鋼渣和橡膠顆粒復合改性海相淤泥的滲透特性試驗研究

冒捷鑫，王 琪，唐 琰，王麗艷

江蘇科技大學 土建學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003

0 引言

如果能把鋼渣和舊輪胎兩種工業(yè)廢棄物變廢為寶，有效再利用，不但環(huán)境污染問題可以得到解決，還具有良好的經(jīng)濟和社會效益。通常淤泥土的滲透系數(shù)在108～ 106cm·s1，滲透能力很弱，而鋼渣表面多孔，導致開口空隙率較，吸水能力強，因此本文考慮把鋼渣添加至吹填淤泥中以獲得性能良好的土木材料。為了減輕土的重度，降低軟弱地基的沉降，提高其穩(wěn)定性，考慮加入橡膠顆粒。故把鋼渣和橡膠顆粒加入淤泥中進行固化和輕量處理，使其成為滲透性能好、強度較高的高性能土工材料。

Huang等[1]總結(jié)了英國4種工業(yè)廢棄物在瀝青路面上的應用，其中包括廢棄鋼渣和廢舊輪胎。Tsai等[2]對臺灣地區(qū)諸多工業(yè)廢棄物循環(huán)再利用的可持續(xù)性進行了分析，其中包括廢棄鋼渣。張朝暉等[3]對鋼渣處理工藝與國內(nèi)外鋼渣利用技術(shù)進行了研究。近些年，粉煤灰已被大量用于筑壩和基礎(chǔ)填筑的施工中，在許多方面已表現(xiàn)出優(yōu)越的工程性能[4]。王強[5]總結(jié)了鋼渣的膠凝性能及在復合膠凝材料水化硬化過程中的作用。堿渣與粉煤灰等拌合后可制成工程土，代替一般工程土作為道路基礎(chǔ)或大面積填墊材料。程緒想等[6]總結(jié)了鋼渣的物理化學性質(zhì)，如果鋼渣滲透性能良好，將比粉煤灰更適合作為填料用于路基、建筑地基等實際工程。

表1 淤泥土的主要物理性質(zhì)

因此，有必要研究鋼渣土工應用的滲透性能。本文通過滲透試驗，測出各工況的滲透系數(shù)，對數(shù)據(jù)進行擬合，對不同鋼渣摻入比、不同橡膠顆粒摻入比及其粒徑大小對鋼渣與橡膠顆粒復合改性海相淤泥滲透系數(shù)的影響進行研究。

1 試驗材料

試驗中所用的材料有海相淤泥、廢棄鋼渣、橡膠顆粒和水。試驗所選取的海相淤泥為連云港海濱大道填海造陸淤泥土，鋼渣為張家港永鋼集團生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐鋼渣，橡膠顆粒為江蘇奧馳建設(shè)新材料公司生產(chǎn)的EPDM（三元乙丙輪胎）顆粒。

1.1 淤泥

海相沉積淤泥沉積年代較久遠，土體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，其相關(guān)物理參數(shù)如表1所示?，F(xiàn)場取得的土體天然含水率約為50%，天然孔隙比大于1.5，通過煅燒法測得土中的有機質(zhì)含量為3.4%，按土的分類方法，該淤泥屬于軟塑狀態(tài)淤泥土。試驗所用淤泥按重塑土樣配制，烘干后過2 mm篩，得到的土顆粒如圖1所示。

1.2 鋼渣和橡膠

根據(jù)《水泥化學分析方法》（GB/T 176—2008），對試驗鋼渣進行化學分析，檢測發(fā)現(xiàn)鋼渣中活性成分含量高，強度高，硬度大，滲水性能好，可壓縮程度小，適于填筑。陳化堆放8個月以上，化學性質(zhì)穩(wěn)定，水硬性達到標準，可直接用于土工中。參考巖土工程對粗砂的定義，本文定義粒徑大于0.5 mm的粒組質(zhì)量超過全重50%的鋼渣為粗鋼渣，如圖2所示。其級配曲線如圖3所示。鋼渣的不均勻系數(shù)Cu=6.75，曲率系數(shù)Cc=1.33。該鋼渣級配良好，最大干密度（ρdmax）和最小干密度（ρdmin）分別為2.58 g·cm3和1.76 g·cm3。

橡膠顆粒為江蘇奧馳建設(shè)新材料公司生產(chǎn)的EPDM顆粒，本次試驗使用的橡膠顆粒粒徑范圍為1～2 mm和3～4 mm，其堆積密度分別為0.55 g·cm3和0.71 g·cm3，橡膠顆粒與其他傳統(tǒng)建筑材料相比具有輕質(zhì)、彈性好、抗變形能力強、透水性好、耐用的特點，有利于減輕土的重度，降低軟弱地基的沉降，提高其穩(wěn)定性。橡膠顆粒如圖4所示。

2 滲透試驗基本原理

滲透系數(shù)的室內(nèi)測量方法有許多種，根據(jù)達西定律，室內(nèi)滲透試驗可分為常水頭及變水頭2種，前者一般適用于滲透性較大（滲透系數(shù)大于103cm·s1）的粗粒土，而后者適用于滲透性較小（滲透系數(shù)小于103cm·s1）的細粒土。對于含淤泥的工況，由于淤泥質(zhì)土具有顆粒極細、滲透系數(shù)較小的特點，應采用變水頭法來測定。

試驗器材選用南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的TST-55型變水頭滲透儀。裝樣環(huán)刀直徑為6.18 cm，高4 cm，其底面面積為A。試驗用水經(jīng)過煮沸法脫氣，試驗時水溫高出室內(nèi)溫度3 ℃～4 ℃。

3 試驗方案與土樣制備

3.1 試驗方案

試驗所選取的淤泥為連云港海濱大道填海造陸淤泥土，初測的滲透系數(shù)在108～106cm·s1，滲透能力很弱。由于鋼渣表面多孔，導致開口空隙率較大，吸水能力強，考慮把粗鋼渣中的2 mm以下粒組添加至吹填淤泥中。為了減輕土的重度，降低軟弱地基的沉降，提高其穩(wěn)定性，考慮加入橡膠顆粒。故把鋼渣和橡膠顆粒加入淤泥中進行固化和輕量處理，使其成為滲透性能好、強度較高的高性能土工材料。

淤泥烘干研磨后配制成含水率為50%的淤泥。鋼渣和橡膠顆粒摻入比都按淤泥總質(zhì)量的百分比加入。選用粒徑0～2 mm的鋼渣，且鋼渣摻入比不宜超過70%。這主要是由于含過多鋼渣的混合料較干燥，制樣不易成型，存在局部松散脫落現(xiàn)象，故鋼渣添加量定為10%、30%、50%、70%。用于試驗的橡膠顆粒粒徑范圍分別為1～2 mm和3～4 mm，質(zhì)量百分比定為0、5%、10%、15%，摻入比不宜超過15%，因為隨著橡膠顆粒摻入比的增大，混合料在荷載作用下回彈大，受力性質(zhì)變差。具體試驗方案如表2所示，共32個工況，每種工況制3個試樣進行平行試驗，共制96個試樣研究不同鋼渣摻入比、不同橡膠顆粒摻入比及其粒徑大小對鋼渣與橡膠顆粒復合改性海相淤泥的滲透系數(shù)。

3.2 土樣制備

把稱量好的淤泥干土顆粒放入容器，再添加預定摻入比的鋼渣和橡膠顆粒，因3種材料均處于干燥狀態(tài)，很容易拌合，省時且拌合均勻度高。拌合完成后按淤泥干土顆粒質(zhì)量的50%進行加水，充分攪勻后密閉容器悶料2 h，使水分充分均勻浸濕土樣。

表2 土樣滲透試驗方案參數(shù) 數(shù)值鋼渣粒徑ds/mm 0～2鋼渣摻入比αs/% 10、30、50、70橡膠顆粒粒徑dr/mm 1～2、3～4橡膠顆粒摻入比αr/% 0、5、10、15

土樣制作完畢后進行裝樣，環(huán)刀直徑為6.18 cm，高4 cm，分4層填充擊實，所有試樣每層均擊實4下，以達到相同的壓實度。具體步驟參照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—1999），各步驟所用試驗器具以及試驗過程如圖5所示。

4 鋼渣改性海相淤泥的滲透特性

通過滲透試驗對數(shù)據(jù)進行擬合，圖6為不同鋼渣摻入比下改性淤泥的滲透系數(shù)和擬合曲線，在整個摻入比變化范圍內(nèi)，滲透系數(shù)呈現(xiàn)出較強的非線性變化規(guī)律。

對試驗測試數(shù)據(jù)進行曲線擬合，得出鋼渣改性海相淤泥滲透系數(shù)k的計算擬合公式，見式（1）。鋼渣改性海相淤泥土的滲透系數(shù)與鋼渣摻入比αs成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合得到的滲透系數(shù)計算公式擬合度達到97.67%。

式中：e是自然對數(shù)的底。

由圖6可看出，以摻入比50%為分界點，在摻入比由10%增大至分界點時，滲透系數(shù)增大幅度較小，超越分界點后，隨著摻入比增加至70%，滲透系數(shù)增長曲線較陡。當鋼渣摻入比達到30%時，滲透系數(shù)相比摻入比10%時增幅不顯著，滲透系數(shù)只增加了30%。這主要是由于，陳化8個月以上的鋼渣中約有2%游離CaO，30%摻入比的鋼渣相比10%鋼渣中多了少許游離CaO，與水發(fā)生反應生成Ca(OH)2，造成體積略微膨脹，使孔隙率降低，減少了水的滲流通道，抵消了增大鋼渣摻入比所帶來的透水性增強的效應，使得整體的滲透系數(shù)漲幅不明顯。

鋼渣摻入比從30%增加至50%時，滲透系數(shù)是摻入比30%時的2.6倍。鋼渣摻入比增70%時，滲透系數(shù)為4.18×105cm·s1，約為鋼渣摻入比50%時的5.9倍，數(shù)量級由106激增至105，由于鋼渣屬于多孔結(jié)構(gòu)，非結(jié)晶結(jié)構(gòu)，大量的開口空隙使其具有很好的透水性，大摻入比的鋼渣為混合料貢獻了較強的透水性，所以相比其他鋼渣摻入比，滲透系數(shù)增幅最大。綜合鋼渣摻入比和滲透系數(shù)變化特征發(fā)現(xiàn)，鋼渣的摻入比為70%時，其改良土內(nèi)部孔隙、改良滲透性能的效果最顯著。

5 復合改性海相淤泥的滲透特性

5.1 不同鋼渣摻入比下滲透系數(shù)的擬合分析

通過滲透試驗，測出各工況的滲透系數(shù)，對數(shù)據(jù)進行擬合，如圖7所示，分別為不同鋼渣摻入比時橡膠顆粒粒徑dr為1～2 mm及3～4 mm情況下的改性淤泥滲透系數(shù)變化曲線。

5.2 鋼渣摻入比的影響

從圖7（a）發(fā)現(xiàn)4種工況下滲透系數(shù)的增長趨勢基本一致。4種不同橡膠顆粒摻入比情況下，當αs=10%增加至αs=30%時滲透系數(shù)增幅較小。當增加至αs=50%時，橡膠顆粒摻入比為15%時滲透系數(shù)增幅最大，αs=50%時的滲透系數(shù)是αs=30%時的4.5倍。當αs從50%增加至70%時，每種橡膠顆粒摻入比工況下的滲透系數(shù)增幅都較大，橡膠顆粒摻入比為0、5%、10%和15%時，αs=70%時的滲透系數(shù)分別是50%時的5.9倍、5.5倍、4.5倍和2.5倍；且αs=70%時，4種不同橡膠顆粒摻入比情況下，αr=15%時的滲透系數(shù)最大，滲透系數(shù)由αs=50%時的5.15×105cm·s1增大至1.27×104cm·s1，滲透系數(shù)以數(shù)量級為跨度的漲幅在提高。

從圖7（b）發(fā)現(xiàn)4種工況下滲透系數(shù)的增長趨勢較為相似。4種不同橡膠顆粒摻入比情況下，當αs從10%增加至30%時滲透系數(shù)增幅不明顯。當αs從30%增加至50%時，橡膠顆粒摻入比為15%時的滲透系數(shù)增幅最大，αs為50%時的滲透系數(shù)是30%時的6.4倍。當αs從50%增加至70%時，4種工況下的滲透系數(shù)增幅都比較大，橡膠顆粒摻入比為0、5%、10%和15%時，αs=70%時的滲透系數(shù)分別是50%時的5.9、5.3、6.3倍和2.8倍，其中αr從0增加到5%和10%時，滲透系數(shù)均以一個數(shù)量級的增幅在提高，且αr=15%時的滲透系數(shù)最大，達到了3.46×104cm·s1。

綜上，由于鋼渣具有較強的透水能力，鋼渣摻入比越大，為改性淤泥貢獻的透水性越大，從而滲透系數(shù)越大。橡膠顆粒粒徑為1～2 mm和3～4 mm時，各級橡膠顆粒摻入比下，鋼渣摻入比從50%增加到70%的滲透系數(shù)增長幅度最大，且鋼渣摻入比達到70%時滲透系數(shù)均達到最大值，對鋼渣與橡膠顆粒復合改性海相淤泥滲透性能的改善最有效。

5.3 不同橡膠顆粒摻入比下滲透系數(shù)的擬合分析

通過滲透試驗，測出不同橡膠摻入比下的滲透系數(shù)，對數(shù)據(jù)進行擬合，如圖8所示。

各鋼渣摻入比下滲透系數(shù)隨橡膠顆粒摻入比的變化均呈冪函數(shù)上升的趨勢，都可以用k＝A＋Bαr＋Cαr2＋Bαr3函數(shù)的形式表示。

對照組給予常規(guī)新輔助化療，給予地塞米松和環(huán)磷酰胺治療，環(huán)磷酰胺（國藥準字H32020857，江蘇恒瑞醫(yī)藥股份有限公司，規(guī)格0.2 g，批號：13012321、15041245）200 mg/m2在治療的第1～4天靜脈推注；地塞米松（國藥準字H44021890，廣東邦民制藥廠有限公司，規(guī)格5 mg/支，批號：20130919、20150721）20 mg/d，在術(shù)后第1～2、4～5、8～9、11～12天靜脈滴注。

5.4 橡膠顆粒摻入比的影響

圖8為橡膠顆粒粒徑為1～2 mm及3～4 mm時，各級鋼渣摻入比下的不同橡膠顆粒摻入比的滲透系數(shù)的擬合曲線。觀察圖8（a）和圖8（b）發(fā)現(xiàn)，無論何種橡膠摻入比，滲透系數(shù)均隨鋼渣摻入比的增大而增大。從圖中還可以看出，不論哪種鋼渣摻入比，滲透系數(shù)均隨橡膠顆粒摻入比的增大而增大。這是因為，在鋼渣摻入比一樣的情況下，由于橡膠顆粒具有較強的透水能力，橡膠顆粒摻入比越大，為混合料貢獻的透水性越大，其滲透系數(shù)越大。

由圖8（a）發(fā)現(xiàn)：橡膠顆粒摻入比從0至15%逐漸遞增的過程中，αs=50%和αs=70%工況下的滲透系數(shù)增長曲線較陡，αr=5%時的滲透系數(shù)分別為αr=0時的1.8倍和1.7倍；αr=10%時的滲透系數(shù)分別為αr=5%時的1.5倍和1.2倍；αr=15%時的滲透系數(shù)分別為αr=10%時的2.7倍和1.5倍；且當αr=15%時，αs=70%時的滲透系數(shù)最大，為1.27×104cm·s1，相較于αs=50%時的8.74×105cm·s1，提高了一個數(shù)量級。

由圖8（b）發(fā)現(xiàn)：鋼渣摻入比為70%時，4種不同橡膠摻入比時的滲透系數(shù)均為最大值，比其他鋼渣摻入比下的滲透系數(shù)大很多。αr=5%時的滲透系數(shù)為αr=0時的1.7倍；αr=10%時的滲透系數(shù)為αr=5%時的1.2倍；αr=15%時的滲透系數(shù)為αr=10%時的1.5倍，從8.74×105cm·s1增大至1.27×104cm·s1，以一個數(shù)量級的增幅提高。

綜上，橡膠顆粒粒徑為1～2 mm和3～4 mm的工況下，橡膠顆粒摻入比為15%時的滲透系數(shù)曲線相較于為0、5%、10%時高高在上，αr取15%對滲透系數(shù)改良的作用最突出。

橡膠顆粒粒徑為3～4 mm時，αs=70%且αr=15%時的滲透系數(shù)為粒徑為1～2 mm時的2.7倍，主要是因為鋼渣和橡膠顆粒摻入比相同，3～4 mm的橡膠單個顆粒相較于1～2 mm的體積大，且3～4 mm的橡膠顆粒與淤泥顆粒粒徑相差較大，不同物質(zhì)顆粒間的接觸吻合較差，存在較大的孔隙，對水的阻力較小，因此滲透系數(shù)較大。

綜上說明，橡膠顆粒粒徑為3～4 mm時，鋼渣摻入比為70%且橡膠顆粒摻入比為15%時，鋼渣與橡膠顆粒復合改性海相淤泥的滲透系數(shù)最大。

6 與傳統(tǒng)土工填料的對比

為了鋼渣與橡膠顆粒復合改性海相淤泥在巖土工程中廣泛應用，本文將其滲透特性與傳統(tǒng)土料的滲透特性進行比較，見圖9和表3。

傳統(tǒng)砂土和粉煤灰常用于路基填料，但是由于砂土和粉煤灰基本不具有膠凝性和黏聚力，砂土會受水流沖刷和風蝕損壞，粉煤灰水穩(wěn)定性弱于鋼渣。而鋼渣由于其多孔性遇水不易液化，有較好的滲水性，地下水長期浸泡或水位浮動造成的含水量變化對路堤強度和變形影響很小，因而具有很好的水穩(wěn)定性。橡膠顆粒質(zhì)輕，使混合料重度變小，輕量化的填土混合料可以降低地基中的應力水平，提高穩(wěn)定性，減少沉降。因此鋼渣與橡膠改性海相淤泥可以替換粉煤灰和粉砂作為填料用于路基和建筑地基等工程回填中。

7 結(jié)語

為了解決固體廢棄物處理問題，本文研究了摻入鋼渣和橡膠顆粒的改性海相淤泥的滲透特性，得出了如下結(jié)論。

（1）單純以鋼渣改良海相淤泥滲透性時，鋼渣摻入比從10%增加至50%時，改性海相淤泥滲透系數(shù)增長幅度較小，當鋼渣摻入比增至70%時，滲透系數(shù)增長劇烈，改良滲透性能的效果顯著。

（2）橡膠顆粒粒徑為1～2 mm和3～4 mm時，各級橡膠顆粒摻入比下，鋼渣摻入比從50%增加到70%的滲透系數(shù)增長幅度最大，且鋼渣摻入比達到70%時滲透系數(shù)均達到最大值，對海相淤泥滲透性能的改善最有效。

（3）橡膠顆粒粒徑為1～2 mm和3～4 mm時，橡膠顆粒摻入比為15%相較于0、5%、10%對滲透系數(shù)改良的作用最顯著，這主要是由于橡膠顆粒摻入比大，對鋼渣與橡膠顆粒復合改性海相淤泥滲透性的改良效果好。

（4）橡膠顆粒粒徑為1～2 mm和3～4 mm時，鋼渣摻入比為70%且橡膠顆粒摻入比為15%時，對海相淤泥滲透性能的改善作用最顯著；且橡膠顆粒粒徑為3～4 mm時比1～2 mm的滲透系數(shù)更大。

（5）鋼渣與橡膠顆粒復合改性的海相淤泥滲透系數(shù)相較于海相淤泥提高很大。改性海相淤泥滲透系數(shù)劣于卵石、礫石、粗砂、中砂和細砂，但絕大部分工況下與粉土相當，大部分工況下與粉煤灰相當。

（6）橡膠顆粒粒徑為1～2 mm，αs=70%且αs=15%；等5種工況下鋼渣與橡膠顆粒復合改性海相淤泥的滲透系數(shù)與粉砂相當，可以替換粉煤灰和粉砂作為填料用于路基和建筑地基等工程回填中。