張淑坤，張向東，陸啟珂

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧阜新 123000；2.中交集團(tuán)第三航務(wù)工程局鐵路分公司，上海 201900）

復(fù)合水泥爐渣灰材料動(dòng)彈性模量試驗(yàn)研究

張淑坤1，張向東1，陸啟珂2

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧阜新 123000；2.中交集團(tuán)第三航務(wù)工程局鐵路分公司，上海 201900）

為了研究復(fù)合水泥爐渣灰動(dòng)力特性，通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)，測(cè)試出不同替換比率下復(fù)合水泥爐渣灰的Ed-ε曲線。分析應(yīng)變、圍壓及替換比率等對(duì)動(dòng)彈性模量的影響規(guī)律。得出如下結(jié)論：動(dòng)彈性模量隨著應(yīng)變的增加而遞減；應(yīng)變一定，圍壓增加，復(fù)合水泥爐渣灰土具有較高的動(dòng)彈性模量；應(yīng)變一定，提高替換比率，可以增加復(fù)合水泥爐渣灰土試樣的整體強(qiáng)度。復(fù)合水泥爐渣灰作為注漿材料進(jìn)行土體加固的研究成果，可為其加固體的抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

動(dòng)三軸；水泥爐渣灰；替換比率；抗震設(shè)計(jì)

現(xiàn)今爐渣灰、粉煤灰數(shù)量很多，是對(duì)環(huán)境影響最為嚴(yán)重的一類(lèi)固體廢棄物。考慮到廢物回收利用，近年來(lái)爐渣灰、粉煤灰被越來(lái)越廣泛地利用起來(lái)，對(duì)粉煤灰應(yīng)用的研究也越來(lái)越多。然而對(duì)爐渣灰應(yīng)用的研究略少。或?qū)⒎勖夯遗c石灰水泥拌合來(lái)進(jìn)行填筑公路路基［1］，或?qū)⑵渑c混凝土混合后作為防滲的充填材料［2］，還有在黏土中摻入不同比例的粉煤灰加固軟土地基［3］，也有從物理化學(xué)角度出發(fā)來(lái)改變爐渣灰、粉煤灰的特性等［4－5］。各個(gè)研究中從不同角度分析摻入粉煤灰后形成復(fù)合材料的力學(xué)特性，為爐渣灰、粉煤灰的再利用奠定了基礎(chǔ)。然而在爐渣灰、粉煤灰復(fù)合材料的研究中，對(duì)其加固后工程體的動(dòng)力研究卻比較少。其中文獻(xiàn)［6］研究了粉煤灰作為壩基和壩料時(shí)的動(dòng)力特性，文獻(xiàn)［7］對(duì)粉煤灰改良后的風(fēng)積土進(jìn)行了動(dòng)力特性研究等。

本文中將爐渣灰與水泥進(jìn)行混合，研究水泥爐渣灰作為注漿材料加固軟土的特性，采用動(dòng)三軸方法分析加固后土體Ed－ε之間的關(guān)系，以便為加固后土體的抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 材料特性

軟土試樣采用遼寧省本溪市桓仁縣渾江水庫(kù)林場(chǎng)邊坡軟弱夾層土，水泥采用普通425號(hào)硅酸鹽水泥，爐渣灰采用遼寧省阜新市阜新火力發(fā)電廠的高爐排灰，該爐渣灰呈暗灰色，具體化學(xué)成分及粒度成分如表1所示。

表1 爐渣灰化學(xué)成分及粒度成分Table1 Chem ical com positions and grain sizes of the slag ash

2 復(fù)合水泥爐渣灰土的試驗(yàn)設(shè)備及其試樣制備

試驗(yàn)儀器中，主機(jī)是DZ78－1型電磁式動(dòng)三軸儀，激振器在試件上方，力傳感器在活塞與激振器動(dòng)圈之間；試件尺寸D×H＝50.5 mm×110.0 mm［8］（D為直徑，H為高度），拉壓力傳感器型號(hào)BLR－1型，最大荷載為2 kN；孔壓傳感器型號(hào)為AK－1，量程為0～1 MPa；位移傳感器型號(hào)為（HP－DCLVDT）DA－10型。

測(cè)控系統(tǒng)為DDS－30動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。微機(jī)信號(hào)發(fā)生板發(fā)出給定信號(hào)，經(jīng)動(dòng)率放大器放大信號(hào)后輸入主機(jī)開(kāi)始振動(dòng)。振動(dòng)信號(hào)經(jīng)傳感器、動(dòng)態(tài)應(yīng)變放大儀和數(shù)據(jù)采集板將數(shù)據(jù)反饋并存儲(chǔ)于微機(jī)中，最后進(jìn)行整理分析。試驗(yàn)機(jī)采用周期波振動(dòng)，頻率為F＝12 Hz。試樣及實(shí)驗(yàn)儀器如圖1、圖2所示，其中試樣滲透部分為制備試樣時(shí)內(nèi)核水泥爐渣灰向外擴(kuò)散與土融合的部分。

圖1 試件圖樣Fig.1 Sketch and photo of the specimen

圖2 動(dòng)三軸儀Fig.2 Dynam ic triaxial apparatus

復(fù)合水泥爐渣灰土的動(dòng)力特性可以用周期荷載作用下土的應(yīng)力－應(yīng)變曲線來(lái)表示。圖3表示了周期荷載作用下滯變回線環(huán)形成的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖3 應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 Stress-strain curve

通過(guò)上圖可以得到動(dòng)彈性模量Ed的表達(dá)式為Ed＝（σd1＋σd2）／（ε1＋ε2），σd1，σd2為軸向受壓應(yīng)力和受拉應(yīng)力，ε1，ε2為相應(yīng)的垂直應(yīng)變。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

復(fù)合水泥爐渣灰土試樣：半徑50.5 mm，高110 mm，水泥摻和率為18%，爐渣灰摻和率為5%，替換比率（M）分別為5.5%，12.5%和21.5%，水灰比為0.5。通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)，得到天然黏性土及復(fù)合水泥爐渣灰土（M＝5.5%，12.5%，21.5%）的Ed-ε曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 Ed-ε曲線Fig.4 Ed-εcurves

3.1 圍壓影響

圖4（a）顯示了素土的圍壓對(duì)動(dòng)彈性模量Ed的影響。從圖中可以看出，應(yīng)變一定時(shí)，圍壓增加，則動(dòng)彈性模量增大。圖4（b）、4（c）、4（d）也顯示了同樣的趨勢(shì)。這種趨勢(shì)可以解釋為：當(dāng)圍壓增加時(shí)，復(fù)合水泥爐渣灰土中鄰近顆粒的接觸變得更加緊密，顆粒間的咬合及摩阻效果增大，導(dǎo)致了能量耗散的大量減少，因此復(fù)合水泥爐渣灰土中有較高的動(dòng)彈性模量。

3.2 應(yīng)變與動(dòng)彈性模量的關(guān)系

由試驗(yàn)得出的Ed-ε曲線可知，動(dòng)彈性模量隨著應(yīng)變的增加而遞減。這遞減的階段基本分為驟減階段（ab），平緩階段（bc），持穩(wěn)階段（cd）。如圖5所示。

圖5 Ed-ε曲線階段示意圖Fig.5 Stages of Ed-εcurve

該試驗(yàn)中把明顯特征試驗(yàn)點(diǎn)作為分界b，c點(diǎn)，如若更精細(xì)劃分，需加密試驗(yàn)。不同圍壓下相同替換比率時(shí)，各個(gè)階段對(duì)應(yīng)的變形區(qū)間不太明顯，但相同區(qū)間的Ed隨著圍壓的增加而增大；相同圍壓下替換比率不同時(shí)，隨著替換比率增加，階段b點(diǎn)到來(lái)得要早一些，而c點(diǎn)到來(lái)得要晚一些（即平緩階段區(qū)間大），且對(duì)應(yīng)的動(dòng)彈性模量也要大。該平緩階段大小直接影響著土樣抗震性能，說(shuō)明水泥爐渣灰相互作用，能大大增強(qiáng)試件的Ed，而這種現(xiàn)象隨著替換比率的增加以及圍壓的增大而越來(lái)越顯著，將該段詳細(xì)情況列入表2。

表2 特征點(diǎn)應(yīng)變Table2 The strains of feature points

3.3 替換比率的影響

水泥與爐渣灰相互混合，水泥一定程度上可以激發(fā)爐渣灰活性，水泥水化生成的Ca（OH）2會(huì)與爐渣灰中活性較高的Al2O3和SiO2反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。水化28 d，粉煤灰水化成的產(chǎn)物與水泥水化產(chǎn)物相互交叉搭接形成整體結(jié)構(gòu)，兩者緊密結(jié)合，強(qiáng)度增高。如若考慮到改變水化的時(shí)間長(zhǎng)短或者充分的程度，也可以考慮加入相應(yīng)的激發(fā)劑等。

基于水泥能夠激發(fā)爐渣灰活性的原因，對(duì)于復(fù)合水泥爐渣灰土試樣而言，替換比率（M）則成為了一個(gè)非常重要的因素，從而影響動(dòng)彈性模量Ed。例如由曲線圖4（（a）—（d））可見(jiàn)當(dāng)圍壓為300 MPa，且初始應(yīng)變?yōu)?和0.005時(shí)，對(duì)應(yīng)的4種替換比率動(dòng)彈模分別為：250，275，300，350 MPa和105，125，130，160 MPa，即其它參數(shù)保持不變，在一定變形條件下，替換比率增加，則動(dòng)彈性模量Ed增加。而水泥爐渣灰土核心的動(dòng)彈性模量Ed要比試樣周?chē)两橘|(zhì)的動(dòng)彈性模量Ed高很多。因此大幅度提高替換比率，即可增加復(fù)合水泥爐渣灰土試樣的整體強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

（1）動(dòng)彈性模量隨著應(yīng)變的增加而遞減。相同替換比率，相同圍壓下，各個(gè)階段對(duì)應(yīng)的變形區(qū)間不太明顯；不同替換比率，相同圍壓下，隨著替換比率增加，階段b點(diǎn)到來(lái)得要早一些，而c點(diǎn)到來(lái)得要晚一些（即平緩階段區(qū)間大），且對(duì)應(yīng)的動(dòng)彈性模量也要大。

（2）應(yīng)變一定，當(dāng)圍壓增加時(shí)，復(fù)合水泥爐渣灰土中鄰近顆粒的接觸變得更加緊密，顆粒間的咬合及摩阻效果增大，導(dǎo)致了能量耗散的大量減少，因此復(fù)合水泥爐渣灰土中有較高的動(dòng)彈性模量。

（3）當(dāng)其它參數(shù)都保持不變時(shí)，在一定變形條件下，當(dāng)替換比率增加時(shí)，動(dòng)彈性模量Ed增加，而水泥爐渣灰土核心的動(dòng)彈性模量Ed要比試樣周?chē)两橘|(zhì)的動(dòng)彈性模量Ed高很多，因此大幅度提高替換比率，也就增加了復(fù)合水泥爐渣灰土試樣的整體強(qiáng)度。

（4）將復(fù)合水泥爐渣灰作為注漿材料對(duì)土體結(jié)構(gòu)物進(jìn)行加固時(shí)，若需考慮加固后土體的抗震性，則可進(jìn)行此類(lèi)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)判斷。

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［8］ 施 斌，朱志鐸，劉松玉.土工試驗(yàn)原理及方法［M］.南京：南京大學(xué)出版社，1994.（SHIBin，ZHU Zhi-duo，LIU Song-yu.Principle and Method of the Geotechnical Test［M］.Nanjing：Nanjing University Press，1994.（in Chinese） ）

（編輯：陳 敏）

Dynam ic Elastic M odulus of Com posite Cement Slag Ash M aterial

ZHANG Shu-kun1，ZHANG Xiang-dong1，LU qi-ke2
（1.School of Civil and Transportation，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China；2.Railway Branch of the Third Navigational Engineering Bureau of China Communications Construction Co.，Ltd.，Shanghai 201900，China）

To investigate the dynamic characteristics of composite cement slag ash，we analyzed the effect of strain，confining pressure，and replacement ratio on the dynamic elastic modulus through Ed-εcurves obtained from dynamic triaxial tests.Itwas concluded that dynamic elasticmoduluswas degressive alongwith the increase of strain；when strain remained unchanged and the confining pressure increased，the dynamic elasticmodulus of the composite cement slag ash soilwas larger；when strain remained unchanged and replacement ratio increased，the overall strength of the soil sample was improved.This research could provide scientific basis for aseismic design when the composite cement slag ash is used as groutingmaterial for soil reinforcement.

dynamic triaxial；cement slag ash；replacement ratio；aseismic design

P642.16

A

1001－5485（2012）09－0074－03

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.09.017

2011－08－15；

2011－11－19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助（51174268）

張淑坤（1983－），男，黑龍江方正人，講師，博士研究生，主要從事巖土工程方面的教學(xué)與科研工作，（電話）13795023625（電子信箱）4254423＠163.com。