攀鋼東渣場鋼渣作雜填土力學特性的試驗研究

朱 輝，熊南杰，王瑞兵

(中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院，云南昆明650051)

0 引 言

對鋼渣充當地基的研究，主要集中在利用鋼渣體積較小、填充層較薄的這類地基墊層上，如高速公路路基填筑［1］、路基改良［2-4］、路基軟基處理［5］、處理濕陷黃土路基［6］、用鋼渣鋪路及類似于砂石樁的鋼渣樁應用研究［7-9］，而對如何用大體積且渣層較厚鋼渣充當地基的研究則相對較少。位向飛［10］從溫度場角度深入研究了攀鋼鋼渣作為地基回填料在外部熱源作用下對上部建筑物的影響;王韜［11］從攀鋼鋼渣作為地基填料的實驗出發，對鋼渣地基進行了理論研究和數值模擬研究;李志堅［12］則通過試驗探索了攀鋼高爐渣地基土的力學特性，在此基礎上針對高爐渣特殊地基土對上部結構物的影響進行了預測分析，相關文獻［13］主要集中在用鋼渣當作地基導致建筑開裂原因的分析上。此外，渣體的各項力學指標與常見建筑地基的力學性能指標相比差別較大，目前，地基土評價指標中沒有包括高爐渣土。因此，基于用鋼渣作為地基應高度重視鋼渣與一般巖土的不同以及鋼渣具有成分較復雜、不均勻、膨脹性、較高渣體溫度等特性，且研究程度低等特點。該文以攀鋼東渣場為例，通過對鋼渣雜填土的力學性質進行試驗研究，從而查明場地土層的物質組成及物理力學性質以及鋼渣雜填土溫度作用下應力變形特征，為鋼渣雜填土場地施工設計提供理論依據。

1 研究區概況

攀鋼東渣場位于攀枝花市馬鹿箐轄區內，渣場修建于20世紀60年代末至70年代初期，為攀鋼最早期的棄渣場，主要用于儲存攀鋼廠區內煉鋼轉爐鋼渣。由于渣體含有可回收利用的釩鈦等金屬元素及大量的高爐“鍋底”鋼包，目前渣體大部分地段已翻渣篩選過且回填整平。擬建攀宏釩制品廠釩氮合金擴能工程場地正好位于渣場中部，翻渣篩選后回填整平的地段上。場地西北側緊鄰攀宏釩制品廠釩氮化釩車間;北側緊鄰五氧化二釩車間廢水治理池;距擬建TBY窯跨車間東側約12～34 m處為渣場平臺邊坡，該邊坡前緣有國家鐵路2201線支線馬頸子隧道段;場地南側約16 m處為攀枝花鋼城企業公司現有的翻渣坑。場地地勢較平坦，但區內擬建TBY窯跨車間位置目前堆放有高達10．2 m的回收利用渣料堆。馬鹿箐廠區道路連接場地內施工便道，且有運料火車鐵路通行，交通便利。

圖1 場地測點平面布置圖Fig.1 Layout plan of site test points

擬建場地原始地貌屬中山區構造剝蝕溝谷地貌，場地原始地形由山腰低洼溝谷及隆起支脊相間構成，地勢總體自西北向東南傾斜，地形起伏較大，自然坡度介于5°～25°之間，較陡地段達34°，區內發育有一“V”字型原始沖溝。經前期棄(翻)渣堆填整平，如今溝沖已被堆平，場地及周邊已形成由鋼渣堆積的寬厚平臺，地勢較為平坦。

2 試驗方法

為了研究擬建場地鋼渣雜填土的力學特性，該次在研究區內對鋼渣雜填土進行擊實試驗、熱膨脹系數試驗以及渣塊力學參數測試試驗，從而獲取鋼渣雜填土的力學特性。

場地測點平面布置見圖 1，取 P1、P2、P3、P4、P5、P6這6個位置的鋼渣進行重型擊實。每個試樣選擇顆粒孔徑＜5 mm的碎渣13 kg，再均分5份，即每份2．5 kg，進行濕法制備后逐層擊實。試件體積即為擊實筒的體積，此測試選用的擊實筒為內徑102 mm，筒高116 mm，容積為947．4 mm2的擊實筒。

取 P1、P2、P3、P4、P5、P6 及 DL1、DL2 和 DL3這9個位置的鋼渣進行熱膨脹系數的測定，了解鋼渣的相關熱物性。該試驗執行標準《GB/T 4339-1999金屬材料熱膨脹特征參數的測定》。

最后取 P1、P2、P3、P4、P5、P6 等位置渣樣進行渣塊彈性模量、泊松比及抗壓強度試驗。

3 試驗結果討論

3.1 擊實試驗

通過對鋼渣雜填土P1～P6的6個點進行擊實試驗，試驗測試結果見表1。

表1 鋼渣擊實試驗結果Tab.1 Compaction test results of steel slag

從表1中可以看出隨著擊實功的增加，最大干密度增大，而最優含水量則逐漸減小。即土的最優含水量和最大干密度不是常數，隨著擊實功的不同會產生變化。在進行現場壓實度檢測工作的時候，對于輕、重型擊實試驗結果的選擇會直接影響到最大干密度的取值，進而間接的影響到檢測結果及工程質量。此次試驗得出的數據和圖表，鋼渣在擊實方面表現出的性能與普通的粘性土還是有很大的差別。首先鋼渣的干密度明顯大于普通粘性土干密度，但是其含水率又遠小于普通粘性土的含水率，所以其密度含水率曲線并不能以標準圖來比對。試驗選取6組試樣進行試驗，所得出的結果相差不大。而已有鋼渣路基改良試驗研究表明粘土填料中摻入鋼渣能提高土體的強度［2］。因此，在鋼渣雜填土過程中可以考慮通過一定比例的鋼渣和粘土組合雜填，從而可以提高雜填土的強度。

3.2 熱膨脹系數試驗

熱膨脹系數是材料熱物理性能的一個重要指標。該次取樣樣品在不同溫度條件下所測得的熱膨脹系數對比見圖2，而某些金屬材料和該次實驗測得鋼渣的熱膨脹系數λ×10-6(1/K)對比見表2。

圖2 不同試樣的熱膨脹系數對比Fig.2 Comparison of thermal expansion coefficient for different samples

表2 鋼渣熱膨脹系數測試結果Tab.2 Test results of thermal expansion coefficient for different steel slag samples

續表2

從表2中可以看出該次實驗測得的鋼渣的熱膨脹系數與金屬材料相近，比一般的膨脹土高一個數量級。同時不同取樣點的熱膨脹系數有所差別，特別是P6和DL3取樣點，出現反膨脹現象，即出現收縮現象。從熱膨脹系數實驗結果可以看出，整個取樣區域鋼渣的熱膨脹系數分布非常不均勻，從而導致整個區域在溫度載荷作用下產生不均勻膨脹和收縮，使得鋼渣產生不均勻沉降。此外已有研究表明地下水水位的抬高有利于鋼渣水化膨脹作用［13］。鋼渣作為雜填土地基時，必須考慮產生不均勻沉降對建筑物的影響。

從表2中可以看出渣體在不同溫度條件下所測得的無側限熱膨脹系數為-19．672～15．515×10-6/K，與金屬材料相近，比一般的膨脹土高一個數量級，在上部結構和下部基礎之間存在熱源的情況下，必須考慮渣體對基礎及一層地坪結構的影響。

3.3 渣塊彈性模量、泊松比及抗壓強度

從圖3中可以看出渣塊彈性模量、泊松比及抗壓強度的測試數據離散性較大。相同部位的渣塊，常溫狀態下的彈性模量最小，200℃時最大，并隨著溫度的升高而增大;泊松比在常溫狀態下最大，并隨著溫度的升高而降低;抗壓強度在常溫狀態下最小，并隨著溫度的升高而增大。此外，不同部位的渣塊，P4的彈性模量在常溫時較低，但隨著溫度的增加而迅速增大，且成為4個位置中最大的一個;P4的泊松比最大，而P5最小;P5的抗壓強度最高，而P3最低。

試驗結果顯示渣體的彈性模量為:7．99～10．17 GPa(常溫);8．42 ～ 11．2 GPa(100 ℃);10．59～13．2 GPa(200 ℃)，表明渣體具有較高的剛度，并隨著溫度的升高而增大。從測試結果情況來看，不同位置渣體的差異性較大，試驗結果針對性較強。

圖3 鋼渣彈性模量、泊松比及抗壓強度測試結果對比Fig.3 Test results comparison of elastic modulus，Poisson ratio and compressive strength for different steel slag samples

4 結 語

通過對攀鋼東渣場鋼渣作為雜填土擬建場地開展鋼渣擊實試驗、熱膨脹系數測試以及鋼渣塊體的彈性模量等力學參數進行測試，從而獲取鋼渣雜填土的力學特性。

(1)鋼渣在擊實方面表現出的性能和普通的粘性土還是有很大的差別，鋼渣的干密度明顯大于普通粘性土干密度，但是其含水率又遠小于普通粘性土的含水率。因此通過鋼渣和雜填土的混合雜填可以提高雜填土的土體強度。

(2)研究區域鋼渣的熱膨脹系數分布非常不均勻，從而導致整個區域在溫度載荷作用下產生不均勻膨脹和收縮，使得鋼渣產生不均勻沉降。建筑物基礎層存在熱源時應考慮其鋼渣基礎的不均勻沉降。

(3)研究區內不同鋼渣試樣在不同溫度條件下的彈性模量、泊松比以及抗壓強度差異較大。

［1］甘萬貴．鋼渣用于填筑高速公路路基的研究［J］．武鋼技術，2007(4):28-30，36．

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［11］王韜．攀鋼鋼渣作為地基回填料的試驗研究與初步模擬［D］．昆明:昆明理工大學，2008．

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［13］王林科，胡瑞星，陽浩，等．鋼渣地基對某辦公樓的不利影響［J］．低溫建筑技術，2012(11):29-31．