钢渣和橡胶颗粒复合改性海相淤泥的渗透特性试验研究

时间：2024-05-20

冒捷鑫，王琪，唐琰，王丽艳

江苏科技大学土建学院，江苏镇江 212003

0 引言

如果能把钢渣和旧轮胎两种工业废弃物变废为宝，有效再利用，不但环境污染问题可以得到解决，还具有良好的经济和社会效益。通常淤泥土的渗透系数在108～ 106cm·s1，渗透能力很弱，而钢渣表面多孔，导致开口空隙率较，吸水能力强，因此本文考虑把钢渣添加至吹填淤泥中以获得性能良好的土木材料。为了减轻土的重度，降低软弱地基的沉降，提高其稳定性，考虑加入橡胶颗粒。故把钢渣和橡胶颗粒加入淤泥中进行固化和轻量处理，使其成为渗透性能好、强度较高的高性能土工材料。

Huang等[1]总结了英国4种工业废弃物在沥青路面上的应用，其中包括废弃钢渣和废旧轮胎。Tsai等[2]对台湾地区诸多工业废弃物循环再利用的可持续性进行了分析，其中包括废弃钢渣。张朝晖等[3]对钢渣处理工艺与国内外钢渣利用技术进行了研究。近些年，粉煤灰已被大量用于筑坝和基础填筑的施工中，在许多方面已表现出优越的工程性能[4]。王强[5]总结了钢渣的胶凝性能及在复合胶凝材料水化硬化过程中的作用。碱渣与粉煤灰等拌合后可制成工程土，代替一般工程土作为道路基础或大面积填垫材料。程绪想等[6]总结了钢渣的物理化学性质，如果钢渣渗透性能良好，将比粉煤灰更适合作为填料用于路基、建筑地基等实际工程。

表1 淤泥土的主要物理性质

因此，有必要研究钢渣土工应用的渗透性能。本文通过渗透试验，测出各工况的渗透系数，对数据进行拟合，对不同钢渣掺入比、不同橡胶颗粒掺入比及其粒径大小对钢渣与橡胶颗粒复合改性海相淤泥渗透系数的影响进行研究。

1 试验材料

试验中所用的材料有海相淤泥、废弃钢渣、橡胶颗粒和水。试验所选取的海相淤泥为连云港海滨大道填海造陆淤泥土，钢渣为张家港永钢集团生产过程中产生的转炉钢渣，橡胶颗粒为江苏奥驰建设新材料公司生产的EPDM（三元乙丙轮胎）颗粒。

1.1 淤泥

海相沉积淤泥沉积年代较久远，土体结构较稳定，其相关物理参数如表1所示。现场取得的土体天然含水率约为50%，天然孔隙比大于1.5，通过煅烧法测得土中的有机质含量为3.4%，按土的分类方法，该淤泥属于软塑状态淤泥土。试验所用淤泥按重塑土样配制，烘干后过2 mm筛，得到的土颗粒如图1所示。

1.2 钢渣和橡胶

根据《水泥化学分析方法》（GB/T 176—2008），对试验钢渣进行化学分析，检测发现钢渣中活性成分含量高，强度高，硬度大，渗水性能好，可压缩程度小，适于填筑。陈化堆放8个月以上，化学性质稳定，水硬性达到标准，可直接用于土工中。参考岩土工程对粗砂的定义，本文定义粒径大于0.5 mm的粒组质量超过全重50%的钢渣为粗钢渣，如图2所示。其级配曲线如图3所示。钢渣的不均匀系数Cu=6.75，曲率系数Cc=1.33。该钢渣级配良好，最大干密度（ρdmax）和最小干密度（ρdmin）分别为2.58 g·cm3和1.76 g·cm3。

橡胶颗粒为江苏奥驰建设新材料公司生产的EPDM颗粒，本次试验使用的橡胶颗粒粒径范围为1～2 mm和3～4 mm，其堆积密度分别为0.55 g·cm3和0.71 g·cm3，橡胶颗粒与其他传统建筑材料相比具有轻质、弹性好、抗变形能力强、透水性好、耐用的特点，有利于减轻土的重度，降低软弱地基的沉降，提高其稳定性。橡胶颗粒如图4所示。

2 渗透试验基本原理

渗透系数的室内测量方法有许多种，根据达西定律，室内渗透试验可分为常水头及变水头2种，前者一般适用于渗透性较大（渗透系数大于103cm·s1）的粗粒土，而后者适用于渗透性较小（渗透系数小于103cm·s1）的细粒土。对于含淤泥的工况，由于淤泥质土具有颗粒极细、渗透系数较小的特点，应采用变水头法来测定。

试验器材选用南京土壤仪器厂有限公司生产的TST-55型变水头渗透仪。装样环刀直径为6.18 cm，高4 cm，其底面面积为A。试验用水经过煮沸法脱气，试验时水温高出室内温度3 ℃～4 ℃。

3 试验方案与土样制备

3.1 试验方案

试验所选取的淤泥为连云港海滨大道填海造陆淤泥土，初测的渗透系数在108～106cm·s1，渗透能力很弱。由于钢渣表面多孔，导致开口空隙率较大，吸水能力强，考虑把粗钢渣中的2 mm以下粒组添加至吹填淤泥中。为了减轻土的重度，降低软弱地基的沉降，提高其稳定性，考虑加入橡胶颗粒。故把钢渣和橡胶颗粒加入淤泥中进行固化和轻量处理，使其成为渗透性能好、强度较高的高性能土工材料。

淤泥烘干研磨后配制成含水率为50%的淤泥。钢渣和橡胶颗粒掺入比都按淤泥总质量的百分比加入。选用粒径0～2 mm的钢渣，且钢渣掺入比不宜超过70%。这主要是由于含过多钢渣的混合料较干燥，制样不易成型，存在局部松散脱落现象，故钢渣添加量定为10%、30%、50%、70%。用于试验的橡胶颗粒粒径范围分别为1～2 mm和3～4 mm，质量百分比定为0、5%、10%、15%，掺入比不宜超过15%，因为随着橡胶颗粒掺入比的增大，混合料在荷载作用下回弹大，受力性质变差。具体试验方案如表2所示，共32个工况，每种工况制3个试样进行平行试验，共制96个试样研究不同钢渣掺入比、不同橡胶颗粒掺入比及其粒径大小对钢渣与橡胶颗粒复合改性海相淤泥的渗透系数。

3.2 土样制备

把称量好的淤泥干土颗粒放入容器，再添加预定掺入比的钢渣和橡胶颗粒，因3种材料均处于干燥状态，很容易拌合，省时且拌合均匀度高。拌合完成后按淤泥干土颗粒质量的50%进行加水，充分搅匀后密闭容器闷料2 h，使水分充分均匀浸湿土样。

表2 土样渗透试验方案参数数值钢渣粒径ds/mm 0～2钢渣掺入比αs/% 10、30、50、70橡胶颗粒粒径dr/mm 1～2、3～4橡胶颗粒掺入比αr/% 0、5、10、15

土样制作完毕后进行装样，环刀直径为6.18 cm，高4 cm，分4层填充击实，所有试样每层均击实4下，以达到相同的压实度。具体步骤参照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999），各步骤所用试验器具以及试验过程如图5所示。

4 钢渣改性海相淤泥的渗透特性

通过渗透试验对数据进行拟合，图6为不同钢渣掺入比下改性淤泥的渗透系数和拟合曲线，在整个掺入比变化范围内，渗透系数呈现出较强的非线性变化规律。

对试验测试数据进行曲线拟合，得出钢渣改性海相淤泥渗透系数k的计算拟合公式，见式（1）。钢渣改性海相淤泥土的渗透系数与钢渣掺入比αs成指数函数关系，拟合得到的渗透系数计算公式拟合度达到97.67%。

式中：e是自然对数的底。

由图6可看出，以掺入比50%为分界点，在掺入比由10%增大至分界点时，渗透系数增大幅度较小，超越分界点后，随着掺入比增加至70%，渗透系数增长曲线较陡。当钢渣掺入比达到30%时，渗透系数相比掺入比10%时增幅不显著，渗透系数只增加了30%。这主要是由于，陈化8个月以上的钢渣中约有2%游离CaO，30%掺入比的钢渣相比10%钢渣中多了少许游离CaO，与水发生反应生成Ca(OH)2，造成体积略微膨胀，使孔隙率降低，减少了水的渗流通道，抵消了增大钢渣掺入比所带来的透水性增强的效应，使得整体的渗透系数涨幅不明显。

钢渣掺入比从30%增加至50%时，渗透系数是掺入比30%时的2.6倍。钢渣掺入比增70%时，渗透系数为4.18×105cm·s1，约为钢渣掺入比50%时的5.9倍，数量级由106激增至105，由于钢渣属于多孔结构，非结晶结构，大量的开口空隙使其具有很好的透水性，大掺入比的钢渣为混合料贡献了较强的透水性，所以相比其他钢渣掺入比，渗透系数增幅最大。综合钢渣掺入比和渗透系数变化特征发现，钢渣的掺入比为70%时，其改良土内部孔隙、改良渗透性能的效果最显著。

5 复合改性海相淤泥的渗透特性

5.1 不同钢渣掺入比下渗透系数的拟合分析

通过渗透试验，测出各工况的渗透系数，对数据进行拟合，如图7所示，分别为不同钢渣掺入比时橡胶颗粒粒径dr为1～2 mm及3～4 mm情况下的改性淤泥渗透系数变化曲线。

5.2 钢渣掺入比的影响

从图7（a）发现4种工况下渗透系数的增长趋势基本一致。4种不同橡胶颗粒掺入比情况下，当αs=10%增加至αs=30%时渗透系数增幅较小。当增加至αs=50%时，橡胶颗粒掺入比为15%时渗透系数增幅最大，αs=50%时的渗透系数是αs=30%时的4.5倍。当αs从50%增加至70%时，每种橡胶颗粒掺入比工况下的渗透系数增幅都较大，橡胶颗粒掺入比为0、5%、10%和15%时，αs=70%时的渗透系数分别是50%时的5.9倍、5.5倍、4.5倍和2.5倍；且αs=70%时，4种不同橡胶颗粒掺入比情况下，αr=15%时的渗透系数最大，渗透系数由αs=50%时的5.15×105cm·s1增大至1.27×104cm·s1，渗透系数以数量级为跨度的涨幅在提高。

从图7（b）发现4种工况下渗透系数的增长趋势较为相似。4种不同橡胶颗粒掺入比情况下，当αs从10%增加至30%时渗透系数增幅不明显。当αs从30%增加至50%时，橡胶颗粒掺入比为15%时的渗透系数增幅最大，αs为50%时的渗透系数是30%时的6.4倍。当αs从50%增加至70%时，4种工况下的渗透系数增幅都比较大，橡胶颗粒掺入比为0、5%、10%和15%时，αs=70%时的渗透系数分别是50%时的5.9、5.3、6.3倍和2.8倍，其中αr从0增加到5%和10%时，渗透系数均以一个数量级的增幅在提高，且αr=15%时的渗透系数最大，达到了3.46×104cm·s1。

综上，由于钢渣具有较强的透水能力，钢渣掺入比越大，为改性淤泥贡献的透水性越大，从而渗透系数越大。橡胶颗粒粒径为1～2 mm和3～4 mm时，各级橡胶颗粒掺入比下，钢渣掺入比从50%增加到70%的渗透系数增长幅度最大，且钢渣掺入比达到70%时渗透系数均达到最大值，对钢渣与橡胶颗粒复合改性海相淤泥渗透性能的改善最有效。

5.3 不同橡胶颗粒掺入比下渗透系数的拟合分析

通过渗透试验，测出不同橡胶掺入比下的渗透系数，对数据进行拟合，如图8所示。

各钢渣掺入比下渗透系数随橡胶颗粒掺入比的变化均呈幂函数上升的趋势，都可以用k＝A＋Bαr＋Cαr2＋Bαr3函数的形式表示。

对照组给予常规新辅助化疗，给予地塞米松和环磷酰胺治疗，环磷酰胺（国药准字H32020857，江苏恒瑞医药股份有限公司，规格0.2 g，批号：13012321、15041245）200 mg/m2在治疗的第1～4天静脉推注；地塞米松（国药准字H44021890，广东邦民制药厂有限公司，规格5 mg/支，批号：20130919、20150721）20 mg/d，在术后第1～2、4～5、8～9、11～12天静脉滴注。

5.4 橡胶颗粒掺入比的影响

图8为橡胶颗粒粒径为1～2 mm及3～4 mm时，各级钢渣掺入比下的不同橡胶颗粒掺入比的渗透系数的拟合曲线。观察图8（a）和图8（b）发现，无论何种橡胶掺入比，渗透系数均随钢渣掺入比的增大而增大。从图中还可以看出，不论哪种钢渣掺入比，渗透系数均随橡胶颗粒掺入比的增大而增大。这是因为，在钢渣掺入比一样的情况下，由于橡胶颗粒具有较强的透水能力，橡胶颗粒掺入比越大，为混合料贡献的透水性越大，其渗透系数越大。

由图8（a）发现：橡胶颗粒掺入比从0至15%逐渐递增的过程中，αs=50%和αs=70%工况下的渗透系数增长曲线较陡，αr=5%时的渗透系数分别为αr=0时的1.8倍和1.7倍；αr=10%时的渗透系数分别为αr=5%时的1.5倍和1.2倍；αr=15%时的渗透系数分别为αr=10%时的2.7倍和1.5倍；且当αr=15%时，αs=70%时的渗透系数最大，为1.27×104cm·s1，相较于αs=50%时的8.74×105cm·s1，提高了一个数量级。

由图8（b）发现：钢渣掺入比为70%时，4种不同橡胶掺入比时的渗透系数均为最大值，比其他钢渣掺入比下的渗透系数大很多。αr=5%时的渗透系数为αr=0时的1.7倍；αr=10%时的渗透系数为αr=5%时的1.2倍；αr=15%时的渗透系数为αr=10%时的1.5倍，从8.74×105cm·s1增大至1.27×104cm·s1，以一个数量级的增幅提高。

综上，橡胶颗粒粒径为1～2 mm和3～4 mm的工况下，橡胶颗粒掺入比为15%时的渗透系数曲线相较于为0、5%、10%时高高在上，αr取15%对渗透系数改良的作用最突出。

橡胶颗粒粒径为3～4 mm时，αs=70%且αr=15%时的渗透系数为粒径为1～2 mm时的2.7倍，主要是因为钢渣和橡胶颗粒掺入比相同，3～4 mm的橡胶单个颗粒相较于1～2 mm的体积大，且3～4 mm的橡胶颗粒与淤泥颗粒粒径相差较大，不同物质颗粒间的接触吻合较差，存在较大的孔隙，对水的阻力较小，因此渗透系数较大。

综上说明，橡胶颗粒粒径为3～4 mm时，钢渣掺入比为70%且橡胶颗粒掺入比为15%时，钢渣与橡胶颗粒复合改性海相淤泥的渗透系数最大。

6 与传统土工填料的对比

为了钢渣与橡胶颗粒复合改性海相淤泥在岩土工程中广泛应用，本文将其渗透特性与传统土料的渗透特性进行比较，见图9和表3。

传统砂土和粉煤灰常用于路基填料，但是由于砂土和粉煤灰基本不具有胶凝性和黏聚力，砂土会受水流冲刷和风蚀损坏，粉煤灰水稳定性弱于钢渣。而钢渣由于其多孔性遇水不易液化，有较好的渗水性，地下水长期浸泡或水位浮动造成的含水量变化对路堤强度和变形影响很小，因而具有很好的水稳定性。橡胶颗粒质轻，使混合料重度变小，轻量化的填土混合料可以降低地基中的应力水平，提高稳定性，减少沉降。因此钢渣与橡胶改性海相淤泥可以替换粉煤灰和粉砂作为填料用于路基和建筑地基等工程回填中。