石灰高炉矿渣稳定黄土的无侧限抗压强度研究

唐斌科

摘  要：以石灰高炉矿渣稳定黄土为对象，通过无侧限抗压强度试验和重型标准击实试验，研究石灰高炉矿渣掺量和养护时间对稳定黄土最大干密度、最优含水率和无侧限抗压强度的影响。结果表明：随无机结合材料掺量的增加稳定黄土最优含水率增大、最大干密度减小;在无机结合材料掺量一定的条件下，随着高炉矿渣掺量的增加最大干密度增大，最优含水率减小;稳定黄土的无侧限抗压强度随养护龄期增长而增大、随稳定材料掺量的增加而增大;通过对无侧限抗压强度数据的拟合回归，建立了稳定黄土的无侧限抗压强度与孔隙率、石灰与高炉矿渣的比值（）及无机结合材料体积掺量的关系。

关键词：黄土;石灰;高炉矿渣;无侧限抗压强度

中图分类号：TU746        文献标识码：A

0 引言

黄土主要分布在东亚、中亚、中欧及美国中西部。黄土孔隙发育、强度较低，用作筑路材料时必须经过处理才能满足强度和刚度的要求，工程中经常采用无机结合材料稳定黄土提高其强度和稳定性。黄土中添加石灰具有成本低、施工简单等优点，但石灰稳定黄土强度的形成主要依靠消石灰和空气中的CO反应形成胶结物，因而，石灰稳定黄土早期强度较低。

高炉矿渣为冶炼生铁磨细后的一种无极胶凝材料。利用粒化高炉矿渣的活性稳定黄土，一般需要加入碱性激发剂激发其活性，改善粒化高炉矿渣与黄土的反应速度，提高稳定黄土的早期强度。石灰因经济性较好常用作高炉矿渣的激发剂，利用石灰高炉矿渣综合稳定岩土体，可大大提高土木工程材料的强度、改善其稳定性。

高爐矿渣作为一种性能优良的无机胶凝材料，国内外尚未见到采用石灰高炉矿渣综合稳定黄土的相关研究成果，论文选取六种配合比的石灰粒化高炉矿渣综合稳定黄土作为试验土样，通过标准击实试验和无侧限抗压强度试验，研究养护龄期、石灰粒化高炉矿渣掺量对综合稳定黄土无侧限抗压强度的影响，研究成果为稳定黄土提供了一种新方法。

1  原材料及试验介绍

1.1  试验材料

黄土取自兰州新区一建筑基坑，将黄土自然风干、用木槌碾碎、过0.5 mm的标准筛;测得黄土的比重为2.68、液限为26.3%、塑限为11.8%，通过剪切试验得粘聚力11.79 kPa、内摩擦角24.1°。熟石灰、高炉矿渣购自河南恒诺滤材有限公司，熟石灰、高炉矿渣的比重分别为2.38、2.78，利用衍射测得高炉矿渣、熟石灰的化学成分如表1、2所示。

1.2  配合比拟定

无机结合材料稳定黄土用作路面基层、底基层材料时为达到强度要求，规范建议无机结合稳定材料数量占稳定黄土总质量的10%～30%。为减少试验工作量初步拟定无机结合材料为稳定黄土总质量的10%和30%，石灰和粒化高炉矿渣的质量比取9：1、7：3、1：1共计三类，具体配合比如表3，不同配合比综合稳定黄土的最大干密度和最优含水率由标准击实试验所得。

1.3  试验方法

1.3.1  试样的制备

试样制作时采用内径61.8 mm、高125 mm的中空圆柱形模具，采用手动油压千斤顶提供动力静压法压实试样。试样制作前先计算制作1个试样所需混合物的质量，再根据拟定的配合比计算制备一个试样所需石灰、高炉矿渣、水和黄土的质量，然后将所称量的石灰和黄土倒入搅拌锅中并搅拌均匀，接着加入去离子水并搅拌均匀，将搅拌均匀的黄土和石灰混合物放入密封的塑料袋中贮存24小时，第二天在混合物中加入预定质量的粒化高炉矿渣，并把石灰高炉矿渣黄土混合物搅拌均匀;接着把稳定黄土分为5份，依次往模具中倒入每份混合物、利用千斤顶提供动力压实每层混合物。最后，将制作完成的试样放入标准养护箱中分别养护7 d、28 d、90 d，得到综合稳定黄土试验用圆柱形试样。

1.3.2  无侧限抗压强度试验

把预定养护龄期的试样放置到路强仪上，试验设备以1 mm/min的速率施加轴向压力直至试样破坏为止，根据路强仪记录试样破坏时的荷载，由（1）式计算石灰粒化高炉矿渣综合稳定黄土的无侧限抗压强度（）。

2  结果与讨论

2.1  标准击实试验

采用重型标准击实试验得出六种配合比石灰粒化高炉矿渣稳定黄土含水率与干密度之间的关系如图1所示，由图可得每组配合比石灰粒化高炉矿渣稳定黄土的最大干密度和最优含水率如表3所示。由图1可知，随着稳定材料掺量的增加最大干密度减小、最优含水率增大;在石灰粒化高炉矿渣掺量一定的条件下，随着高炉矿渣掺量的增加最大干密度增大，最优含水率减小。

2.2  养护龄期对无侧限抗压强度的影响

不同配合比石灰粒化高炉矿渣稳定黄土的无侧限抗压强度（）与养护龄期之间的关系如图2所示，由图2可知随着养护龄期的增长而增大，且前期强度增长速度较慢，后期强度增长速度变快。这主要是因为前期高炉矿渣的掺量相对较少，无机结合材料与黄土反应形成的胶结物较少，使得前期强度较低;后期强度增长变快，主要是随着养护时间延长消石灰与空气中的CO充分反应生成了较多的胶结材料，提高了稳定黄土的强度。

2.3  无机结合材料掺量对无侧限抗压强度的影响

不同配合比石灰粒化高炉矿渣稳定黄土的无侧限抗压强度如图3。由图3知同一养护龄期稳定黄土的无侧限抗压强度随石灰粒化高炉矿渣掺量的增加而增大，这由于石灰粒化高炉矿渣掺量越多有更多的胶凝材料与水或空气中的CO发生反应，从而形成更多的胶结物提高稳定黄土的强度;当石灰粒化高炉矿渣掺量相同时，随着高炉矿渣掺量的增加稳定黄土无侧限抗压强度增大，这说明高炉矿渣相比石灰能更有效的提高稳定黄土的无侧限抗压强度。

2.4  稳定黄土无侧限抗压强度数据的回归拟合

孔隙率是影响石灰粒化高炉矿渣稳定黄土无侧限抗压强度的主要因素之一，利用研究者建立的稳定土体孔隙率计算公式（如（2）式所示），可知孔隙率和黄土的数量、石灰、粒化高炉矿渣的体积掺量、石灰、粒化高炉矿渣的比重及混合物的最大干密度、试样的体积有关。

根据无侧限抗压强度试验结果进行数据回归拟合，建立养护龄期分别为7 d、28 d、90 d时石灰粒化高炉矿渣稳定黄土的拟合回归曲线如图4、5、6所示;和养护龄期相关的拟合回归结果如图7、8所示、拟合回归系数A，B如（3）、（4）式所示，拟合所得石灰粒化高炉矿渣稳定黄土的如

4  结论

论文开展了石灰粒化高炉矿渣综合稳定黄土的重型标准击实试验和无侧限抗压强度试验，研究了石灰粒化高炉矿渣掺量和养护龄期对黄土的稳定效果。主要结论如下：

（1）随无机胶凝材料掺量的增加稳定黄土的最大干密度减小、最优含水率逐渐增大。

（2）当无机胶凝材料石灰粒化高炉矿渣掺量固定时，随着矿渣掺量的增加稳定黄土的最大干密度增大、最优含水率减小。

（3）石灰粒化高炉矿渣综合稳定黄土的无侧限抗压强度随无机结合材料掺量的增加而增大，随养护龄期的发展总体上不断增长。

（4）通过对无侧限抗压强度数据的拟合回归，建立了石灰粒化高炉矿渣稳定黄土的无侧限抗压强度与孔隙率、石灰/矿渣（）的比值、石灰粒化高炉矿渣掺量的关系，建立的拟合关系为工程设计施工提供借鉴。

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