石灰鋼渣擠密樁混合料配比研究

楊廣慶，李三妮，葉朝良，焦國木

(石家莊鐵道大學土木工程學院，河北石家莊 050043)

鋼渣是一種工業廢料，已普遍應用于國內外建筑工程領域。如制備摻鋼渣水泥或摻鋼渣水泥混凝土［1-2］、用石灰鋼渣土作為道路基層或底基層材料［3］，用鋼渣樁進行地基處理［4］等。但把鋼渣與石灰同時應用到樁體中的實踐和研究還較少。室內試驗研究表明［5］，在石灰堿性環境下，石灰能激發鋼渣的活性，加速鋼渣的水化硬化，可提高鋼渣和石灰的強度和水穩性，尤其是摻細鋼渣的石灰鋼渣土其干縮性能優于石灰土［6］，因此可將鋼渣樁和石灰擠密樁進行綜合改進。

為了研究石灰鋼渣擠密樁混合料的最佳配比，本文依托河北省邢衡高速公路剛柔性長短樁復合地基試驗段項目進行了室內試驗，試驗根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》進行，研究石灰鋼渣擠密樁的強度和水穩性，探討其在地基處理中的適用性，以節約工程造價，減少鋼渣對環境的污染。

1 石灰鋼渣擠密樁的強度形成機理

鋼渣中含有與硅酸鹽水泥熟料相似的C2S和C3S，具有水化能力，但由于鋼渣的形成要經過高溫和急冷過程，導致這些礦物活性明顯降低。研究表明，摻入一定的石灰能激發鋼渣的活性。鋼渣玻璃體的主要化學鍵是 Si—O和Al—O，它們分別以［SiO4］四面體和［AlO4］四面體或［AlO6］配位多面體的形式存在。對于［SiO4］四面體而言，鋼渣經過破碎后，其表面存在斷鍵，并在堿性環境中發生化學反應而生成H3SiO－4，類似地［AlO4］生成H3AlO2－4，H3SiO－4和H3AlO2－4進而與Ca2+和Na+反應生成沸石類水化產物。沸石類水化產物發生交織與連生，使混合料的網絡結構逐漸形成和增強，有利于其強度的形成和水穩性的提高［5］。

游離氧化鈣f-CaO消解后生成的Ca(OH)2能與鋼渣中的活性氧化物發生火山灰反應，生成硅酸鈣、鋁酸鈣凝膠，這些水化產物將鋼渣顆粒很好地膠結在一起，有一部分Ca(OH)2與空氣中CO2反應，生成穩定的CaCO3，能提高混合料的強度。但在作為樁體材料時要嚴格控制這些游離氧化鈣，避免遇水體積膨脹嚴重造成樁體開裂而破壞。

石灰鋼渣擠密樁為密實結構，鋼渣粒料起骨架作用，石灰起填充孔隙和膠結作用。樁體的強度主要表現為膠結強度和骨架結構強度［6］，摻加一定的石灰能激發鋼渣的活性，而且能提高混合料的強度?；旌狭暇哂忻黠@的水硬性，石灰鋼渣擠密樁在機械打入成孔過程中對樁周圍土的擠密和樁體材料中石灰和鋼渣的吸水、膨脹以及與樁周土的離子交換、硬凝反應等，改善了樁周土的物理力學性質，并與樁周土一起共同構成復合地基。

2 試驗原材料

1)鋼渣

鋼渣為冀州市煉鐵產生的廢鋼渣，主要成分為橄欖石(Mg·Fe)2［SiO4］(主要由鎂橄欖石 Mg2SiO4和鐵橄欖石Fe2SiO4組成，硅酸二鈣2CaO·SiO2和硅酸三鈣3CaO·SiO2，鐵酸二鈣 2CaO·Fe2O3，氧化鈣 CaO 等，粒徑符合規定，具有規定的強度。其游離氧化鈣f-CaO的含量＜3%，最大粒徑37.5 mm。各種組分性能基本穩定，若在一定的堿性環境中對其活性進行激發，將能夠加速鋼渣的水化硬化。

2)白灰

使用袋裝熟石灰，保存期未超過3個月。石灰質量為國家標準Ⅲ級，CaO及MgO含量為65%，不低于規定要求的最低限55%。

3)土樣

土樣采集于邢衡高速公路K2+030和K2+407里程附近。土樣的工程分類為低液限粉質黏土，土中有機質含量未超過5%且不含有膨脹土。

3 樁體混合料配比設計

在石灰鋼渣擠密樁中，石灰為膠結材料，鋼渣粒料起骨架作用，混合料具有明顯的水硬性。因此應首先控制石灰的比例。同時鋼渣粒料是形成混合料強度的骨架結構的重要成分。鋼渣含量不足，混合料的骨架結構就會不穩定，強度難以達到要求;鋼渣含量過多，則結合料含量就會減少，無法形成足夠的膠結強度。因此，在混合料設計時應保證一個合理的粒料含量。綜合考慮上述因素，根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(T0841—2009)及有關文獻，結合地基處理設計與施工經驗，試驗擬選了12種混合料，其配合比(質量比)如表1中第1列所示。

4 試驗結果與分析

4.1 配合比和齡期對無側限抗壓強度的影響

12種配合比在相同條件下3個齡期各制作6個抗壓試件，選用φ150 mm×150 mm的試件，標準養護，分別測定7，28，90 d共3個齡期的無側限抗壓強度，取平行試驗的平均值作為試驗代表值。共制作12×6×3=216個試件。各配合比試樣在不同齡期的無側限抗壓強度如表1所示。

表1 不同齡期的石灰鋼渣試樣無側限抗壓強度平均值

從表1可知:

1)灰土比和齡期一定時，隨著鋼渣含量增加，樁體的抗壓強度變化均是先增加后減小，而且均是鋼渣摻量35%時的強度較30%時的強度低。如圖1中灰土質量比為7∶100時，隨著鋼渣含量的增加，樁體試樣的前期和后期的抗壓強度均是先增加后減少。這是由于如果鋼渣含量不足，則混合料的骨架結構就不穩定，強度難以達到要求;但若鋼渣含量過多，則結合料含量就會減少，無法形成足夠的膠結強度。

圖1 灰土比為7∶100試件抗壓強度隨鋼渣摻量的變化曲線

2)石灰鋼渣擠密樁樁體的早期強度低，但隨著齡期的增長其后期強度增大，28 d強度得到了明顯的提高，且石灰鋼渣擠密樁樁體強度增幅較灰土擠密樁樁體大，說明鋼渣在石灰的作用下活性得到激發。

3)齡期為7 d試件中，質量比為7∶100∶30的試件強度最大;齡期為28 d試件中，質量比為9∶100∶30的試件強度最大;齡期為90 d試件中，質量比為7∶100∶30的試件強度最大。說明如果石灰含量過高，試件強度反而會有所降低。這是由于石灰作為膠結材料，隨著摻入量的增多，樁體體積會膨脹過大，從而導致樁體開裂抗壓強度降低。圖2為配比為7∶100∶30和11∶100∶30的試樣養護90 d飽水1 d后進行無側限抗壓試驗前的圖片，可明顯看出11∶100∶30的試樣已經出現裂縫和脫皮。

圖2 抗壓試驗前的試樣

4.2 飽水時間對試件抗壓強度的影響

試驗結果最佳配比是7∶100∶30，但考慮到樁體混合料施工現場拌合的不均勻性，本試驗依托工程實際選用配比時將石灰摻入量提高了2%，即為9∶100∶30。所以選用灰土質量比為9∶100的混合料及石灰、土和鋼渣質量比為9∶100∶30的混合料進行灰土擠密樁和石灰鋼渣擠密樁兩種樁體的水穩性對比試驗。

將兩種樁體試件標準養護7 d后，置于水槽中，分別吸水 1，3，5，7，11，22 d(每組試件為 6 個)，測試各試件吸水后的無側限抗壓強度，結果如表2所示。圖3為灰土擠密樁及石灰鋼渣擠密樁試件無側限抗壓強度隨飽水時間的變化曲線。

表2 兩種樁體試件不同飽水時間的無側限抗壓強度平均值

圖3 兩種樁體試件抗壓強度隨飽水時間的變化曲線

由表2和圖3可知:隨著飽水時間的增加，石灰鋼渣擠密樁試件強度的增長幅度比灰土擠密樁試件大，而且最終強度也較高。這是由于鋼渣在石灰堿性環境的激活下，生成沸石類水化產物，從而有效地提高了石灰鋼渣擠密樁的強度和水穩性。

5 結論

1)石灰鋼渣擠密樁混合料最佳配比(石灰∶土∶鋼渣)為7∶100∶30。石灰鋼渣擠密樁的最大強度與灰土擠密樁最大強度相比，按最佳配比7∶100∶30計算，樁體強度要提高60%左右。

2)不同飽水時間下，石灰鋼渣擠密樁的強度均比灰土擠密樁高，水穩性更好?？梢妼彝翑D密樁和鋼渣樁進行綜合改進，不僅可以節約成本，還可提高樁體的強度和水穩性。

［1］朱躍剛．鋼渣粉做水泥摻合料的研究與探討［J］．廣東化工，2010，13(6):59-61．

［2］關少波．鋼渣粉活性與膠凝性及其混凝土性能的研究［D］．武漢:武漢理工大學，2008．

［3］顧建邦．探析鋼渣在道路工程中的應用［J］．中國科技信息，2007(7):23-24．

［4］林彤．鋼渣樁復合地基作用機理研究［J］．地質科技情報，2005，24(增):118-120．

［5］樂金朝．石灰鋼渣穩定土的水穩性試驗研究［J］．建筑材料學報，2010，13(6):773-778．

［6］蔡曉飛．摻細鋼渣的石灰鋼渣土干縮性能研究［J］．公路交通技術，2010(6):6-7．