鋼鐵冶煉廢料高爐渣的強(qiáng)度特性研究

王春林 （安徽省路橋工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

隨著現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，我國(guó)早已成為世界第一鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，我國(guó)的冶煉鋼鐵大多采用高爐熔煉，此過程會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物：高爐渣。有分析指出，在鋼鐵廠每煉1噸鐵要產(chǎn)生0.3～1t高爐渣，如此數(shù)量龐大的煉鐵廢物如何處理成為各鋼鐵廠面臨的大問題。從高爐渣的化學(xué)成分分析來看它主要由氧化鈣和二氧化硅等組成，并不是一種環(huán)境污染物，甚至是可以再生利用的礦物質(zhì)。為了充分處理如此大量的工業(yè)廢物，目前我國(guó)已有大量關(guān)于高爐渣的應(yīng)用實(shí)例，如以高爐渣為材料生產(chǎn)隔熱材料礦棉、開發(fā)高性能礦渣水泥、開發(fā)仿玄武巖制品等，也可以用在工程建設(shè)領(lǐng)域如代替生產(chǎn)加工石料用于公路、機(jī)場(chǎng)、地基工程、鐵路道渣、混凝土骨料和瀝青路面等。在公路和鐵路的路基填筑中大量應(yīng)用高爐渣的例子已經(jīng)很多。當(dāng)用高爐渣填筑公鐵路的高填方地段時(shí)，為了控制高爐渣填筑的路基、地基或邊坡的穩(wěn)定性，需要對(duì)其強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，由于高爐渣中的天然細(xì)顆粒含量較少，為了得到良好工程力學(xué)特性，一般要對(duì)其重新加工（解小顆粒粒徑）或摻加細(xì)顆粒物質(zhì)改良，如添加粉煤灰、粉質(zhì)粘土等細(xì)顆粒物質(zhì)。

本文以高爐渣適當(dāng)添加粉煤灰為研究對(duì)象，在室內(nèi)進(jìn)行了大型剪切試驗(yàn)，以期得到粉煤灰改良高爐渣的剪切強(qiáng)度特性，為在實(shí)際工程中應(yīng)用該改良物質(zhì)提供理論支撐。

2 試樣級(jí)配特性

高爐渣在鋼鐵冶煉過程中漂浮在鐵水上面的浮渣，其顆粒內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生部分孔隙，這種孔隙率不是一個(gè)定值，不同的鐵礦石原料會(huì)產(chǎn)生不同的數(shù)值，本試驗(yàn)以內(nèi)蒙古包頭鋼鐵廠所生產(chǎn)的高爐渣為試驗(yàn)材料，通過平均法測(cè)得其平均孔隙率近似為10.6%，其密度為2.537g/cm。

高爐渣在夯實(shí)過程中會(huì)產(chǎn)生顆粒破碎，其粗顆粒被擊碎會(huì)產(chǎn)生一定量的細(xì)顆粒，本試驗(yàn)根據(jù)夯實(shí)效果分析擬添加粉煤灰的含量為2%。然后對(duì)純高爐渣試樣和粉煤灰改良高爐渣試樣分別進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)，得到了兩種試驗(yàn)試樣的級(jí)配曲線如圖1中曲線1所示，同時(shí)也得到了兩種試驗(yàn)試樣的顆粒組成指標(biāo)，參照粗粒土顆粒分析指標(biāo)規(guī)定，高爐渣的粗顆粒含量P為98.89。其不均勻系數(shù)C=2.38，曲率系數(shù)C=0.95。按照文獻(xiàn)[6]中的相關(guān)規(guī)定，該高爐渣被歸類為級(jí)配不良的巨粒混合土。

圖1 高爐渣與填料試樣的級(jí)配曲線

在實(shí)際工程施工中，會(huì)對(duì)高爐渣填料進(jìn)行振動(dòng)碾壓和強(qiáng)夯以保證壓實(shí)效果，本試驗(yàn)為模擬現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)高爐渣填料的影響，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室對(duì)添加2%粉煤灰后的高爐渣混合料進(jìn)行重錘夯實(shí)后，再進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，得到了粉煤灰高爐渣混合料試樣的級(jí)配曲線如圖1的曲線2所示，該做法可以有效地模擬現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)填料的工況，試驗(yàn)得出混合料的粗顆粒含量P為87.58，不均勻系數(shù)Cu為6.58，曲率系數(shù)Cc為1.29，按照文獻(xiàn)[6]中的相關(guān)規(guī)定，重錘夯實(shí)后的粉煤灰改良高爐渣混合料試樣被判定為級(jí)配良好的礫類土。該結(jié)果表明，高爐渣經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)重型壓實(shí)設(shè)備碾壓后，其級(jí)配組成也由級(jí)配不良的巨粒土變?yōu)榧?jí)配良好的礫類土。可以較好地用于填筑高速公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)等高等級(jí)工程項(xiàng)目路基或基礎(chǔ)。

3 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方案

3.1 儀器簡(jiǎn)介及制樣方法

大型結(jié)構(gòu)面剪切儀（簡(jiǎn)稱大型直剪儀）進(jìn)行的直接剪切試驗(yàn)即大型剪切試驗(yàn)，能適用于顆粒較粗土樣的剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)所用的大型直剪儀為應(yīng)力與應(yīng)變雙控式大型直剪儀，如圖2所示。本次剪切試驗(yàn)采用了應(yīng)變控制式，直剪速率為2mm/min。剪切盒為長(zhǎng)方體型，其尺寸為：高×寬×長(zhǎng)=200×400×600mm（下剪切盒高度為100mm，上剪切盒高度為110mm，裝樣時(shí)預(yù)留約10mm用于放置法向加載板）。此直剪儀適用于最大粒徑為60mm的試樣。大型直剪儀法向加載板上有豎向位移傳感器，在試驗(yàn)過程中通過讀取豎向位移傳感器的豎向位移數(shù)據(jù)來分析剪切試驗(yàn)中的剪縮與剪脹。

圖2 大型直剪儀

試驗(yàn)土樣的顆粒組成指標(biāo) 表1

當(dāng)采用大型直剪儀進(jìn)行直剪，由于高爐渣本身作為一種工業(yè)廢料在傾倒過程中其顆粒分布具有不確定性（即擾動(dòng)性），所以本試驗(yàn)的試樣制備方法也采用擾動(dòng)法制樣。在制備試樣時(shí)，直接向剪切盒傾倒試樣會(huì)存在粗細(xì)顆粒不均勻甚至發(fā)生一定程度的離析，為避免離析情況發(fā)生給試驗(yàn)數(shù)據(jù)造成不準(zhǔn)確的影響，試驗(yàn)采取按直剪儀剪切盒的高度分三次裝填試樣，每次先裝填三分之一的高爐渣粗顆粒，再裝填細(xì)顆粒，然后搗實(shí)，反復(fù)3次直到裝滿剪切盒為止，在裝填試樣接近剪切盒頂部時(shí)，要預(yù)留1cm的高度空間用于放置剪切盒上部蓋板。通過粗細(xì)顆粒分層加入和搗實(shí)可以有效地避免粗細(xì)顆粒離析，能夠保證了剪切面均勻，使試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)更加真實(shí)且有效。

3.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)的主要目的是了解粉煤灰改良高爐渣混合料經(jīng)夯實(shí)后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和混合料的水穩(wěn)定性。試驗(yàn)時(shí)分別對(duì)干料（烘干）及濕料進(jìn)行了剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)每次裝樣方法及搗實(shí)工藝相同，試驗(yàn)時(shí)分兩種情況，一種是干料，即填料在烘干狀態(tài)進(jìn)行剪切試驗(yàn)；一種是濕料，其含水量約為8%。干料與濕料在剪切試驗(yàn)時(shí)試樣的干密度均約為1.78 g/cm。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 抗剪強(qiáng)度參數(shù)特性分析

剪切試驗(yàn)結(jié)果分別如表2與圖3～圖4所示。從兩種試樣的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，水對(duì)這種粉煤灰改良高爐渣混合料剪切強(qiáng)度的影響很小，幾乎可以忽略不計(jì)，這說明該種混合料具有良好的水穩(wěn)定性，分析其原因，主要是因?yàn)樵摲N混合料中粗顆粒的含量對(duì)混合料的剪切強(qiáng)度起主要作用。最主要的還是以粗顆粒之間的摩擦力和咬合力為主。

剪切試驗(yàn)結(jié)果 表2

圖3、圖4為兩種不同含水量混合料的抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，可以看出，法向應(yīng)力150kPa為分界點(diǎn)，當(dāng)小于150kPa時(shí)，曲線的斜率較大，當(dāng)小于150kPa時(shí)，曲線的斜率較小。將兩種斜率的曲線分別延長(zhǎng)，可以看出當(dāng)法向應(yīng)力小于150kPa，抗剪強(qiáng)度中的粘聚力c值為負(fù)值，當(dāng)法向應(yīng)力大于150kPa，抗剪強(qiáng)度中的粘聚力c值為正值，但是我們知道該混合料是幾乎不存在黏性的，出現(xiàn)的粘聚力一定為某種近似力所致，由于混合料中的粗顆粒較多，可以判斷出該粘聚力為粗顆粒之間的咬合力所致，即表現(xiàn)出較大的咬合黏聚力。

圖3 干料的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系

圖4 濕料的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系

由此可知，粉煤灰改良高爐廢渣混合料的咬合黏聚力出現(xiàn)的臨界法向應(yīng)力值為150kPa。

4.2 剪脹性分析

在剪切試驗(yàn)進(jìn)行的過程中，會(huì)發(fā)生剪脹現(xiàn)象，這種現(xiàn)象表現(xiàn)為剪切盒前口會(huì)發(fā)生張開（如圖5所示），這種現(xiàn)象發(fā)生在剪切位移大約為2cm之后，為了了解該混合料剪切試驗(yàn)的剪脹性，通過對(duì)垂直壓力加載板的豎向位移進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。可以看出，在剪切位移約為2cm之前，垂直壓力加載板向下發(fā)生了位移，法向應(yīng)力越大，向下的位移越大，當(dāng)法向應(yīng)力達(dá)到500kPa時(shí)，其向下的位移可以達(dá)到約1mm。當(dāng)剪切位移超過2cm之后，垂直加載板開始發(fā)生向上的位移，表現(xiàn)為法向應(yīng)力越小，向上的位移越大。這說明粉煤灰改良高爐渣剪切試驗(yàn)是先發(fā)生減縮，再發(fā)生剪脹，法向應(yīng)力越大，減縮量越大，法向應(yīng)力越小，剪脹量越大。

圖5 剪切盒張開

圖6 干料試驗(yàn)時(shí)垂直加載板豎向位移與的剪切位移關(guān)系

之所以發(fā)生減縮現(xiàn)象是由于粗顆粒的相互嵌擠作用，而剪脹現(xiàn)象是由于剪切面粗顆粒發(fā)生翻滾和翻越作用所致。剪切試驗(yàn)的剪切面是一個(gè)復(fù)雜顆粒相互作用面。這種相互作用表現(xiàn)為粗顆粒之間發(fā)生著嵌擠、壓碎、錯(cuò)動(dòng)、翻滾、剪斷等，其中顆粒相互嵌入、壓碎可認(rèn)為導(dǎo)致試樣體積減小；顆粒錯(cuò)動(dòng)、翻滾可認(rèn)為導(dǎo)致試樣體積增大；顆粒剪斷可認(rèn)為試樣體積基本不變。

在剪切試驗(yàn)過程中，在不同法向應(yīng)力作用及不同的剪切位移階段，顆粒的主要作用形式不同，其中顆粒剪斷占主要作用形式一般發(fā)生在大豎向壓力作用下與較大剪切位移的情況下。從圖6可以看出，當(dāng)法向應(yīng)力在150kPa之上時(shí)，垂直加載板豎向位移比法向應(yīng)力為150kPa時(shí)小得多，豎向位移在法向應(yīng)力為50kPa和150kPa時(shí)較為接近。可以斷定，法向應(yīng)力在150kPa之上時(shí)，混合料的體積發(fā)生變化較小，剪切面主要以粗顆粒剪斷為主，伴隨剪脹量也比較小。

5 結(jié)論

粉煤灰改良高爐渣混合料剪切試驗(yàn)結(jié)果表明：混合料具有良好的水穩(wěn)定性；混合料在法向應(yīng)力值大于150kPa時(shí)產(chǎn)生咬合黏聚力；在剪切試驗(yàn)過程中先發(fā)生減縮，再發(fā)生剪脹，法向應(yīng)力越大，減縮量越大，法向應(yīng)力越小，剪脹量越大；法向應(yīng)力在150kPa之上時(shí)，混合料的體積發(fā)生變化較小，剪切面主要以粗顆粒剪斷為主，伴隨剪脹量也比較小。本試驗(yàn)結(jié)果可為相關(guān)利用高爐渣的實(shí)際工程提供理論支撐。