石灰高爐礦渣穩定黃土的無側限抗壓強度研究

唐斌科

摘 ?要：以石灰高爐礦渣穩定黃土為對象，通過無側限抗壓強度試驗和重型標準擊實試驗，研究石灰高爐礦渣摻量和養護時間對穩定黃土最大干密度、最優含水率和無側限抗壓強度的影響。結果表明：隨無機結合材料摻量的增加穩定黃土最優含水率增大、最大干密度減小;在無機結合材料摻量一定的條件下，隨著高爐礦渣摻量的增加最大干密度增大，最優含水率減小;穩定黃土的無側限抗壓強度隨養護齡期增長而增大、隨穩定材料摻量的增加而增大;通過對無側限抗壓強度數據的擬合回歸，建立了穩定黃土的無側限抗壓強度與孔隙率、石灰與高爐礦渣的比值（）及無機結合材料體積摻量的關系。

關鍵詞：黃土;石灰;高爐礦渣;無側限抗壓強度

中圖分類號：TU746????????文獻標識碼：A

0?引言

黃土主要分布在東亞、中亞、中歐及美國中西部。黃土孔隙發育、強度較低，用作筑路材料時必須經過處理才能滿足強度和剛度的要求，工程中經常采用無機結合材料穩定黃土提高其強度和穩定性。黃土中添加石灰具有成本低、施工簡單等優點，但石灰穩定黃土強度的形成主要依靠消石灰和空氣中的CO反應形成膠結物，因而，石灰穩定黃土早期強度較低。

高爐礦渣為冶煉生鐵磨細后的一種無極膠凝材料。利用粒化高爐礦渣的活性穩定黃土，一般需要加入堿性激發劑激發其活性，改善粒化高爐礦渣與黃土的反應速度，提高穩定黃土的早期強度。石灰因經濟性較好常用作高爐礦渣的激發劑，利用石灰高爐礦渣綜合穩定巖土體，可大大提高土木工程材料的強度、改善其穩定性。

高爐礦渣作為一種性能優良的無機膠凝材料，國內外尚未見到采用石灰高爐礦渣綜合穩定黃土的相關研究成果，論文選取六種配合比的石灰粒化高爐礦渣綜合穩定黃土作為試驗土樣，通過標準擊實試驗和無側限抗壓強度試驗，研究養護齡期、石灰粒化高爐礦渣摻量對綜合穩定黃土無側限抗壓強度的影響，研究成果為穩定黃土提供了一種新方法。

1 ?原材料及試驗介紹

1.1 ?試驗材料

黃土取自蘭州新區一建筑基坑，將黃土自然風干、用木槌碾碎、過0.5 mm的標準篩;測得黃土的比重為2.68、液限為26.3%、塑限為11.8%，通過剪切試驗得粘聚力11.79 kPa、內摩擦角24.1°。熟石灰、高爐礦渣購自河南恒諾濾材有限公司，熟石灰、高爐礦渣的比重分別為2.38、2.78，利用衍射測得高爐礦渣、熟石灰的化學成分如表1、2所示。

1.2 ?配合比擬定

無機結合材料穩定黃土用作路面基層、底基層材料時為達到強度要求，規范建議無機結合穩定材料數量占穩定黃土總質量的10%～30%。為減少試驗工作量初步擬定無機結合材料為穩定黃土總質量的10%和30%，石灰和粒化高爐礦渣的質量比取9：1、7：3、1：1共計三類，具體配合比如表3，不同配合比綜合穩定黃土的最大干密度和最優含水率由標準擊實試驗所得。

1.3 ?試驗方法

1.3.1 ?試樣的制備

試樣制作時采用內徑61.8 mm、高125 mm的中空圓柱形模具，采用手動油壓千斤頂提供動力靜壓法壓實試樣。試樣制作前先計算制作1個試樣所需混合物的質量，再根據擬定的配合比計算制備一個試樣所需石灰、高爐礦渣、水和黃土的質量，然后將所稱量的石灰和黃土倒入攪拌鍋中并攪拌均勻，接著加入去離子水并攪拌均勻，將攪拌均勻的黃土和石灰混合物放入密封的塑料袋中貯存24小時，第二天在混合物中加入預定質量的粒化高爐礦渣，并把石灰高爐礦渣黃土混合物攪拌均勻;接著把穩定黃土分為5份，依次往模具中倒入每份混合物、利用千斤頂提供動力壓實每層混合物。最后，將制作完成的試樣放入標準養護箱中分別養護7 d、28 d、90?d，得到綜合穩定黃土試驗用圓柱形試樣。

1.3.2 ?無側限抗壓強度試驗

把預定養護齡期的試樣放置到路強儀上，試驗設備以1 mm/min的速率施加軸向壓力直至試樣破壞為止，根據路強儀記錄試樣破壞時的荷載，由（1）式計算石灰粒化高爐礦渣綜合穩定黃土的無側限抗壓強度（）。

2 ?結果與討論

2.1 ?標準擊實試驗

采用重型標準擊實試驗得出六種配合比石灰粒化高爐礦渣穩定黃土含水率與干密度之間的關系如圖1所示，由圖可得每組配合比石灰粒化高爐礦渣穩定黃土的最大干密度和最優含水率如表3所示。由圖1可知，隨著穩定材料摻量的增加最大干密度減小、最優含水率增大;在石灰粒化高爐礦渣摻量一定的條件下，隨著高爐礦渣摻量的增加最大干密度增大，最優含水率減小。

2.2 ?養護齡期對無側限抗壓強度的影響

不同配合比石灰粒化高爐礦渣穩定黃土的無側限抗壓強度（）與養護齡期之間的關系如圖2所示，由圖2可知隨著養護齡期的增長而增大，且前期強度增長速度較慢，后期強度增長速度變快。這主要是因為前期高爐礦渣的摻量相對較少，無機結合材料與黃土反應形成的膠結物較少，使得前期強度較低;后期強度增長變快，主要是隨著養護時間延長消石灰與空氣中的CO充分反應生成了較多的膠結材料，提高了穩定黃土的強度。

2.3 ?無機結合材料摻量對無側限抗壓強度的影響

不同配合比石灰粒化高爐礦渣穩定黃土的無側限抗壓強度如圖3。由圖3知同一養護齡期穩定黃土的無側限抗壓強度隨石灰粒化高爐礦渣摻量的增加而增大，這由于石灰粒化高爐礦渣摻量越多有更多的膠凝材料與水或空氣中的CO發生反應，從而形成更多的膠結物提高穩定黃土的強度;當石灰粒化高爐礦渣摻量相同時，隨著高爐礦渣摻量的增加穩定黃土無側限抗壓強度增大，這說明高爐礦渣相比石灰能更有效的提高穩定黃土的無側限抗壓強度。

2.4 ?穩定黃土無側限抗壓強度數據的回歸擬合

孔隙率是影響石灰粒化高爐礦渣穩定黃土無側限抗壓強度的主要因素之一，利用研究者建立的穩定土體孔隙率計算公式（如（2）式所示），可知孔隙率和黃土的數量、石灰、粒化高爐礦渣的體積摻量、石灰、粒化高爐礦渣的比重及混合物的最大干密度、試樣的體積有關。

根據無側限抗壓強度試驗結果進行數據回歸擬合，建立養護齡期分別為7 d、28 d、90 d時石灰粒化高爐礦渣穩定黃土的擬合回歸曲線如圖4、5、6所示;和養護齡期相關的擬合回歸結果如圖7、8所示、擬合回歸系數A，B如（3）、（4）式所示，擬合所得石灰粒化高爐礦渣穩定黃土的如

4 ?結論

論文開展了石灰粒化高爐礦渣綜合穩定黃土的重型標準擊實試驗和無側限抗壓強度試驗，研究了石灰粒化高爐礦渣摻量和養護齡期對黃土的穩定效果。主要結論如下：

（1）隨無機膠凝材料摻量的增加穩定黃土的最大干密度減小、最優含水率逐漸增大。

（2）當無機膠凝材料石灰粒化高爐礦渣摻量固定時，隨著礦渣摻量的增加穩定黃土的最大干密度增大、最優含水率減小。

（3）石灰粒化高爐礦渣綜合穩定黃土的無側限抗壓強度隨無機結合材料摻量的增加而增大，隨養護齡期的發展總體上不斷增長。

（4）通過對無側限抗壓強度數據的擬合回歸，建立了石灰粒化高爐礦渣穩定黃土的無側限抗壓強度與孔隙率、石灰/礦渣（）的比值、石灰粒化高爐礦渣摻量的關系，建立的擬合關系為工程設計施工提供借鑒。

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