粉煤灰、钢渣、橡胶颗粒材料的三轴压缩试验研究

王小龙 黄伟 王坤

摘 要 通过对工业废料的研究，将其作为抗震地基或者建筑材料的掺和料，实现可持续发展以及对环境的保护。利用TSZ-6A型应变控制式三轴仪，对四种圆柱试件进行无侧限的三轴压缩试验，得出其无侧限抗压强度，并比较四种试件破坏形式的差异。试验结果表明，在三轴压缩条件下，试件1与试件2的抗压强度较高，仍需要进行进一步试验来研究试件4三种材料的最佳配合比以及最佳水灰比。

关键词 三轴压缩试验;无侧限强度;破坏形式;材料性能。

1研究背景

粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕 下来的细灰，即燃煤电厂排出的主要固体废物。大量的粉煤灰若不加处理，就会产生扬尘，污染大气;若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害[1]。

钢渣是一种工业固体废物，是炼钢排出的渣，依炉型分为转炉渣、 平炉渣、 电炉渣。主要由钙、 铁、 硅、镁和少量铝、锰、磷等的氧化物组成。

橡胶颗粒主要是通过各种废旧橡胶包括废橡胶、旅游鞋底、边角料、电缆皮、橡胶边角料、汽车垫带、汽车轮胎等废旧橡胶原料加工生产而来。

这三种材料作为工业废料，如果处理不当便会污染环境。研究表明这三种材料可用于绿色混凝土的掺和料或者建筑材料，在使用之前，研究这三种材料的性能变得极为重要[2]。

2三轴压缩试验

2.1 试验设备

本试验采用TSZ-6A型应变控制式三轴仪，可以进行不固结不排水剪（UU）固结不排水剪（CU）和固结排水剪（CD）的三轴试验。其工作原理是：主要部分为电液伺服系统，以伺服元件（伺服阀或伺服泵）为控制核心，由指令装置、控制器、放大器、液压源、伺服元件、执行元件、反馈传感器及负载组成，通过反馈信号与输入信号相比较得出偏差信号，利用该偏差信号控制液压能源输入到系统的能量，使系统向着减小偏差的方向变化，直至偏差等于零或足够小，从而使系统的实际输出与希望值相符，显著优点为能够进行远程控制，精确控制系统压力。

三轴压缩试验采用圆柱体试件，将试件放在压力室后，对试件表面施加液压，用橡胶套将试件与油隔开，施加轴向压力后，直至试件破坏，期间可以通过监测系统记录各种试验参数[3]。

2.2 试验原理

根据最大荷载和截面面积计算试件的轴向强度：

在式中：

——试件无侧限抗压强度;

——轴向破坏载荷;

——试件的横截面积。

此次试验为无侧限固结不排水三轴压缩试验，即围压，只对试件施加垂直的轴向压力，由此测出无侧向压力的情况下，抵抗轴向压力的极限强度，即为无侧限抗压强度[4]。

2.3 试件材料参数及制作过程

材料参数：

粉煤灰简介：主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。为水泥色粉状，细度43微米，密度为2.4克/立方厘米，含水量在0.5%。

钢渣简介：一级钢渣粉，含有钙、铁、硅、镁等元素，为熟料。

橡胶颗粒简介：黑色橡胶颗粒，颗粒大小在2-4mm。

试件编号：

试件1：粉煤灰试件，水灰比为0.325，水泥添加量为3%。

试件2：橡胶颗粒试件，水灰比为0.2，水泥添加量为20%。

试件3：钢渣试件，水灰比为0.35，水泥添加量为5%。

试件4：粉煤灰-橡胶颗粒-钢渣试件，水灰比为0.27，水泥添加量为0。

备注：4个试件尺寸皆为φ39.1mm*80mm，养护时间为7天。在粉煤灰试件制作过程中，0.6水灰比时，试件无法成型，过于黏稠，流动性高;0.4水灰比时，时间在养护两天后水化[5]。

3试验结果分析

3.1 试件三轴抗压强度

根据记录的破坏荷载可以得出试件的无侧限抗压强度，见表1。

从表1可以看出：试件1的抗压强度为最高，而试件3抗压强度最低，从理论上说，试件4由于三种材料的配合比不同也会出现不同的强度。

3.2 试件破坏形态

试件1与试件2有明显的剪切面，剪切面平整，破坏后试件较为完整;而试件3与试件4在破坏取出后呈破碎状，剪切面不明显[6]。

4结束语

（1）粉煤灰，钢渣，橡胶颗粒作为工业废料，如果能够将其利用起来，作为建筑材料的掺和料，对于可持续发展以及环境的保护具有重要意义。

（2）从实验可以看出，粉煤灰与水泥的组合强度最高，而橡胶颗粒的强度很大一部分得益于接触面的粗糙。而通过继续进行大量实验，可以得出粉煤灰-橡胶颗粒-钢渣试件的三种材料的最佳配合比以及最佳水灰比。

（3）此试验对于粉煤灰，橡胶颗粒，钢渣这三种材料的性能具有一定的参考意义，但仍存在局限性，仍需进行进一步实验，来得出各种试件的莫尔应力圆及其他各种参数。

参考文献

[1] 王鹰鹏，汪令辉.两种不同岩石在三轴压缩条件下的变形实验[J].中国矿山工程，2013，42（5）：8-11.

[2] 吉佳豪.页岩在CO_2作用下的三轴压缩实验研究[D].成都：西南石油大学，2018.

[3] 李晓娟，倪骁慧，孙斌祥，等.粉砂巖三轴压缩条件下细观损伤特征的定量研究[J].煤炭学报，2012（4）：590-595.

[4] 黄英华，唐海燕.大理岩常规三轴压缩试验的相关性分析[J].采矿技术，2011（6）：32-33.

[5] 李孔，葛修润，李春光.基于三轴压缩试验确定岩石的Hoek-Brown软化参数的方法[J].中国农村水利水电，2011（8）：117-120.

[6] 李芙蓉，赵刘群，牛飞.不同冻结条件对膨胀土三轴剪切强度的影响[J].港工技术，2019，56（6）：115-119.