)應(yīng)的曲線極其相似，在相同摻量的情況下，兩者的自由膨脹率相差不大，可以認(rèn)為在養(yǎng)護(hù)齡期21 d的時(shí)候，反應(yīng)已經(jīng)基本完成。

4 直剪試驗(yàn)

工程實(shí)踐和室內(nèi)試驗(yàn)都證實(shí)了土的破壞主要是由于剪切引起的，所以研究改良土的抗剪強(qiáng)度對(duì)于工程設(shè)計(jì)、施工、管理都具有非常重要的實(shí)際意義。

通過(guò)自由膨脹率試驗(yàn)，確定了鋼渣微粉改良膨脹土的最佳養(yǎng)護(hù)齡期為21 d，為了分析不同鋼渣微粉摻量下改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度的變化，進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。將壓實(shí)度控制在93%，養(yǎng)護(hù)齡期為21 d，按摻量1%，2%, 3%，4%，5%分別做快剪試驗(yàn)。得到試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同鋼渣微粉摻量抗剪強(qiáng)度

由表3可見(jiàn)，改良土隨著垂直壓力的增大，其抗剪強(qiáng)度也隨之增大。隨著鋼渣微粉摻量的增加，相同荷載對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度也逐漸變大。為了更好分析鋼渣微粉改良土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨著摻量變化情況，將內(nèi)摩擦角以及黏聚力單獨(dú)拿出來(lái)分析。結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 不同鋼渣微粉摻量下改良土的黏聚力

圖4 不同鋼渣微粉摻量下改良土的內(nèi)摩擦角變化曲線

由圖3可得，改良土黏聚力隨鋼渣微粉含量的變大而增加。黏聚力從膨脹土未加入鋼渣微粉時(shí)的52.11 kPa增加到146.04 kPa，這是因?yàn)閾饺脘撛⒎郯l(fā)生水化和水解反應(yīng)，生成的水化物一部分與膨脹土發(fā)生離子交換反應(yīng)和團(tuán)聚作用，一部分發(fā)生膠凝作用，使得膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同時(shí)增大顆粒間的作用力，使得在剪切階段的時(shí)候能夠克服顆粒間的換位、翻滾和移動(dòng)的所需要的功，具體表現(xiàn)為黏聚力的增大。

由圖4可得，改良土的內(nèi)摩擦角隨鋼渣微粉摻量的增加而變大。內(nèi)摩擦角從21.43°增加到26.78°，內(nèi)摩擦角的增大是因?yàn)殇撛⒎叟c膨脹土發(fā)生離子交換作用，膠凝作用以及團(tuán)?；饔檬沟门蛎浲林蓄w粒粒徑發(fā)生變化，粗顆粒含量增加，在剪切過(guò)程中土顆粒間的摩擦阻力增大，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角的增大。

抗剪強(qiáng)度的增大是由于鋼渣微粉的摻入致使改良土內(nèi)摩擦角和黏聚力增大所引起的。無(wú)論是黏聚力還是摩擦角，都是隨著鋼渣微粉摻量的增加先增大再趨于平緩，在鋼渣微粉摻量達(dá)到4%之后，兩者曲線開(kāi)始趨于平緩，說(shuō)明鋼渣微粉改良土在摻量達(dá)到4%后，其抗剪強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。

5 干濕循環(huán)效應(yīng)下鋼渣微粉改良土特性研究

根據(jù)前文結(jié)論，以下所進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)所用改良土養(yǎng)護(hù)齡期均為21 d，摻量5%。本文采用無(wú)荷干濕循環(huán)，具體過(guò)程如下：

加濕：常溫下(室內(nèi)溫度20℃左右)浸水直至試樣飽和；干燥：試樣放置通風(fēng)環(huán)境，采用取暖燈烘烤(溫度保持在40℃左右)，反復(fù)測(cè)量確定試樣質(zhì)量，通過(guò)計(jì)算使其含水率控制在20%～24%，即為一次干濕循環(huán)。干濕循環(huán)過(guò)程中，記錄下相應(yīng)的試樣高度、直徑以及試樣質(zhì)量的變化。本文就干濕循環(huán)后膨脹率變化和強(qiáng)度變化進(jìn)行研究。

5.1 干濕循環(huán)效應(yīng)后膨脹率變化情況

為探究膨脹土和改良土在干濕循環(huán)條件下的變形規(guī)律，研究在干濕循環(huán)后膨脹率的變化情況，將其定義如下：

式中：h0為試樣的原來(lái)的高度；hw為經(jīng)過(guò)膨脹之后穩(wěn)定下來(lái)的試樣高度。

試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示：膨脹土試樣和改良土試樣在干濕循環(huán)效應(yīng)下的膨脹率均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，表現(xiàn)出先增大后減小最終趨于穩(wěn)定，并且在相同干濕循環(huán)次數(shù)下，改良土均遠(yuǎn)小于膨脹土。在干濕循環(huán)1次時(shí)，膨脹土和改良土膨脹率達(dá)到最大，在干濕循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增大的同時(shí)，膨脹土在干濕循環(huán)2次時(shí)膨脹率下降明顯，之后緩慢下降直至穩(wěn)定，而改良土在干濕循環(huán)2次后膨脹率下降一直較為平緩。這是因?yàn)榕蛎浲岭S著干濕循環(huán)的進(jìn)行，自由水在進(jìn)入試樣內(nèi)部，形成滲水通道，增大吸著水膜厚度，增大試樣孔隙率和孔徑，就使得在第一次干濕循環(huán)膨脹率增大后，膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分破壞，膨脹速率加快，但最終能達(dá)到的試樣高度在降低。而對(duì)于改良土，由于其內(nèi)部土顆粒間連接緊密，抵抗水滲入的能力比膨脹土要大的多，所以在相同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹率大小遠(yuǎn)小于膨脹土。

5.2 干濕循環(huán)效應(yīng)后強(qiáng)度變化情況

膨脹土是一種特殊性質(zhì)的土，其獨(dú)特的礦物構(gòu)成有非常強(qiáng)的水敏性[13]，使得其工程特性在大自然環(huán)境中變化很大，強(qiáng)度也會(huì)出現(xiàn)明顯變動(dòng)。在干濕循環(huán)的前提下，探究膨脹土強(qiáng)度的變化情況，這對(duì)工程實(shí)際能夠起到很好的理論指導(dǎo)意義[14-15]。

為了探究膨脹土以及改良土在干濕循環(huán)情況下，抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，本文對(duì)膨脹土試樣一共做了6次干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)，并且在每次循環(huán)后都對(duì)試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，而對(duì)改良土試樣僅循環(huán)1次、3次、5次、7次以及9次后的試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)。

圖5 干濕循環(huán)情況下膨脹率變化

本文為了更好地分析干濕循環(huán)條件下抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，將抗剪強(qiáng)度指標(biāo)單獨(dú)拿出來(lái)分析。內(nèi)摩擦角試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，無(wú)論是膨脹土還是改良土內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多變化較小。這是由于在干濕循環(huán)過(guò)程中土顆粒間的錯(cuò)動(dòng)變化是相對(duì)無(wú)規(guī)律的，使得在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)波動(dòng)性的變化，并且兩種土體內(nèi)部顆粒大小形狀固定，所以在多次干濕循環(huán)過(guò)程中內(nèi)摩擦角變化相對(duì)較小。經(jīng)過(guò)鋼渣微粉改良，改良土中蒙脫石等黏土礦物減少，粗粒增多，顆粒級(jí)配要優(yōu)于膨脹土，增大了抗滑性，使得改良土內(nèi)摩擦角大于膨脹土，即圖中膨脹土內(nèi)摩擦角在20°左右波動(dòng)，改良土內(nèi)摩擦角在30°左右波動(dòng)。

圖6 干濕循環(huán)情況下內(nèi)摩擦角變化

黏聚力試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。改良土黏聚力明顯大于膨脹土黏聚力，并且無(wú)論是膨脹土還是改良土，伴隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多，試樣的黏聚力在減小。對(duì)于膨脹土，干濕循環(huán)使得水更容易進(jìn)入試樣，很大的降低了土顆粒間的連接力，在試樣中形成水滲入的通道，嚴(yán)重時(shí)可形成裂隙貫穿試樣，降低試樣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，具體表現(xiàn)為黏聚力的降低。而對(duì)于改良土，黏聚力也在降低，但降低幅度較膨脹土小，這是因?yàn)楦牧纪猎诔跏茧A段內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，水穩(wěn)定性強(qiáng)，在干濕循環(huán)作用下，試樣內(nèi)部蒙脫石等親水性的黏土礦物較少，抵抗變形的能力較強(qiáng)，這在宏觀上表現(xiàn)為試樣表面裂隙的發(fā)育較緩，結(jié)構(gòu)性得到保持，所以在多次干濕循環(huán)后并沒(méi)有像膨脹土一樣出現(xiàn)貫穿裂隙，土塊隆起的現(xiàn)象。

圖7 干濕循環(huán)情況下膨脹土的黏聚力

6 結(jié) 論

通過(guò)上述一系列的試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：

(1) 鋼渣微粉的摻入使得膨脹土液限下降，塑限上升，并且隨著鋼渣微粉含量的增加，液限的數(shù)值在降低，塑限在增加，塑性指數(shù)在逐漸減小。當(dāng)鋼渣微粉摻量大于等于3%時(shí)對(duì)膨脹土改良效果符合公路路基規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

(2) 隨著鋼渣微粉摻量的增加膨脹土自由膨脹率下降，且當(dāng)養(yǎng)護(hù)達(dá)到21d時(shí)反應(yīng)基本完成；摻量達(dá)到4%后，其抗剪強(qiáng)度隨著摻量的增加變化穩(wěn)定。

(3) 膨脹土和改良土膨脹率在第一次干濕循環(huán)中均達(dá)到最大值，之后急劇下降并趨于穩(wěn)定，改良土膨脹率下降較為平緩，且各級(jí)干濕循環(huán)情況下均明顯小于膨脹土。

(4) 由強(qiáng)度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相同的干濕循環(huán)次數(shù)下，改良土試樣黏聚力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于膨脹土，內(nèi)摩擦角較大于膨脹土。改良土黏聚力隨循環(huán)次數(shù)的增加衰減較為均勻，而膨脹土衰減幅度較大。鋼渣微粉改良土很好地控制了膨脹土在干濕循環(huán)條件下強(qiáng)度衰減過(guò)快情況。

本文試驗(yàn)結(jié)果論證了鋼渣微粉的摻入對(duì)膨脹土具有很好的改良效果并且改良后的膨脹土符合工程規(guī)范，說(shuō)明鋼渣微粉對(duì)膨脹土改良具有很好的適用性，可以有效地運(yùn)用于工程實(shí)踐當(dāng)中。

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Micro-powder Improvements of Steel Slag Treated Expansive Soil

YUAN Mingyue1,2, ZHANG Fuhai1,2, CHEN Xiang3, SHI Haijian1,2

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationofGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu210098,China;2.JiangsuResearchCenterforGeomechanicalEngineeringTechnology,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu210098,China;3.ChinaDesignGroupCo.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu210014,China)

The steel slag fine powder is a by-product in the process of steelmaking and is still not utilized effectively. Ca2+content in the steel slag fine powder is 40%～60%, but it is unknown if it’s feasible to improve expansive soil effectively. A series of laboratory tests based on plain soil and expansive soil improved by different amounts of steel slag fine powder were done. The tests include liquid plastic limit test, direct shear test and wetting-drying test. Conclusions are as follows: the steel slag fine powder could decrease liquid limit and increase plastic limit. When the dosage exceeds 3%, liquid plastic limit conform to subgrade criterion. The steel slag fine powder could also improve the strength of expansive soil well and the optimal dosage is 5%. Steel slag fine powder can make expansion rate of the expansion soil after drying and watering cycle decrease and it also has good effects on improving the strength. Test results showed that steel slag fine powder has good effects on expansion soil improvements and the improved soil can satify the engineering criterion.

expansion soil; steel slag fine powder; liquid plastic limit; shear strength; drying and watering cycle

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.015

2016-12-13

2017-01-10

袁明月(1992—)，男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生，研究方向?yàn)檐浕匦?、地基加固?E-mail:1121653153@qq.com。

TU443

A

1672—1144(2017)02—0081—05