钢渣粉+水泥掺合料改良膨胀土试验研究

李鑫王浩

摘要：为了提高资源的利用率，减少废弃钢渣粉对环境造成的不利影响，对钢渣粉掺和水泥改良膨胀土的特性进行试验研究。通过制作纯膨胀土、5%水泥+膨胀土、10%水泥+膨胀土、5%水泥+10%钢渣粉+膨胀土、10%水泥+10%钢渣粉+膨胀土这五种类型的试样，分别养护7d与60d后，对五种试样的最优含水率、最大干密度、无侧限抗压强度、自由膨胀率以及自由膨胀比进行测定。验证了钢渣粉+水泥掺合料改良膨胀土的可行性，同时也为钢渣粉的利用提供了一定的理论基础。

关键词：钢渣粉；无侧限抗压强度；自由膨胀率；自由膨胀比

1引言

膨胀土主要是由强亲水性的黏土矿物蒙脱石以及伊利石组成，是一种具有膨胀性、多裂隙性和超固结性的高塑性粘性土。我国膨胀土分布广泛，主要分布在湖北、山东、贵州、安徽、陕西等地。由于膨胀土显著的胀缩特性，使得膨胀土地区的建筑、铁路、公路、机场等经常遭受巨大的破坏，容易造成重大的经济损失。

膨胀土地质灾害是工程建设中最突出的问题之一，对膨胀土性能的改良是研究膨胀土工程处理的重要课题，研究具体涉及到化学、地质学、土力学等多个专业和学科。现阶段常用的膨胀土的改良方法主要有：换土法、喷射桩法、化学固化法以及一些生物改良法等，在诸多改良方法中，化学固化法是人们比较关注的一种方法，其主要通过向土中掺加一定量的掺加剂来达到固化的效果，如掺加石灰、水泥、矿渣、碱渣、粉煤灰等。胡斌等[1]将聚乙烯纤维掺加到膨胀土中，进行了无荷膨胀率试验以及膨胀力试验，实验结果表明掺加适量的聚乙烯纤维能够有效抑制膨胀土的膨胀，改善其收缩特性。李东森等[2]进行了石灰、水泥及砂改性膨胀土工程特性的试验，试验结果表明水泥和石灰对降低膨胀土的膨胀性有较好的效果。孙树林等[3]将碱渣掺入膨胀土中，发现碱渣可以降低膨胀土的膨胀性，并且膨胀土的膨胀性随着掺渣率的增加而明显的降低。国内外的学者对改良膨胀土进行了一系列的研究，取得了一些有意义的成果。但国内外利用钢渣粉+水泥掺合料改良膨胀土的相关研究还比较少。本文主要结合国内外研究成果，选取山东临沂地区的膨胀土进行改良试验，探讨钢渣粉+水泥改良膨胀土的可行性。

2试验材料的性质

试验所用土样是取自山东省临沂市某开挖基坑的膨胀土，土样埋深约1.0-1.5m，呈灰黑色，可塑，粘性较强，天然含水率高，裂隙面呈蜡状，光滑，具有典型的膨胀土的特征，膨胀性较弱为弱膨胀土。通过击实试验测得该膨胀土最大干密度为1.43g/cm-3,最优含水率为28.2%。试验所用钢渣粉由日照市炼钢厂炼钢所弃废渣经湿式磁选法处理，球磨加工而成，呈灰黑色粉末状，如图2所示。其主要矿物组成为C2S、C3S和MgO、Fe2O3、Al2O3、MnO等，比表面积为412m2/kg。试验所用水泥为32.5#普通硅酸盐水泥，如图3所示，比表面积为556m2/kg，其主要矿物成分为：CaO、SiO2、Al2O3、MgO等。具体成分如表1所示。

表1钢渣粉、水泥的主要化学成分及百分含量

3试样的制备及试验方法

3.1试样的制备

试验按照《土工试验规程》的标准进行。先将膨胀土风干碾碎后过2mm的筛，然后取足量试验需要的土样。试样制备时，按照一定比例（配比如表2所示）将称好的膨胀土土样与水泥、钢渣粉混合拌合均匀后，平铺于搪瓷内，然后将水均匀喷洒于土样上，然后拌合均匀后，用塑料薄膜密封，浸润一昼夜，用击样法制备试样。试样的含水率均取膨胀土的最优含水率28.2%。为了减少试验的误差，每个配比制备3个平行试样。试样制备完成后，放入标准养护箱中，养护条件为：养护温度为20±0.5℃，相对湿度为≥95%，养护7d、60d。养护完成后，进行相关试验。

表2钢渣粉+水泥配比试验表

图4电液伺服万能试验机

4试验结果分析

4.1试验结果分析

4.2.1不同试样的最优含水率与最大干密度比较

图6不同类型试样7d与60d无侧限抗压强度曲线图

对于纯膨胀土、5%水泥+膨胀土、10%水泥+膨胀土、5%水泥+10%钢渣粉+膨胀土、10%水泥+10%钢渣粉+膨胀土来说，随着试样养护龄期的增加，试样的无侧限抗压强度都呈现增大的趋势，但是对于纯膨胀土来说，无侧限抗压强度基本不变，可以看出养护龄期对其影响较小。

对于5%水泥+膨胀土、10%水泥+膨胀土来说，随养护龄期的增加，抗压强度增大，但10%水泥的强度增长幅度是大于5%水泥的，这是由于水泥掺入膨胀土以后，会发生水解和水化反应，生成胶凝物质会增强颗粒之间的连接作用，随着龄期的增加，水解和水化反应逐渐增强，使得连接作用增强；另一方面，由于离子之间的交换作用、团粒化作用、凝硬反应以及碳酸化作用，增大了膨胀土表面的吸附活性，使较大的土颗粒进一步团聚，团粒的增大使得膨胀土的塑性减小，强度增大，水泥的掺入同时促进了改良膨胀土自身骨架的形成，从而使得膨胀土抗压强度不断提高。

比较只掺入水泥的试样与水泥+钢渣粉均掺入的试样可以发现，在同一养护龄期，钢渣粉的掺入使得强度变化幅度增大。对比5%水泥+膨胀土与5%水泥+10%钢渣粉+膨胀土、10%水泥+膨胀土与10%水泥+10%钢渣粉+膨胀土，在同一水泥掺量条件下，钢渣粉的掺入使得试样的强度随养护龄期的增加产生的差值增大。这是由于随着养护龄龄期的增加，钢渣粉遇水水化作用增强，提高了孔隙溶液的pH值，水化反应生成大量的水化硅酸钙凝胶提高了试样的强度。

4.2.3不同试样自由膨胀率的比较

图8自由膨胀比曲线图

从图7可以看出，纯膨胀土随养护龄期的增加，膨胀率增大。其余类型的试样自由膨胀率在两个不同的养护龄期差距较小。不论养护龄期为7d还是60d，10%水泥+10%钢渣粉+膨胀土的自由膨胀率是最低的。由此可以看出，水泥以及钢渣粉的掺入，由于发生水化反应，游离出Ca2+、OH－，在膨胀土内部发生离子交换作用，改善了膨胀土的物理性质，削弱了膨胀土的膨胀性，由此可以看出钢渣粉对于改良膨胀土的膨胀性有显著效果。

比较图8中5种不同类型的试样，发现10%水泥+10%钢渣粉+膨胀土的自由膨胀比是最低的。不同试样随养护龄期的增加，自由膨胀比变化幅值不大，但是60d试样的自由膨胀比均稍大于7d试样的自由膨胀比，这是由于随着养护龄期的增加，膨胀土内部孔隙发生变化，孔隙内部黏粒的联结作用下降，使得膨胀性发生了变化。但是相比于纯膨胀土，掺加钢渣粉、水泥试样的自由膨胀比较小，验证了钢渣粉对于改良膨胀土的膨胀性有显著的效果。

结语：

（1）通过对五种不同类型试样进行对比，五种试样的最优含水率以及最大干密度差值不大。养护龄期对自由膨胀率以及自由膨胀比影响较小。10%水泥+10%钢渣粉+膨胀土的自由膨胀率以及自由膨胀比数值是最小的。

（2）五种试样养护7d与养护60d无侧限抗压强度的差值关系为：纯膨胀土＜5%水泥+膨胀土＜10%水泥+膨胀土＜5%水泥+10%钢渣粉+膨胀土＜10%水泥+10%钢渣粉+膨胀土。随着养护龄期的增加，10%水泥+10%钢渣粉+膨胀土的无侧限抗压强度增长幅度是最大的。

（3）通过上述的试验分析，可以得出掺加10%水泥和10%钢渣粉的试样强度明显比只掺加10%水泥的试样强度要高，说明通过掺加一定量的钢渣粉对于改善膨胀土的力学特性有显著作用，实现了钢渣粉废弃物的再利用，对于节约资源、改善生态环境，实现人与自然的和谐统一具有积极作用。

参考文献：

[1]胡斌,王新刚,连宝琴.纤维类材料改善膨胀土工程性能的适用性探讨[J].岩土工程学报,2010,32(S2):615-618.

[2]李东森,夏熙临,陈丛丛,等.石灰、水泥及砂改性膨胀土工程特性的试验研究[J].南水北调与水利科技,2011,9(4):25-27.

[3]孙树林,郑青海,唐俊,等.碱渣改良膨胀土室内试验研究[J].岩土力学,2012,33(6):1608-1612.