钢渣改良粉质黏土小应变动力特性试验研究

李 伟，王 泽，李福栋，王挥云

(1.沈阳建筑大学 土木工程学院, 辽宁 沈阳 110168;2.东北大学 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110819;3.中铁十九局矿业投资有限公司, 北京 100161)

粉质黏土软弱层在我国东部沿海地区及内陆江湖沿线区域均有大面积分布，随着我国城市化建设的稳步推进和市政公用工程的逐步完善，大量公用与民用建筑物和基础设施的规划已无法避开粉质黏土地基。而粉质黏土地基较差的整体稳定性决定了其在面临长时间循环往复、强度远小于土体抗剪强度的特殊荷载时，往往伴有过大的沉降。由于地基土体在处于微小的应变幅值阶段，需格外关注其线弹性小变形下的动剪模量和阻尼比。这两个参数涉及到工程的安全性和经济性，因而在对粉质黏土地基进行加固处理时，深入研究其动剪模量和阻尼比，具有很强的实际意义。

近十年来，国内外学者关于钢渣的资源化综合利用的研究取得了一定突破。Abu-Eishaha等[1]将经处理的钢渣掺入混凝土材料并分析了其力学特性。结果表明，钢渣不仅有利于提高混凝土的力学性能，还能够大大减少水泥用量，避免过量水泥造成的水化热。Baciocchia等[2]解决了钢渣中因含f-CaO和f-MgO引起的不稳定问题，并进一步使两者与空气中的二氧化碳充分反应，制造出可应用于实际工程的钢渣砖。Palankar等[3]采用钢渣作为粗集料，可形成钢渣团聚体，大大提高了混凝土的耐久性能。Kriskova等[4]研究发现，钢渣经机械研磨后所形成的小粒径钢渣粉可迅速水化，从而提高活性。Ashango等[5]分析了钢渣粉用于膨胀土的稳定性，并进行了大量的静、动力特性试验。结果表明，钢渣混合土的无侧限抗压强度增长至原先的2倍，动弹模量比原先增长了58%～78%。 李伟等[6]将钢渣按一定比例掺入砂土中进行了常规三轴压缩试验，结果表明，经搅拌和压实后的混合土体具有较小的压缩性，不仅改善了抗剪强度，还有效提高了地基承载能力。在土动力学领域，Airey等[7]就水泥砂土混合料进行了动力学试验，探索出动剪模量与围压的关系，并给出了在不同水泥掺量下的动强度参考值。针对水泥黏土混合料，张鹏等[8]分别在黏土中加入一定比例的矿渣水泥、普通水泥和水玻璃，进行了共振柱试验。然而，虽然目前关于钢渣可应用性的研究较为深入，但以钢渣作为粉质黏土地基处理材料却极少见到。并且对于混合土体的研究多集中于大应变条件下的动三轴试验，而对于钢渣粉质黏土混合料的小应变动力特性研究很少涉及。

因此，本文将钢渣掺入到粉质黏土中，进一步分析钢渣粉质黏土混合料在小应变下的动剪模量和阻尼比变化规律，为钢渣替代传统水泥用于地基加固提供一定的数据参考。

1 试验介绍

1.1 钢渣的矿物组成及理化性质

试验所选用的钢渣与普通硅酸盐水泥具有相类似的水化机理，其所含的硅酸二钙、硅酸三钙决定了钢渣具有胶凝活性，如与土体中的孔隙水发生充分水化反应，可生成具有胶凝特性的水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙，使土骨架大大充实，提高地基承载力。

表1为钢渣物理力学性能指标，钢渣经长期陈化后，粉化率显著降低，其强度、压碎值和磨耗率均符合规范值，钢渣具有良好的物理力学性质，有利于提高钢渣的稳定性。根据相关研究结论[11]，游离氧化钙的含量在很大程度上对钢渣稳定性有着重要影响，游离氧化钙含量越多，稳定性越差。经过一定时间陈化的钢渣，在不减弱其活性的前提下，不仅能提高稳定性，还可改善其初始的胶凝特性。在陈化过程中，f-CaO、C2S、及C3S与空气中的水反应生成的Ca(OH)2，继续与空气中的CO2结合形成CaCO3沉淀，并伴有硅酸盐矿物的水化生成大量具有胶凝特性的水化硅酸钙凝胶(C-S-H)等。陈化过程的示意如图1所示。

表1 钢渣性能指标[9-10]

图1 硅酸盐矿物和f-CaO的转化过程

1.2 试样制备及试验方案

本试验钢渣来自抚顺新抚钢公司，经长期陈化、研磨，稳定性较好，莫氏硬度为6.5，密度为3.40 g/cm3。其级配曲线如图2，计算可得Cu=5.76，Cc=0.85，表明钢渣颗粒级配均匀，有助于活性的发挥并减少不均匀效应对试验结果的误差。粉质黏土为重塑土样，试验所用土样取自沈阳市南郊7 m～8 m的粉质黏土层，该粉质黏土的天然密度为1.91 g/cm3，塑性指数Ip为14.9。水泥采用普通硅酸盐水泥P.O.42.5。

图2 钢渣粒径分布曲线

为直观显示钢渣的改良效果，并与水泥的改良效果对比，依据相关研究结论[6,12-13]，分别将两种材料按照不同的配合比掺入粉质黏土，均匀喷洒无气水至试验土料，充分搅拌匀并经过密封湿润24 h，使含水率稳定。按照规范采用击实法制样，试件尺寸为φ50×100。对其进行1 d、3 d和7 d的养护，并施加50 kPa、100 kPa、150 kPa三种围压。配合比Gs20、Gs30、Gs40、Gs50分别表示钢渣在混合土体中占比为20%、30%、40%和50%。配合比Gc8、Gc12、Gc15分别表示水泥在混合土体中占比为8%、12%和15%。

1.3 试验仪器与试验方法

(1)

(2)

式中：ρ为试件的密度，g/cm3

阻尼比的计算式为

(3)

式中：N为振动次数；A1、An+1分别为断开激振后第1周、第n+1周的振动振幅。

2 结果分析与讨论

2.1 动剪模量

图3、图4、图5为各围压和养护龄期下动剪模量随动剪应变的变化曲线。

图3 养护1 d的G-γ变化曲线

由图可知，当围压和养护龄期相同时，钢渣混合土的动剪模量未随着钢渣含量的增加而连续增加。明显观察到，当配合比从20%增加至30%时，该混合土的动剪模量显著增加。当配合比从30%增加到40%时，动剪模量反而会减弱。当配合比增加到50%时，动剪模量仍然相应降低。对于水泥混合土，在围压和养护龄期保持不变时，水泥混合土的动剪模量在掺料含量8%至15%区间内，呈现出增加趋势。其中，水泥掺量比例为15%的情况下，动剪模量达到最大。

图4 养护3 d的G-γ变化曲线

试验结果分析表明，在较短的养护龄期下(1 d)，钢渣含量占比30%时的动剪模量略低于水泥含量占比15%时的结果值。而在较长的养护龄期下(3 d、7 d)，钢渣含量占比30%时的动剪模量则显然高于水泥含量占比15%时的结果值；钢渣含量占比为20%、40%时的动剪模量接近于水泥含量占比为12%时的动剪模量，其中钢渣含量占比为20%条件下的动剪模量在养护龄期达到7 d后会明显超过水泥含量为20%对应的动剪模量；随着钢渣含量占比的提高，动剪模量在掺量为50%的条件下大致靠近水泥含量占比8%的结果值，且在养护龄期达到7 d时，其动剪模量会出现反超水泥含量占比为8%的情况。由此项试验数据对比可知，将钢渣用作粉质黏土地基处理材料时会出现早期强度低于水泥的现象，但在得到充分养护后，后期强度会超过水泥，能够较好地对土颗粒进行胶结加固。

本研究采用RPH联合瘘管切除术对痔合并肛瘘患者进行治疗发现,采用RPH联合瘘管切除术治疗后B组患者术后24h疼痛评分低于A组,术后首次排便时间疼痛持续时间、手术时间以及术后恢复时间均短于A组(P<0.05);B组术后并发症发生率低于A组(P<0.05),但两组治疗的总有效率无显著差异(P>0.05)。

图5 养护7 d的G-γ变化曲线

2.2 阻尼比

图6、图7、图8为各围压和养护龄期下阻尼比随动剪应变的变化曲线。由图可知，钢渣混合土的阻尼比并非随着钢渣含量占比的提高而持续增长，而是整体呈先大后小的现象，并在钢渣含量占比30%时达到最大值。其中，钢渣含量占比在20%～30%区间段内，阻尼比呈现增长趋势，而在30%～40%、40%～50%区间段内，阻尼比则随钢渣含量占比的提高呈现减小趋势。对于水泥粉质黏土混合料而言，水泥含量的增加使得水泥粉质黏土混合料的阻尼比随之增大，即当水泥含量为15%时，水泥粉质黏土混合料的阻尼比达到最大值。水泥混合土的阻尼比随水泥含量占比在8%～15%区间段内整体呈持续增长的现象，并在水泥含量占比为15%时出现最大。上述试验结果表明，掺料配合比是两种混合土体阻尼比变化特点的关键影响因素。

图6 养护1 d的D-γ变化曲线

图7 养护3 d的D-γ变化曲线

图8 养护7 d的D-γ变化曲线

通过进一步对比分析，钢渣含量占比为30%时的阻尼比最接近于水泥含量占比为15%时的试验结果值。钢渣含量占比为50%时的阻尼比最接近于水泥含量占比为8%时的试验结果值,甚至略大于后者。结合前文的分析可知，钢渣粉质黏土混合料与水泥粉质黏土混合料随掺料配合比的阻尼比变化特点与其动剪模量一致，钢渣粉质黏土混合料的动剪模量和阻尼比均随钢渣掺量占比的提高先增后减；水泥粉质黏土混合料的动剪模量和阻尼比均随水泥掺量占比持续增长。

2.3 动力变形曲线的拟合

谢定义[14]已利用大量试验结果证明，归一化动剪模量随动剪应变变化关系曲线可以较为准确的描述动剪模量的衰减规律，已成为研究土动力学参数的重要工具。本文采用Kondner经验公式(式(4))和胡文尧修正阻尼曲线关系式(式(5))对试验数据进行归一化G/Gmax处理并和阻尼比D与动剪应变γ拟合,得到不同配合比条件下的G/Gmax-γ曲线和D-γ曲线。

(4)

(5)

式中：Gmax为最大动剪模量；γ为动剪应变；γr为参考剪应变，对应于0.5Gmax时的动剪应变值。γr越大，表示动剪模量和阻尼比变化速率越快。Dmax为最大阻尼比；m为试验参数。

为了得到具有普遍性的试验结果，从而更好地分析动剪模量和阻尼比受配合比的影响程度，图9给出了养护7 d时，不同配合比下动剪模量比和阻尼比拟合曲线。

图9 不同配合比下动剪模量比和阻尼比拟合曲线

由图9可知，钢渣混合土和水泥混合土在不同配合比条件下所得的G/Gmax-γ和D-γ两种曲线试验点取得了较好的拟合结果，其离散性小且均集中于一个小范围内。动剪模量整体上随动剪应变的增加而减小，阻尼比随动剪应变的增加而提高。在小应变范围内，动剪模量比在10-6～10-5之间较为稳定，其值接近于1。在10-5～10-4之间，动剪模量比开始出现缓慢衰减的现象。阻尼比在10-6～10-5之间增速较小，在10-5～10-4之间开始出现增长趋势。但随着应变增长至10-4之后，动剪模量比随动剪应变的增长呈快速衰减趋势，在应变过大时接近于0。阻尼比在应变为10-4～10-3之间显著提高，并在达到10-3后逐渐趋于稳定，趋于最大值。在同等的应变水平下，钢渣混合土体的动剪模量和阻尼比有相同的变化趋势，均在掺料含量在20%至50%区段内先增后减，并在掺料占比为30%达到最大，接近于水泥混合土在掺料占比为15%时所对应的动剪模量和阻尼比。

2.4 最大动剪模量

图10为钢渣混合土最大动剪模量随钢渣含量的变化曲线。可见在给定相同围压和养护龄期条件下，配合比是钢渣混合土最大动剪模量的主要影响因素，本文将对此开展详细的论述分析。

由图10可知，在给定相同围压和养护龄期条件下，最大动剪模量会在钢渣配比含量为30%时出现最大值，在钢渣配比为50%时出现最小值。钢渣配比含量为40%的最大动剪模量略大于配比含量为20%时所对应的结果值，但数值几近相等。从总体变化特点分析可知，最大动剪模量增减趋势相同，并伴随钢渣掺量提高，呈现先增后减的现象。其机理的关键在于30%的钢渣含量是使其水化反应最充分的配比值，进而最大动剪模量在此处达到最大；20%的钢渣含量则会导致水化反应不完全，因而试验结果值未产生出现最值的情况；若钢渣配比含量过大时(40%、50%)，过多的掺料不能与土体中的孔隙水发生水化反应，致使最大动剪模量大大降低。综上所述，30%的钢渣掺量可作为改善粉质黏土地基小应变动力特性的最佳配合比。

图10 钢渣含量与最大动剪模量的关系曲线

图11为水泥混合土最大动剪模量随水泥含量的变化曲线。由图11可知，在相同围压和养护龄期下，最大动剪模量会在水泥配比含量为15%时出现最大值，在水泥配比为8%时出现最小值。在水泥含量占比区间为8%～15%时，水泥粉质黏土混合料的最大动剪模量随水泥掺量的提高，呈现出单调递增的趋势。当围压较低时，最大动剪模量随水泥配比变化的增长速度均大体一致。而当围压较高时，其增长速度则存在明显差异。其中，在水泥含量占比为8%～12%区间段内的增长速度均小于12%～15%区间段内。这种现象的主要原因在于水泥的掺加填充了土骨架中的孔隙，并与孔隙水充分反应，使混合土体结构更为紧密，外在表现为抗剪强度得到大幅提高，部分抵消了围压效应带来的影响。

图11 水泥含量与最大动剪模量的关系曲线

结合图10、图11可以更加直观的对比两种混合土体动力参数受掺料配合比的影响。钢渣含量配比为30%时所对应的最大动剪模量与水泥掺量为15%时所对应的试验结果尽相吻合，甚至略微大于后者。钢渣含量配比为20%时所对应的最大动剪模量接近于水泥掺量为12%的情况。钢渣含量配比为50%时所对应的最大动剪模量接近于水泥掺量为8%的情况。

2.5 最大阻尼比

图12、图13为两种混合土体的最大阻尼比随配合比变化曲线。如图所示，在围压和养护龄期固定的条件下，钢渣混合土的最大阻尼比在钢渣含量占比为20%～50%区间段内呈先增后减的现象，并在掺料配比为30%时出现最大值。同等条件下，水泥混合土的最大阻尼比在水泥含量占比在8%至15%区间段内呈单调递增的现象，并在掺料配比为15%时出现最大值。

图12 钢渣含量与最大阻尼比的关系曲线

结合图12、图13可以更加直观的对比两种混合土体动力参数受掺料配合比的影响。钢渣含量配比为30%时所对应的最大阻尼比与水泥掺量为15%时所对应的试验结果相接近。钢渣含量配比为50%时所对应的最大阻尼比接近于水泥掺量为8%的情况。在养护龄期较短(1 d、3 d)时，水泥含量配比为12%时所对应的最大阻尼比接近于钢渣掺量为40%的情况。在养护龄期较长(7 d)时，水泥含量配比为12%时所对应的最大阻尼比接近于钢渣掺量为20%的情况。

图13 水泥含量与最大阻尼比的关系曲线

2.6 机理分析

钢渣加固粉质黏土的关键，是由于其中的矿物成分能与土体中的孔隙水发生水化反应，产生大量胶凝性物质。小应变下的动力参数变化就是由胶凝材料的含量和结构决定的。在钢渣含量为20%时，少量钢渣与土体中孔隙水生成的胶凝物质含量低，土颗粒黏聚力差，钢渣仅仅起到填充土骨架的作用，因而动剪模量会较低。根据相关研究[15-16]，此时混合土在微观上呈团聚堆叠结构，少量的水化硅酸钙凝胶以针状呈现，两种材料颗粒之间不能紧密贴合，在激振力的作用下发生剧烈摩擦，而较硬的钢渣颗粒变形能力小，无法消耗较多的能量，进而导致阻尼比较低。

伴随钢渣的继续掺入，含量达到30%时，钢渣中的硅酸二钙、硅酸三钙分别与孔隙水发生充分的水化反应，产生足量的氢氧化钙和水化硅酸盐凝胶。其中的氢氧化钙构建了碱性环境，提高了钢渣活性，加速了水化反应，二次生成水化硅酸钙凝胶。加之钢渣本身的填充作用，颗粒之间趋于致密，有足够的能力抵抗剪切变形，进而土体的动剪模量得到大大改善。此时混合土团聚体结构变大，水化硅酸钙凝胶已由针状结构生长为片状网格结构，并有效嵌固在土颗粒之间，整体趋于稳定。由于两种材料颗粒紧密嵌套，在小应变作用下发生弹性变形时，抵消了大部分能量，提高了阻尼比。

但钢渣含量不断提高，达到40%、50%时，尽管水化产生的胶凝物质进一步增加，但由于土颗粒占比的降低，使土体的孔隙比变大。此时片状网络结构会相应增多，颗粒之间几乎全部被胶凝物质隔开，导致土体过于软弱，在受到扭转激振时，出现阻尼比偏大的现象，极易发生剪切破坏。

3 结 论

(1) 钢渣粉质黏土混合土的动剪模量和最大动剪模量在配合比为20%～50%区间段内呈先增后减的变化规律，且均在掺料占比为30%时达到最大。水泥粉质黏土混合土的动剪模量和最大动剪模量在配合比为8%～15%区间段呈单调递增的变化规律，且皆在掺料占比为15%时达到最大。钢渣占比30%时所对应的动剪模量和最大动剪模量接近于水泥占比15%时的试验结果值。

(2) 钢渣粉质黏土混合土的阻尼比和最大阻尼比在配合比为20%～50%区间段内呈先增后减的变化规律，且均在掺料占比为30%时达到最大。水泥粉质黏土混合土的阻尼比和最大阻尼比在配合比为8%～15%区间段呈单调递增的变化规律，且皆在掺料占比为15%时达到最大。钢渣占比30%时所对应的阻尼比和最大阻尼比接近于水泥占比15%时的试验结果值。

(3) 掺料配合比对钢渣粉质黏土混合土的小应变动力参数影响显著，其在不同钢渣占比下的动剪模量和阻尼比试验结果差异明显。试验研究可知，钢渣含量占比30%的混合土体动剪模量优于水泥含量占比15%的混合土体，并具有较大的阻尼比。既能有效的抵抗剪切变形，又具有良好的减震性。表明钢渣能够改善粉质黏土地基的动力特性，钢渣含量为30%时，可代替15%及以下含量的水泥用于粉质黏土地基加固。