鋼渣改良粉質(zhì)黏土小應(yīng)變動力特性試驗研究

李 偉，王 澤，李福棟，王揮云

(1.沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110168;2.東北大學(xué) 深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室, 遼寧 沈陽 110819;3.中鐵十九局礦業(yè)投資有限公司, 北京 100161)

粉質(zhì)黏土軟弱層在我國東部沿海地區(qū)及內(nèi)陸江湖沿線區(qū)域均有大面積分布，隨著我國城市化建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)和市政公用工程的逐步完善，大量公用與民用建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃已無法避開粉質(zhì)黏土地基。而粉質(zhì)黏土地基較差的整體穩(wěn)定性決定了其在面臨長時間循環(huán)往復(fù)、強度遠(yuǎn)小于土體抗剪強度的特殊荷載時，往往伴有過大的沉降。由于地基土體在處于微小的應(yīng)變幅值階段，需格外關(guān)注其線彈性小變形下的動剪模量和阻尼比。這兩個參數(shù)涉及到工程的安全性和經(jīng)濟性，因而在對粉質(zhì)黏土地基進(jìn)行加固處理時，深入研究其動剪模量和阻尼比，具有很強的實際意義。

近十年來，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于鋼渣的資源化綜合利用的研究取得了一定突破。Abu-Eishaha等[1]將經(jīng)處理的鋼渣摻入混凝土材料并分析了其力學(xué)特性。結(jié)果表明，鋼渣不僅有利于提高混凝土的力學(xué)性能，還能夠大大減少水泥用量，避免過量水泥造成的水化熱。Baciocchia等[2]解決了鋼渣中因含f-CaO和f-MgO引起的不穩(wěn)定問題，并進(jìn)一步使兩者與空氣中的二氧化碳充分反應(yīng)，制造出可應(yīng)用于實際工程的鋼渣磚。Palankar等[3]采用鋼渣作為粗集料，可形成鋼渣團聚體，大大提高了混凝土的耐久性能。Kriskova等[4]研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣經(jīng)機械研磨后所形成的小粒徑鋼渣粉可迅速水化，從而提高活性。Ashango等[5]分析了鋼渣粉用于膨脹土的穩(wěn)定性，并進(jìn)行了大量的靜、動力特性試驗。結(jié)果表明，鋼渣混合土的無側(cè)限抗壓強度增長至原先的2倍，動彈模量比原先增長了58%～78%。 李偉等[6]將鋼渣按一定比例摻入砂土中進(jìn)行了常規(guī)三軸壓縮試驗，結(jié)果表明，經(jīng)攪拌和壓實后的混合土體具有較小的壓縮性，不僅改善了抗剪強度，還有效提高了地基承載能力。在土動力學(xué)領(lǐng)域，Airey等[7]就水泥砂土混合料進(jìn)行了動力學(xué)試驗，探索出動剪模量與圍壓的關(guān)系，并給出了在不同水泥摻量下的動強度參考值。針對水泥黏土混合料，張鵬等[8]分別在黏土中加入一定比例的礦渣水泥、普通水泥和水玻璃，進(jìn)行了共振柱試驗。然而，雖然目前關(guān)于鋼渣可應(yīng)用性的研究較為深入，但以鋼渣作為粉質(zhì)黏土地基處理材料卻極少見到。并且對于混合土體的研究多集中于大應(yīng)變條件下的動三軸試驗，而對于鋼渣粉質(zhì)黏土混合料的小應(yīng)變動力特性研究很少涉及。

因此，本文將鋼渣摻入到粉質(zhì)黏土中，進(jìn)一步分析鋼渣粉質(zhì)黏土混合料在小應(yīng)變下的動剪模量和阻尼比變化規(guī)律，為鋼渣替代傳統(tǒng)水泥用于地基加固提供一定的數(shù)據(jù)參考。

1 試驗介紹

1.1 鋼渣的礦物組成及理化性質(zhì)

試驗所選用的鋼渣與普通硅酸鹽水泥具有相類似的水化機理，其所含的硅酸二鈣、硅酸三鈣決定了鋼渣具有膠凝活性，如與土體中的孔隙水發(fā)生充分水化反應(yīng)，可生成具有膠凝特性的水化硅酸鈣凝膠和氫氧化鈣，使土骨架大大充實，提高地基承載力。

表1為鋼渣物理力學(xué)性能指標(biāo)，鋼渣經(jīng)長期陳化后，粉化率顯著降低，其強度、壓碎值和磨耗率均符合規(guī)范值，鋼渣具有良好的物理力學(xué)性質(zhì)，有利于提高鋼渣的穩(wěn)定性。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論[11]，游離氧化鈣的含量在很大程度上對鋼渣穩(wěn)定性有著重要影響，游離氧化鈣含量越多，穩(wěn)定性越差。經(jīng)過一定時間陳化的鋼渣，在不減弱其活性的前提下，不僅能提高穩(wěn)定性，還可改善其初始的膠凝特性。在陳化過程中，f-CaO、C2S、及C3S與空氣中的水反應(yīng)生成的Ca(OH)2，繼續(xù)與空氣中的CO2結(jié)合形成CaCO3沉淀，并伴有硅酸鹽礦物的水化生成大量具有膠凝特性的水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)等。陳化過程的示意如圖1所示。

表1 鋼渣性能指標(biāo)[9-10]

圖1 硅酸鹽礦物和f-CaO的轉(zhuǎn)化過程

1.2 試樣制備及試驗方案

本試驗鋼渣來自撫順新?lián)徜摴荆?jīng)長期陳化、研磨，穩(wěn)定性較好，莫氏硬度為6.5，密度為3.40 g/cm3。其級配曲線如圖2，計算可得Cu=5.76，Cc=0.85，表明鋼渣顆粒級配均勻，有助于活性的發(fā)揮并減少不均勻效應(yīng)對試驗結(jié)果的誤差。粉質(zhì)黏土為重塑土樣，試驗所用土樣取自沈陽市南郊7 m～8 m的粉質(zhì)黏土層，該粉質(zhì)黏土的天然密度為1.91 g/cm3，塑性指數(shù)Ip為14.9。水泥采用普通硅酸鹽水泥P.O.42.5。

圖2 鋼渣粒徑分布曲線

為直觀顯示鋼渣的改良效果，并與水泥的改良效果對比，依據(jù)相關(guān)研究結(jié)論[6,12-13]，分別將兩種材料按照不同的配合比摻入粉質(zhì)黏土，均勻噴灑無氣水至試驗土料，充分?jǐn)嚢鑴虿⒔?jīng)過密封濕潤24 h，使含水率穩(wěn)定。按照規(guī)范采用擊實法制樣，試件尺寸為φ50×100。對其進(jìn)行1 d、3 d和7 d的養(yǎng)護，并施加50 kPa、100 kPa、150 kPa三種圍壓。配合比Gs20、Gs30、Gs40、Gs50分別表示鋼渣在混合土體中占比為20%、30%、40%和50%。配合比Gc8、Gc12、Gc15分別表示水泥在混合土體中占比為8%、12%和15%。

1.3 試驗儀器與試驗方法

(1)

(2)

式中：ρ為試件的密度，g/cm3

阻尼比的計算式為

(3)

式中：N為振動次數(shù)；A1、An+1分別為斷開激振后第1周、第n+1周的振動振幅。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 動剪模量

圖3、圖4、圖5為各圍壓和養(yǎng)護齡期下動剪模量隨動剪應(yīng)變的變化曲線。

圖3 養(yǎng)護1 d的G-γ變化曲線

由圖可知，當(dāng)圍壓和養(yǎng)護齡期相同時，鋼渣混合土的動剪模量未隨著鋼渣含量的增加而連續(xù)增加。明顯觀察到，當(dāng)配合比從20%增加至30%時，該混合土的動剪模量顯著增加。當(dāng)配合比從30%增加到40%時，動剪模量反而會減弱。當(dāng)配合比增加到50%時，動剪模量仍然相應(yīng)降低。對于水泥混合土，在圍壓和養(yǎng)護齡期保持不變時，水泥混合土的動剪模量在摻料含量8%至15%區(qū)間內(nèi)，呈現(xiàn)出增加趨勢。其中，水泥摻量比例為15%的情況下，動剪模量達(dá)到最大。

圖4 養(yǎng)護3 d的G-γ變化曲線

試驗結(jié)果分析表明，在較短的養(yǎng)護齡期下(1 d)，鋼渣含量占比30%時的動剪模量略低于水泥含量占比15%時的結(jié)果值。而在較長的養(yǎng)護齡期下(3 d、7 d)，鋼渣含量占比30%時的動剪模量則顯然高于水泥含量占比15%時的結(jié)果值；鋼渣含量占比為20%、40%時的動剪模量接近于水泥含量占比為12%時的動剪模量，其中鋼渣含量占比為20%條件下的動剪模量在養(yǎng)護齡期達(dá)到7 d后會明顯超過水泥含量為20%對應(yīng)的動剪模量；隨著鋼渣含量占比的提高，動剪模量在摻量為50%的條件下大致靠近水泥含量占比8%的結(jié)果值，且在養(yǎng)護齡期達(dá)到7 d時，其動剪模量會出現(xiàn)反超水泥含量占比為8%的情況。由此項試驗數(shù)據(jù)對比可知，將鋼渣用作粉質(zhì)黏土地基處理材料時會出現(xiàn)早期強度低于水泥的現(xiàn)象，但在得到充分養(yǎng)護后，后期強度會超過水泥，能夠較好地對土顆粒進(jìn)行膠結(jié)加固。

本研究采用RPH聯(lián)合瘺管切除術(shù)對痔合并肛瘺患者進(jìn)行治療發(fā)現(xiàn),采用RPH聯(lián)合瘺管切除術(shù)治療后B組患者術(shù)后24h疼痛評分低于A組,術(shù)后首次排便時間疼痛持續(xù)時間、手術(shù)時間以及術(shù)后恢復(fù)時間均短于A組(P<0.05);B組術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率低于A組(P<0.05),但兩組治療的總有效率無顯著差異(P>0.05)。

圖5 養(yǎng)護7 d的G-γ變化曲線

2.2 阻尼比

圖6、圖7、圖8為各圍壓和養(yǎng)護齡期下阻尼比隨動剪應(yīng)變的變化曲線。由圖可知，鋼渣混合土的阻尼比并非隨著鋼渣含量占比的提高而持續(xù)增長，而是整體呈先大后小的現(xiàn)象，并在鋼渣含量占比30%時達(dá)到最大值。其中，鋼渣含量占比在20%～30%區(qū)間段內(nèi)，阻尼比呈現(xiàn)增長趨勢，而在30%～40%、40%～50%區(qū)間段內(nèi)，阻尼比則隨鋼渣含量占比的提高呈現(xiàn)減小趨勢。對于水泥粉質(zhì)黏土混合料而言，水泥含量的增加使得水泥粉質(zhì)黏土混合料的阻尼比隨之增大，即當(dāng)水泥含量為15%時，水泥粉質(zhì)黏土混合料的阻尼比達(dá)到最大值。水泥混合土的阻尼比隨水泥含量占比在8%～15%區(qū)間段內(nèi)整體呈持續(xù)增長的現(xiàn)象，并在水泥含量占比為15%時出現(xiàn)最大。上述試驗結(jié)果表明，摻料配合比是兩種混合土體阻尼比變化特點的關(guān)鍵影響因素。

圖6 養(yǎng)護1 d的D-γ變化曲線

圖7 養(yǎng)護3 d的D-γ變化曲線

圖8 養(yǎng)護7 d的D-γ變化曲線

通過進(jìn)一步對比分析，鋼渣含量占比為30%時的阻尼比最接近于水泥含量占比為15%時的試驗結(jié)果值。鋼渣含量占比為50%時的阻尼比最接近于水泥含量占比為8%時的試驗結(jié)果值,甚至略大于后者。結(jié)合前文的分析可知，鋼渣粉質(zhì)黏土混合料與水泥粉質(zhì)黏土混合料隨摻料配合比的阻尼比變化特點與其動剪模量一致，鋼渣粉質(zhì)黏土混合料的動剪模量和阻尼比均隨鋼渣摻量占比的提高先增后減；水泥粉質(zhì)黏土混合料的動剪模量和阻尼比均隨水泥摻量占比持續(xù)增長。

2.3 動力變形曲線的擬合

謝定義[14]已利用大量試驗結(jié)果證明，歸一化動剪模量隨動剪應(yīng)變變化關(guān)系曲線可以較為準(zhǔn)確的描述動剪模量的衰減規(guī)律，已成為研究土動力學(xué)參數(shù)的重要工具。本文采用Kondner經(jīng)驗公式(式(4))和胡文堯修正阻尼曲線關(guān)系式(式(5))對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化G/Gmax處理并和阻尼比D與動剪應(yīng)變γ擬合,得到不同配合比條件下的G/Gmax-γ曲線和D-γ曲線。

(4)

(5)

式中：Gmax為最大動剪模量；γ為動剪應(yīng)變；γr為參考剪應(yīng)變，對應(yīng)于0.5Gmax時的動剪應(yīng)變值。γr越大，表示動剪模量和阻尼比變化速率越快。Dmax為最大阻尼比；m為試驗參數(shù)。

為了得到具有普遍性的試驗結(jié)果，從而更好地分析動剪模量和阻尼比受配合比的影響程度，圖9給出了養(yǎng)護7 d時，不同配合比下動剪模量比和阻尼比擬合曲線。

圖9 不同配合比下動剪模量比和阻尼比擬合曲線

由圖9可知，鋼渣混合土和水泥混合土在不同配合比條件下所得的G/Gmax-γ和D-γ兩種曲線試驗點取得了較好的擬合結(jié)果，其離散性小且均集中于一個小范圍內(nèi)。動剪模量整體上隨動剪應(yīng)變的增加而減小，阻尼比隨動剪應(yīng)變的增加而提高。在小應(yīng)變范圍內(nèi)，動剪模量比在10-6～10-5之間較為穩(wěn)定，其值接近于1。在10-5～10-4之間，動剪模量比開始出現(xiàn)緩慢衰減的現(xiàn)象。阻尼比在10-6～10-5之間增速較小，在10-5～10-4之間開始出現(xiàn)增長趨勢。但隨著應(yīng)變增長至10-4之后，動剪模量比隨動剪應(yīng)變的增長呈快速衰減趨勢，在應(yīng)變過大時接近于0。阻尼比在應(yīng)變?yōu)?0-4～10-3之間顯著提高，并在達(dá)到10-3后逐漸趨于穩(wěn)定，趨于最大值。在同等的應(yīng)變水平下，鋼渣混合土體的動剪模量和阻尼比有相同的變化趨勢，均在摻料含量在20%至50%區(qū)段內(nèi)先增后減，并在摻料占比為30%達(dá)到最大，接近于水泥混合土在摻料占比為15%時所對應(yīng)的動剪模量和阻尼比。

2.4 最大動剪模量

圖10為鋼渣混合土最大動剪模量隨鋼渣含量的變化曲線。可見在給定相同圍壓和養(yǎng)護齡期條件下，配合比是鋼渣混合土最大動剪模量的主要影響因素，本文將對此開展詳細(xì)的論述分析。

由圖10可知，在給定相同圍壓和養(yǎng)護齡期條件下，最大動剪模量會在鋼渣配比含量為30%時出現(xiàn)最大值，在鋼渣配比為50%時出現(xiàn)最小值。鋼渣配比含量為40%的最大動剪模量略大于配比含量為20%時所對應(yīng)的結(jié)果值，但數(shù)值幾近相等。從總體變化特點分析可知，最大動剪模量增減趨勢相同，并伴隨鋼渣摻量提高，呈現(xiàn)先增后減的現(xiàn)象。其機理的關(guān)鍵在于30%的鋼渣含量是使其水化反應(yīng)最充分的配比值，進(jìn)而最大動剪模量在此處達(dá)到最大；20%的鋼渣含量則會導(dǎo)致水化反應(yīng)不完全，因而試驗結(jié)果值未產(chǎn)生出現(xiàn)最值的情況；若鋼渣配比含量過大時(40%、50%)，過多的摻料不能與土體中的孔隙水發(fā)生水化反應(yīng)，致使最大動剪模量大大降低。綜上所述，30%的鋼渣摻量可作為改善粉質(zhì)黏土地基小應(yīng)變動力特性的最佳配合比。

圖10 鋼渣含量與最大動剪模量的關(guān)系曲線

圖11為水泥混合土最大動剪模量隨水泥含量的變化曲線。由圖11可知，在相同圍壓和養(yǎng)護齡期下，最大動剪模量會在水泥配比含量為15%時出現(xiàn)最大值，在水泥配比為8%時出現(xiàn)最小值。在水泥含量占比區(qū)間為8%～15%時，水泥粉質(zhì)黏土混合料的最大動剪模量隨水泥摻量的提高，呈現(xiàn)出單調(diào)遞增的趨勢。當(dāng)圍壓較低時，最大動剪模量隨水泥配比變化的增長速度均大體一致。而當(dāng)圍壓較高時，其增長速度則存在明顯差異。其中，在水泥含量占比為8%～12%區(qū)間段內(nèi)的增長速度均小于12%～15%區(qū)間段內(nèi)。這種現(xiàn)象的主要原因在于水泥的摻加填充了土骨架中的孔隙，并與孔隙水充分反應(yīng)，使混合土體結(jié)構(gòu)更為緊密，外在表現(xiàn)為抗剪強度得到大幅提高，部分抵消了圍壓效應(yīng)帶來的影響。

圖11 水泥含量與最大動剪模量的關(guān)系曲線

結(jié)合圖10、圖11可以更加直觀的對比兩種混合土體動力參數(shù)受摻料配合比的影響。鋼渣含量配比為30%時所對應(yīng)的最大動剪模量與水泥摻量為15%時所對應(yīng)的試驗結(jié)果盡相吻合，甚至略微大于后者。鋼渣含量配比為20%時所對應(yīng)的最大動剪模量接近于水泥摻量為12%的情況。鋼渣含量配比為50%時所對應(yīng)的最大動剪模量接近于水泥摻量為8%的情況。

2.5 最大阻尼比

圖12、圖13為兩種混合土體的最大阻尼比隨配合比變化曲線。如圖所示，在圍壓和養(yǎng)護齡期固定的條件下，鋼渣混合土的最大阻尼比在鋼渣含量占比為20%～50%區(qū)間段內(nèi)呈先增后減的現(xiàn)象，并在摻料配比為30%時出現(xiàn)最大值。同等條件下，水泥混合土的最大阻尼比在水泥含量占比在8%至15%區(qū)間段內(nèi)呈單調(diào)遞增的現(xiàn)象，并在摻料配比為15%時出現(xiàn)最大值。

圖12 鋼渣含量與最大阻尼比的關(guān)系曲線

結(jié)合圖12、圖13可以更加直觀的對比兩種混合土體動力參數(shù)受摻料配合比的影響。鋼渣含量配比為30%時所對應(yīng)的最大阻尼比與水泥摻量為15%時所對應(yīng)的試驗結(jié)果相接近。鋼渣含量配比為50%時所對應(yīng)的最大阻尼比接近于水泥摻量為8%的情況。在養(yǎng)護齡期較短(1 d、3 d)時，水泥含量配比為12%時所對應(yīng)的最大阻尼比接近于鋼渣摻量為40%的情況。在養(yǎng)護齡期較長(7 d)時，水泥含量配比為12%時所對應(yīng)的最大阻尼比接近于鋼渣摻量為20%的情況。

圖13 水泥含量與最大阻尼比的關(guān)系曲線

2.6 機理分析

鋼渣加固粉質(zhì)黏土的關(guān)鍵，是由于其中的礦物成分能與土體中的孔隙水發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生大量膠凝性物質(zhì)。小應(yīng)變下的動力參數(shù)變化就是由膠凝材料的含量和結(jié)構(gòu)決定的。在鋼渣含量為20%時，少量鋼渣與土體中孔隙水生成的膠凝物質(zhì)含量低，土顆粒黏聚力差，鋼渣僅僅起到填充土骨架的作用，因而動剪模量會較低。根據(jù)相關(guān)研究[15-16]，此時混合土在微觀上呈團聚堆疊結(jié)構(gòu)，少量的水化硅酸鈣凝膠以針狀呈現(xiàn)，兩種材料顆粒之間不能緊密貼合，在激振力的作用下發(fā)生劇烈摩擦，而較硬的鋼渣顆粒變形能力小，無法消耗較多的能量，進(jìn)而導(dǎo)致阻尼比較低。

伴隨鋼渣的繼續(xù)摻入，含量達(dá)到30%時，鋼渣中的硅酸二鈣、硅酸三鈣分別與孔隙水發(fā)生充分的水化反應(yīng)，產(chǎn)生足量的氫氧化鈣和水化硅酸鹽凝膠。其中的氫氧化鈣構(gòu)建了堿性環(huán)境，提高了鋼渣活性，加速了水化反應(yīng)，二次生成水化硅酸鈣凝膠。加之鋼渣本身的填充作用，顆粒之間趨于致密，有足夠的能力抵抗剪切變形，進(jìn)而土體的動剪模量得到大大改善。此時混合土團聚體結(jié)構(gòu)變大，水化硅酸鈣凝膠已由針狀結(jié)構(gòu)生長為片狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并有效嵌固在土顆粒之間，整體趨于穩(wěn)定。由于兩種材料顆粒緊密嵌套，在小應(yīng)變作用下發(fā)生彈性變形時，抵消了大部分能量，提高了阻尼比。

但鋼渣含量不斷提高，達(dá)到40%、50%時，盡管水化產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)進(jìn)一步增加，但由于土顆粒占比的降低，使土體的孔隙比變大。此時片狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會相應(yīng)增多，顆粒之間幾乎全部被膠凝物質(zhì)隔開，導(dǎo)致土體過于軟弱，在受到扭轉(zhuǎn)激振時，出現(xiàn)阻尼比偏大的現(xiàn)象，極易發(fā)生剪切破壞。

3 結(jié) 論

(1) 鋼渣粉質(zhì)黏土混合土的動剪模量和最大動剪模量在配合比為20%～50%區(qū)間段內(nèi)呈先增后減的變化規(guī)律，且均在摻料占比為30%時達(dá)到最大。水泥粉質(zhì)黏土混合土的動剪模量和最大動剪模量在配合比為8%～15%區(qū)間段呈單調(diào)遞增的變化規(guī)律，且皆在摻料占比為15%時達(dá)到最大。鋼渣占比30%時所對應(yīng)的動剪模量和最大動剪模量接近于水泥占比15%時的試驗結(jié)果值。

(2) 鋼渣粉質(zhì)黏土混合土的阻尼比和最大阻尼比在配合比為20%～50%區(qū)間段內(nèi)呈先增后減的變化規(guī)律，且均在摻料占比為30%時達(dá)到最大。水泥粉質(zhì)黏土混合土的阻尼比和最大阻尼比在配合比為8%～15%區(qū)間段呈單調(diào)遞增的變化規(guī)律，且皆在摻料占比為15%時達(dá)到最大。鋼渣占比30%時所對應(yīng)的阻尼比和最大阻尼比接近于水泥占比15%時的試驗結(jié)果值。

(3) 摻料配合比對鋼渣粉質(zhì)黏土混合土的小應(yīng)變動力參數(shù)影響顯著，其在不同鋼渣占比下的動剪模量和阻尼比試驗結(jié)果差異明顯。試驗研究可知，鋼渣含量占比30%的混合土體動剪模量優(yōu)于水泥含量占比15%的混合土體，并具有較大的阻尼比。既能有效的抵抗剪切變形，又具有良好的減震性。表明鋼渣能夠改善粉質(zhì)黏土地基的動力特性，鋼渣含量為30%時，可代替15%及以下含量的水泥用于粉質(zhì)黏土地基加固。