粉煤灰改良高爐渣混合料壓縮特性研究

王春林 （安徽省路橋工程集團有限責任公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

我國于21世紀初就已成為鋼鐵生產世界第一大國，在冶煉鋼鐵過程中會產生大量的廢棄物：高爐渣。高爐渣的主要成分為 CaO、SiO2、Al2O3等物質。從高爐渣的主要成分可以看出這種工業廢物并不是環境污染源物質，相反它還具有很多有用的礦物成分。為了充分處理如此大量的工業廢物，目前我國已有大量關于高爐渣的應用實例，如高爐渣可以代替生產加工石料用于公路、機場、地基工程、鐵路道渣、混凝土骨料和瀝青路面等基礎設施建設領域。有關文獻表明，在公路和鐵路的路基填筑中可以大量應用高爐渣[1-2]。當用高爐渣填筑公路鐵路的高填方地段時，工后沉降這一指標必須嚴格控制，因此，必須對高爐渣進行處理后使用，主要是控制填料的顆粒粒徑，可采用重錘夯來解小過大顆粒粒徑[3-4]。由于經過重錘強夯過的高爐渣填料顆粒粒徑仍然較大，應該歸屬于粗粒土范疇，為了控制高爐渣填筑的路基、地基或邊坡的穩定性，需要對其剪切強度進行研究，因高爐渣中的細顆粒含量較少，為了得到良好工程力學特性，一般要對其改良，如添加粉煤灰、粉質粘土等細料[5-6]。

高爐渣與土樣的顆粒組成指標 表1

本文以粉煤灰改良高爐渣為研究對象，創新性地采用大型直剪儀對高爐渣改良填料進行了大型壓縮試驗，以期得到粉煤灰改良高爐渣的壓縮特性，為在實際工程中應用該改良物質提供理論支撐。

2 試樣級配特性

高爐渣在鋼鐵冶煉過程中其顆粒內部會產生部分孔隙，這種孔隙率不是一個定值，本試驗以包頭鋼鐵廠所生產的高爐渣為試驗試樣，測得其平均孔隙率近似為10.6%，其密度為2.537g/cm3。

由于高爐渣經過重錘夯實過后會其粗顆粒被擊碎會產生一定量的細顆粒，本試驗根據夯實效果確定添加粉煤灰的含量為2%。取樣后對高爐渣和粉煤灰改良高爐渣分別進行了顆粒分析試驗，得到了兩種試驗試樣的級配曲線如圖1中曲線1所示，同時也得到了兩種試驗試樣的顆粒組成指標，參照粗粒土顆粒分析指標規定，高爐渣的粗顆粒含量P5為98.89。其不均勻系數Cu=2.38，曲率系數Cc=0.95。按照文獻[7]中的相關規定，高爐渣被歸類為級配不良的巨粒混合土。

試驗試樣 表2

對添加2%粉煤灰后的高爐渣混合料進行重錘夯實后，再進行顆粒分析試驗，得到了粉煤灰高爐渣混合料試樣的級配曲線如圖1的曲線2所示，混合料的粗顆粒含量P5為87.58，不均勻系數Cu為6.58，曲率系數Cc為1.29，按照文獻[7]中的相關規定，粉煤灰改良高爐渣混合料試樣被判定為級配良好的礫類土。

圖1 高爐渣與填料試樣的級配曲線

根據文獻[7]規定，試樣在進行大型壓縮試驗時所允許的顆粒最大粒徑應≤60mm。因此，需要對試樣進行過篩（篩孔為60mm）處理，過篩后的試樣級配曲線如圖1的曲線3所示，顆粒組成指標如表1所示。從圖1的級配曲線可以看出，壓縮試驗土樣與粉煤灰改良后的混合料試樣顆粒組成比較接近，可以認為該試驗結果可作為實際工程施工時現場填料的壓縮性能指標。

3 試驗儀器與試驗方案

3.1 儀器簡介及制樣方法

為了試驗數據的準確性，對粗粒土進行壓縮試驗必須采用大型壓縮儀，文獻[7]規定，固結容器的直徑（D）與高度（H）之比為2～2.5，大型直剪儀的剪切盒可以滿足要求，為此本文創新性地采用了大型直剪儀來進行大型壓縮試驗。

試驗所用的壓縮儀為應力與應變雙控式大型直剪儀，如圖2所示。試樣盒為長方體型，其尺寸為：高×寬×長=200×400×600mm。此試驗儀器適用于最大粒徑為60mm的試樣。

圖2 試驗儀器

由于高爐渣本身作為一種工業廢料在其傾倒過程中其顆粒分布具有不確定性（即擾動性），所以本試驗的試樣制備方法也采用擾動法制樣。在制備試樣時，由于直接向剪切盒傾倒試樣會存在粗細顆粒不均勻甚至發生一定程度的離析，為避免這種情況發生給試驗數據造成不準確的影響，采取分三次裝填試樣，每次先裝填1/3的高爐渣粗顆粒，再裝填細顆粒，然后搗實，如此反復3次直到裝滿試樣為止，在裝填試樣接近剪切盒頂部時，要預留1cm的高度空間不要填滿，用于放置剪切盒上部蓋板。通過粗細顆粒分層加入和搗實可以有效地避免粗細顆粒離析，使試驗得到的數據與實際施工現場比較接近。

3.2 試驗方案

本試驗的主要目的是測定粉煤灰改良高爐渣混合料經夯實后的壓縮性能指標及含水量對壓縮性能指標的影響。表2為三次壓縮試驗時的試樣基本信息，其中干料為在室內進行風干處理的試樣，其含水量為0，濕料為摻水使其含水率達到8%的試樣。

本試驗的加載（卸）方式（如圖3所示）為：分級加載、分級卸載與分級再加載。試驗過程中根據法向加載板的豎向位移變化來確定每級加載的穩定時間，一般在2min內加載板豎向位移無變化時認為達到穩定，然后方可進行下一級加（卸）載。

圖3 豎向壓應力與時間關系曲線

4 試驗結果分析

4.1 高爐渣改良填料壓縮特性

圖4為壓縮試驗的加載板沉降量與時間關系曲線。從圖中可以看出，在加載階段每級荷載的加載板沉降穩定所需時間相對較長，再加載階段其次，卸載階段最少。

圖4 加載板沉降量與時間關系曲線

圖5為三組試驗的加載板沉降量與豎向壓應力的關系曲線，該加載板沉降量取得是每級加載時加載板位移穩定時的數據。如圖所示，1號和3號試驗的加載板沉降量相差非常小，1號、3號與2號試驗的加載板沉降量有一定相差，而3號為含水率為8%的試樣，1號則為不含水的干試樣，這說明粉煤灰改良高爐渣試樣受水的影響非常小，幾乎可以忽略不計，混合料具有良好的水穩定性，同時也說明2號試樣的顆粒組成與1號和3號試樣有一定差別，試樣具有一定的離散性。

圖5 加載板沉降量與豎向壓應力關系曲線

根據文獻[8]的側限壓縮模量Es的定義，計算如式（1）所示：

式中△σ′為有效應力增量，△ε為壓縮應變增量。

粉煤灰改良高爐渣試樣中的細粒含量較少，混合料的透水性較好，孔隙水壓力幾乎不存在，可以認為總應力等同于有效應力。基于該條件假設，可以計算出不同加載階段的側限壓縮模量（如圖6所示）。從圖6可看出，當豎向壓應力由100kPa上升到200kPa時，側限壓縮模量Es均小于20MPa，根據文獻[8]給出的土的壓縮性指標：壓縮模量為4～20MPa時為中等壓縮性，可以判定粉煤灰高爐渣混合料為中等壓縮性粗粒土，由于本實驗中粉煤灰參量較少，進而可以判定該高爐渣為中等壓縮性粗粒土。

如圖6所示，首次加載時的壓縮模量Es較小，均小于25MPa；卸載時的壓縮模量Es最大，隨著卸載量的增加，壓縮模量Es逐漸減小；二次加載時的壓縮模量Es先增大，后減小；二次加載階段的壓縮模量Es比首次加載階段的壓縮模量Es大了數倍，這是因為首次加載消除了試樣的大部分塑性變形。

圖6 側限壓縮模量與豎向壓應力關系曲線

本試驗測得高爐渣為中等壓縮性粗粒土，主要原因是高爐渣中的細料較少，在壓縮時發生了明顯的顆粒重新排列和破碎（見圖7），在實際工程應用中，為使高爐渣作為工程填料不發生明顯的壓縮，有必要調整高爐渣的級配組成，向其摻加細料是一種可行的辦法，根據文獻[9]關于粗粒土的工程特性描述，粗粒土在其細顆粒含量（小于5mm的顆粒含量）為30%時能獲得最佳的工程力學性能。因此，應對高爐渣進行摻細料改良使其細顆粒含量不少于總質量的30%。

圖7 顆粒棱角壓碎與長扁狀顆粒折斷

在實際工程施工中，對于高填方工程，施工現場一般要采用強夯等壓實措施保證填料的壓實性，這勢必會使填料發生一定程度的顆粒破碎，這種情形與室內試驗二次加載后的情形較相似，為使室內試驗數據能更好地指導現場施工，建議對高爐渣填料的壓縮模量取二次加載的壓縮模量。

5 結論

粉煤灰改良高爐渣混合料大型壓縮試驗結果表明：含水量對粉煤灰改良高爐渣混合料的壓縮性基本沒有影響，混合料的水穩定性較好；壓縮試驗首次加載過程中的壓縮量主要由顆粒重新排列和破碎導致；對高填方工程的壓縮模量Es取值應取室內壓縮試驗的二次加載時的壓縮模量Es。為減小工后長期沉降和發揮粉煤灰的膠結作用，在對高爐渣進行改良時應摻加細料使其細顆粒含量P5含量接近30%。