石灰高爐礦渣穩(wěn)定黃土的無側(cè)限抗壓強度研究

唐斌科

摘 ?要：以石灰高爐礦渣穩(wěn)定黃土為對象，通過無側(cè)限抗壓強度試驗和重型標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗，研究石灰高爐礦渣摻量和養(yǎng)護(hù)時間對穩(wěn)定黃土最大干密度、最優(yōu)含水率和無側(cè)限抗壓強度的影響。結(jié)果表明：隨無機(jī)結(jié)合材料摻量的增加穩(wěn)定黃土最優(yōu)含水率增大、最大干密度減小;在無機(jī)結(jié)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(yōu)含水率減小;穩(wěn)定黃土的無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護(hù)齡期增長而增大、隨穩(wěn)定材料摻量的增加而增大;通過對無側(cè)限抗壓強度數(shù)據(jù)的擬合回歸，建立了穩(wěn)定黃土的無側(cè)限抗壓強度與孔隙率、石灰與高爐礦渣的比值（）及無機(jī)結(jié)合材料體積摻量的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：黃土;石灰;高爐礦渣;無側(cè)限抗壓強度

中圖分類號：TU746????????文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)育、強度較低，用作筑路材料時必須經(jīng)過處理才能滿足強度和剛度的要求，工程中經(jīng)常采用無機(jī)結(jié)合材料穩(wěn)定黃土提高其強度和穩(wěn)定性。黃土中添加石灰具有成本低、施工簡單等優(yōu)點，但石灰穩(wěn)定黃土強度的形成主要依靠消石灰和空氣中的CO反應(yīng)形成膠結(jié)物，因而，石灰穩(wěn)定黃土早期強度較低。

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

高爐礦渣作為一種性能優(yōu)良的無機(jī)膠凝材料，國內(nèi)外尚未見到采用石灰高爐礦渣綜合穩(wěn)定黃土的相關(guān)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(wěn)定黃土作為試驗土樣，通過標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗，研究養(yǎng)護(hù)齡期、石灰粒化高爐礦渣摻量對綜合穩(wěn)定黃土無側(cè)限抗壓強度的影響，研究成果為穩(wěn)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(qū)一建筑基坑，將黃土自然風(fēng)干、用木槌碾碎、過0.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(xué)成分如表1、2所示。

1.2 ?配合比擬定

無機(jī)結(jié)合材料穩(wěn)定黃土用作路面基層、底基層材料時為達(dá)到強度要求，規(guī)范建議無機(jī)結(jié)合穩(wěn)定材料數(shù)量占穩(wěn)定黃土總質(zhì)量的10%～30%。為減少試驗工作量初步擬定無機(jī)結(jié)合材料為穩(wěn)定黃土總質(zhì)量的10%和30%，石灰和粒化高爐礦渣的質(zhì)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(wěn)定黃土的最大干密度和最優(yōu)含水率由標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(zhì)量，再根據(jù)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(zhì)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(yù)定質(zhì)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(wěn)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中分別養(yǎng)護(hù)7 d、28 d、90?d，得到綜合穩(wěn)定黃土試驗用圓柱形試樣。

1.3.2 ?無側(cè)限抗壓強度試驗

把預(yù)定養(yǎng)護(hù)齡期的試樣放置到路強儀上，試驗設(shè)備以1 mm/min的速率施加軸向壓力直至試樣破壞為止，根據(jù)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(wěn)定黃土的無側(cè)限抗壓強度（）。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗

采用重型標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗得出六種配合比石灰粒化高爐礦渣穩(wěn)定黃土含水率與干密度之間的關(guān)系如圖1所示，由圖可得每組配合比石灰粒化高爐礦渣穩(wěn)定黃土的最大干密度和最優(yōu)含水率如表3所示。由圖1可知，隨著穩(wěn)定材料摻量的增加最大干密度減小、最優(yōu)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(yōu)含水率減小。

2.2 ?養(yǎng)護(hù)齡期對無側(cè)限抗壓強度的影響

不同配合比石灰粒化高爐礦渣穩(wěn)定黃土的無側(cè)限抗壓強度（）與養(yǎng)護(hù)齡期之間的關(guān)系如圖2所示，由圖2可知隨著養(yǎng)護(hù)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(jī)結(jié)合材料與黃土反應(yīng)形成的膠結(jié)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(yǎng)護(hù)時間延長消石灰與空氣中的CO充分反應(yīng)生成了較多的膠結(jié)材料，提高了穩(wěn)定黃土的強度。

2.3 ?無機(jī)結(jié)合材料摻量對無側(cè)限抗壓強度的影響

不同配合比石灰粒化高爐礦渣穩(wěn)定黃土的無側(cè)限抗壓強度如圖3。由圖3知同一養(yǎng)護(hù)齡期穩(wěn)定黃土的無側(cè)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(fā)生反應(yīng)，從而形成更多的膠結(jié)物提高穩(wěn)定黃土的強度;當(dāng)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(wěn)定黃土無側(cè)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(wěn)定黃土的無側(cè)限抗壓強度。

2.4 ?穩(wěn)定黃土無側(cè)限抗壓強度數(shù)據(jù)的回歸擬合

孔隙率是影響石灰粒化高爐礦渣穩(wěn)定黃土無側(cè)限抗壓強度的主要因素之一，利用研究者建立的穩(wěn)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(shù)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(guān)。

根據(jù)無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸擬合，建立養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d、28 d、90 d時石灰粒化高爐礦渣穩(wěn)定黃土的擬合回歸曲線如圖4、5、6所示;和養(yǎng)護(hù)齡期相關(guān)的擬合回歸結(jié)果如圖7、8所示、擬合回歸系數(shù)A，B如（3）、（4）式所示，擬合所得石灰粒化高爐礦渣穩(wěn)定黃土的如

4 ?結(jié)論

論文開展了石灰粒化高爐礦渣綜合穩(wěn)定黃土的重型標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗，研究了石灰粒化高爐礦渣摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對黃土的穩(wěn)定效果。主要結(jié)論如下：

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

（2）當(dāng)無機(jī)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(wěn)定黃土的最大干密度增大、最優(yōu)含水率減小。

（3）石灰粒化高爐礦渣綜合穩(wěn)定黃土的無側(cè)限抗壓強度隨無機(jī)結(jié)合材料摻量的增加而增大，隨養(yǎng)護(hù)齡期的發(fā)展總體上不斷增長。

（4）通過對無側(cè)限抗壓強度數(shù)據(jù)的擬合回歸，建立了石灰粒化高爐礦渣穩(wěn)定黃土的無側(cè)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(guān)系，建立的擬合關(guān)系為工程設(shè)計施工提供借鑒。

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