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公路基層鋼渣二灰土穩(wěn)定性試驗分析

2022-12-12 19:30:55安杰
交通世界 2022年28期
關(guān)鍵詞:側(cè)限灰土鋼渣

安杰

(唐山交通建設(shè)試驗檢測有限公司,河北 唐山 063000)

0 引言

鋼渣作為冶金工業(yè)的廢渣,其產(chǎn)生量逐年增加,鋼渣資源化利用問題日益受到各界的關(guān)注和重視。公路基層作為公路的重要組成部分之一,具有承上啟下的作用,一旦基層結(jié)構(gòu)失穩(wěn),將對路面結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重影響,因此,確?;鶎拥恼w穩(wěn)定性十分重要。二灰土在基層施工中較為常見,向二灰土中摻入適量的鋼渣,能夠達(dá)到改良的效果,可使基層的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。本文對公路基層鋼渣二灰土穩(wěn)定性試驗進(jìn)行分析。

1 工程概況

某公路工程中的一個路段全長11.765km,該路段所處地區(qū)的氣候變化較大,雨季集中在每年的7~8月,在此期間,公路路基處于保水狀態(tài)。在冬季時,受低溫影響,公路基層會形成季節(jié)性凍土,隨著凍融不斷循環(huán),基層材料的強(qiáng)度大量損失,基層穩(wěn)定性下降。為解決這一問題,可在基層施工摻入適量的鋼渣,制備成鋼渣二灰土。下文通過試驗分析鋼渣二灰土的穩(wěn)定性。

2 公路基層鋼渣二灰土穩(wěn)定性試驗

鋼渣二灰土穩(wěn)定性試驗包括以下內(nèi)容:界限含水率試驗、擊實試驗、干縮試驗、凍融循環(huán)試驗、無荷載浸水膨脹試驗、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗等。

2.1 原材料

2.1.1 黃土

從該路段中采取擾動黃土,由工程土分類可知,其屬于粉質(zhì)黏土的范疇。依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求,檢測土壤的物理性質(zhì),具體如下:直徑大于0.075mm的顆粒含量為9.1%,0.005~0.075mm的顆粒含量為83.3%,小于0.005mm的顆粒含量為8.6%;比重為2.661;最大干密度為1.74g/cm3,與之對應(yīng)的最佳含水量為15.4%;液、塑限及塑性指數(shù)分別為27.5%、18.2%和9.3,摻入鋼渣石灰混合料的細(xì)料適用于該地區(qū)的黃土,可在公路基層施工中應(yīng)用[1]。

2.1.2 二灰

主要為粉煤灰和石灰,前者的顆粒較細(xì)、比重小、孔洞多,形態(tài)以粉末狀為主,干密度相對較小。相關(guān)規(guī)范規(guī)定,用于公路基層的粉煤灰中氧化鋁、氧化鐵以及二氧化硅的總含量應(yīng)達(dá)到70%以上,燒失量不大于20%,比表面積大于2 500cm2/g[2]。通過檢測,用于試驗的粉煤灰氧化物總含量為71.2%,與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求相符;后者為膠凝材料,相關(guān)研究結(jié)果顯示,早期抗壓強(qiáng)度高的石灰改性土有利于壓實,遇水穩(wěn)定性好。石灰顆粒的表面積與細(xì)度有關(guān),二者成正比,即細(xì)度越大,表面積越大,摻量相同的前提下,與其他填料的結(jié)合越充分。本次試驗中使用的石灰,粒徑和有效活性均與現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求相符。

2.1.3 鋼渣粉

該材料中含有部分水泥熟料礦物,如鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣等,使鋼渣粉具備良好的活性和水硬性,水化反應(yīng)后,會生成具有膠凝性的水化產(chǎn)物,如水化鋁酸、氫氧化鈣等。本次試驗中,鋼渣粉的主要化學(xué)成分及組成百分比為:氧化鈣38.61%;三氧化二鐵27.88%;二氧化硅14.18%;氧化鎂00.35;三氧化二鋁4.56%;游離氧化鈣3.42%[3]。

2.2 試驗儀器

根據(jù)試驗內(nèi)容,準(zhǔn)備相應(yīng)的試驗儀器,具體如下:光電式液塑限測定儀(用于界限含水率試驗);數(shù)控電動擊實儀和電動脫模儀器(用于擊實試驗);標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)儀和千分表,一種的精度為0.001,另一種的精度為0.01(用于干縮試驗和無荷載浸水膨脹試驗);低溫試驗箱和恒溫恒濕保溫箱(用于凍融循環(huán)試驗);電液伺服萬能試驗機(jī)(用于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗)。

2.3 試樣配比

(1)通過摻入少量的粉煤灰能夠使二灰土的早期強(qiáng)度得到大幅提升,使道路施工早期強(qiáng)度低的問題得到有效解決,避免了對車輛通行,尤其是重載車輛通行的影響。采用摻入鋼渣粉的方法,對二灰土繼續(xù)改良,使其成為鋼渣二灰土,除了能解決強(qiáng)度問題外,還能使大量的鋼渣粉被有效利用,基層材料的遇水穩(wěn)定性也隨之提高。依托鋼渣粉摻入量的研究成果,在二灰鋼渣混合料不摻土的前提下,對比不同級配的性能,使鋼渣二灰土的應(yīng)用具有可行性。借助試驗,從中選出路用性能優(yōu)勢較大的摻量范圍,以指導(dǎo)施工。

(2)本次試驗中的鋼渣二灰土是一種混合料,由鋼渣粉、粉煤灰、石灰和黃土,按照一定比例加水拌和后,達(dá)到所測最大干密度和最佳含水率后,按96%以上的壓實度壓制而成。設(shè)計路基高度時,需要考慮路基所在區(qū)域的地表積水、地下水情況以及基底和填筑材料的毛細(xì)水作用。同時,要確保路基具有足夠的強(qiáng)度、耐久性和穩(wěn)定性,若是穩(wěn)定性不足,則應(yīng)采取相應(yīng)的措施處理,以減少工后沉降。壓實度應(yīng)與現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求相符,即上路堤,路面底面以下0.8~1.5m,一級和二級壓實度為94%,三級壓實度為93%;下路堤,路面底面1.5以下,一級壓實度為93%,二級和三級壓實度為92%[4]。

(3)三種齡期分別為14d、28d和56d,做飽水試驗時,需應(yīng)對上述三種齡期的試樣逐一測試,無荷載浸水膨脹、干縮、干濕及凍融循環(huán)試驗,則可選取齡期為28d的試樣,這是三種齡期中最具代表性的一種。

2.4 試驗方法

2.4.1 擊實試驗

本次試驗中,擊實試驗采用電動擊實儀完成,該方法在細(xì)粒土中具有良好的適用性。本次試驗中,采用甲類擊實方法,具體的試驗要點如下:

(1)按土體性質(zhì)做重型擊實試驗,在試驗正式開始前,應(yīng)預(yù)制5~7種不同含水量的散土樣,每種土樣的含水量相差2%左右,將土樣拌勻后,在常溫條件下,密封保存10h。

(2)采用分層的方法,將松散土樣分5層裝入擊實筒,裝入一層擊實一層,每一層的擊實次數(shù)為27次,待土樣成型后,將擊實筒取出,對土樣表層做拉毛處理,隨后使用脫模儀,將土樣從擊實筒中推出。

(3)土樣制成后,可從中心位置處取小樣,分別測定干、濕密度,據(jù)此獲得與該含水率相對應(yīng)的干密度。按上述步驟,對不同含水率的土樣逐一試驗,獲得不同的干密度后,繪制出相關(guān)曲線,最終得出該配比下的試樣最佳含水率和最大干密度。

2.4.2 無荷載浸水膨脹試驗

該試驗主要是測定在無荷載、有側(cè)限的條件下,試樣浸水后,豎直方向的膨脹高度,這個高度與試樣原高度的比值,即為膨脹率。這種方法在測定擊實土樣及原狀土樣的膨脹率方面具有良好的效果,能較為真實地反映出降雨或地下水升高引起的路基膨脹變形情況。試驗要點如下:

(1)分別取兩種不同齡期的試樣,一種為7d齡期,另一種為28d齡期,隨后在環(huán)刀上均勻涂抹凡士林,從試樣上切取直徑58mm、高35mm的試樣。隨后將切下的試樣放置在透水石上,置于器皿中,裝好百分表,使其觸針接觸到上部的透水石,但不發(fā)生偏移的現(xiàn)象。

(2)向器皿內(nèi)注入適量的蒸餾水,使水面與試樣的表面高度齊平,自注水便開始計時,直至不再膨脹為止,將變化停止的時間記錄下來。隨后依據(jù)相關(guān)公式計算出膨脹率,并繪制出關(guān)系曲線。

2.4.3 干縮試驗

干縮試驗在擊實黏質(zhì)土中具有良好的適用性,主要的試驗?zāi)康娜缦拢貉芯砍貭顟B(tài)下,無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定料暴露一段時間后的干縮量、干縮應(yīng)變、干縮系數(shù)以及失水率等數(shù)據(jù)的變化情況,繪制出相應(yīng)的關(guān)系曲線,分析失水程度與體積收縮變小的關(guān)系。試驗內(nèi)容如下:

(1)依據(jù)相關(guān)試驗規(guī)程的規(guī)定要求,干縮試驗需要細(xì)粒土制成的小梁試樣,每組4根,兩根用于測定干縮量,另外兩根用于測定失水量。

(2)取齡期為7d的試樣,放置于試驗裝置上,在正常溫濕度的條件下,每天測量一次千分表的讀數(shù),當(dāng)千分表的讀數(shù)不再發(fā)生變化時,說明試樣的含水量停止變化。

(3)對試樣每天的失水量及千分表上的收縮量數(shù)據(jù)如實記錄,依據(jù)規(guī)范中給出的公式,計算干縮試驗的相關(guān)指標(biāo)。

2.4.4 飽水試驗

基層是公路的重要組成部分之一,基本處于地下水位以上,地下水會呈現(xiàn)出上升的趨勢,上表面在蒸發(fā)作用下,會散失大量水分,含水率會隨之變化。通過對上述過程的模擬,可以為研究水對基層土體的侵蝕破壞提供參考依據(jù)。借助飽水試驗,可在不同飽水時間后,開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。從荷載、環(huán)境等角度,分析試樣在持續(xù)飽水破壞后的水穩(wěn)定性情況,就此判定鋼渣二灰土的水穩(wěn)定性是否與現(xiàn)行規(guī)范的要求相符。試驗內(nèi)容如下:

(1)依據(jù)相關(guān)試驗規(guī)程的規(guī)定,制作直徑為50m、高50mm的試樣,每組制作三個,分別測出無側(cè)限抗壓強(qiáng)度后,取平均值。隨后取三種不同齡期的試樣,分別為14d、28d和56d,將三種試樣全部置于自然環(huán)境中,風(fēng)干24h,隨后使試樣完全飽水。

(2)將濾紙墊在試樣的底部,以免轉(zhuǎn)移試樣時造成破損,隨后將試樣連同濾紙一并置于透水石上,向水槽內(nèi)注入清水,使水位達(dá)到透水石頂面以下1.0mm的位置處,此時水槽應(yīng)保持平穩(wěn)。在孔隙水壓力的影響下,以透水石替代吸水通道,模擬自然條件下的吸水過程,通過對吸水時間的控制,模擬出試樣的飽水過程。

(3)當(dāng)試樣吸水飽和后,其表面會存在一部分自由水,將其擦干后,依據(jù)相關(guān)試驗規(guī)程的要求,對試樣做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。在試驗過程中,要注意以下事項:將加載速度設(shè)定為勻速,控制在0.5MPa/s,加載速率保持在1.0mm/min,避免過慢或過快,影響試樣破壞的模擬效果[5]。按照規(guī)范給出的公式,計算出試樣飽水后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,據(jù)此分析不同試樣在不同飽水時間的變化規(guī)律。

2.4.5 干濕循環(huán)試驗

本工程所在地區(qū)的降雨集中在每年的7~8月,這兩個月中的降水量相對較大,全年的蒸發(fā)量也較大。使得公路基層土體常年處于干旱與降雨相互交替的環(huán)境中。在對改良的鋼渣二灰土開展干濕循環(huán)試驗時,需要模擬出當(dāng)?shù)氐母鞣N氣候條件,以循環(huán)吸水和失水的方式,使試樣膨脹、收縮,基于環(huán)境因素,分析試樣的破壞程度,據(jù)此判斷鋼渣二灰土的水穩(wěn)定性,看是否滿足規(guī)范要求。試驗要點如下:

(1)試樣的規(guī)格與飽水試驗的試樣規(guī)格相同,即直徑50mm、高度50mm。將試樣放置于自然環(huán)境中風(fēng)干24h,以此來模擬干燥過程。

(2)將試樣放置在鋪設(shè)濾紙的透水石上,置于水槽內(nèi),吸水24h后,為一個干濕循環(huán)。

(3)當(dāng)試樣吸水完畢后,可以做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗,先將表面的水擦干,利用相應(yīng)的公式,計算循環(huán)次數(shù)為2次、4次、6次、10次時試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,最終得出試樣的強(qiáng)度損失情況[6]。

2.4.6 凍融循環(huán)試驗

本工程所在地為季節(jié)性凍土區(qū),春秋兩個季節(jié)的晝夜溫差很大。土體在凍融作用下會出現(xiàn)凍脹及壓縮下沉等現(xiàn)象,由此對公路基層土體的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定程度的影響?;诃h(huán)境因素,分析試樣的破壞情況,對試樣進(jìn)行凍融后,測出抗凍性指標(biāo),從而判斷鋼渣二灰土的穩(wěn)定性,看是否與相關(guān)規(guī)范要求相符。試驗內(nèi)容如下:

(1)選用圓柱形試樣,齡期為28d,直徑為102mm,高度為102mm,試驗開始前,先將試樣以密封的方式保存。

(2)將試驗中的凍結(jié)溫度調(diào)節(jié)至-20℃,融化溫度調(diào)節(jié)為20℃,由于試樣處于密封狀態(tài),在不失水的前提下開展冷凍-融化的循環(huán)試驗,循環(huán)次數(shù)為1次、2次、5次和10次[7]。對融化后的試樣做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗,按照相關(guān)公式,計算出試樣的強(qiáng)度損失程度及抗凍性指標(biāo)。

(3)試樣在凍融一次后,強(qiáng)度出現(xiàn)下降的趨勢,速率相對比較平緩,當(dāng)試樣冷凍后,部分孔隙水結(jié)冰,導(dǎo)致體積膨脹。土中的水力梯度開始擴(kuò)大,對凍結(jié)的部分產(chǎn)生凍脹作用,在凍脹過程中,土層產(chǎn)生出一定的膨脹力,使土體顆粒之間相互擠壓,結(jié)構(gòu)隨之變得疏松,土顆粒的粒距增大,與水混合后,出現(xiàn)鼓脹的現(xiàn)象[8]。經(jīng)過5次凍融循環(huán)后,冰凍膠結(jié)和凍脹破壞的效果全部開始減弱,抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定;經(jīng)過10次凍融后,試樣仍然保持較高的抗壓強(qiáng)度,由此說明,鋼渣二灰土的穩(wěn)定性較高。

3 結(jié)語

為驗證鋼渣對公路基層二灰土的改良效果,通過試驗,研究分析了鋼渣二灰土的干縮、膨脹、抗凍性、水穩(wěn)定性以及抗壓強(qiáng)度等工程特性,為鋼渣的資源化利用提供支撐。經(jīng)過鋼渣改良后的二灰土基層,整體穩(wěn)定性得到大幅度提升,可以保證公路的施工質(zhì)量。

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