粉煤灰、鋼渣、橡膠顆粒材料的三軸壓縮試驗(yàn)研究

王小龍 黃偉 王坤

摘 要 通過對(duì)工業(yè)廢料的研究，將其作為抗震地基或者建筑材料的摻和料，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展以及對(duì)環(huán)境的保護(hù)。利用TSZ-6A型應(yīng)變控制式三軸儀，對(duì)四種圓柱試件進(jìn)行無側(cè)限的三軸壓縮試驗(yàn)，得出其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并比較四種試件破壞形式的差異。試驗(yàn)結(jié)果表明，在三軸壓縮條件下，試件1與試件2的抗壓強(qiáng)度較高，仍需要進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)來研究試件4三種材料的最佳配合比以及最佳水灰比。

關(guān)鍵詞 三軸壓縮試驗(yàn);無側(cè)限強(qiáng)度;破壞形式;材料性能。

1研究背景

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕 下來的細(xì)灰，即燃煤電廠排出的主要固體廢物。大量的粉煤灰若不加處理，就會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，污染大氣;若排入水系會(huì)造成河流淤塞，而其中的有毒化學(xué)物質(zhì)還會(huì)對(duì)人體和生物造成危害[1]。

鋼渣是一種工業(yè)固體廢物，是煉鋼排出的渣，依爐型分為轉(zhuǎn)爐渣、 平爐渣、 電爐渣。主要由鈣、 鐵、 硅、鎂和少量鋁、錳、磷等的氧化物組成。

橡膠顆粒主要是通過各種廢舊橡膠包括廢橡膠、旅游鞋底、邊角料、電纜皮、橡膠邊角料、汽車墊帶、汽車輪胎等廢舊橡膠原料加工生產(chǎn)而來。

這三種材料作為工業(yè)廢料，如果處理不當(dāng)便會(huì)污染環(huán)境。研究表明這三種材料可用于綠色混凝土的摻和料或者建筑材料，在使用之前，研究這三種材料的性能變得極為重要[2]。

2三軸壓縮試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用TSZ-6A型應(yīng)變控制式三軸儀，可以進(jìn)行不固結(jié)不排水剪（UU）固結(jié)不排水剪（CU）和固結(jié)排水剪（CD）的三軸試驗(yàn)。其工作原理是：主要部分為電液伺服系統(tǒng)，以伺服元件（伺服閥或伺服泵）為控制核心，由指令裝置、控制器、放大器、液壓源、伺服元件、執(zhí)行元件、反饋傳感器及負(fù)載組成，通過反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相比較得出偏差信號(hào)，利用該偏差信號(hào)控制液壓能源輸入到系統(tǒng)的能量，使系統(tǒng)向著減小偏差的方向變化，直至偏差等于零或足夠小，從而使系統(tǒng)的實(shí)際輸出與希望值相符，顯著優(yōu)點(diǎn)為能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，精確控制系統(tǒng)壓力。

三軸壓縮試驗(yàn)采用圓柱體試件，將試件放在壓力室后，對(duì)試件表面施加液壓，用橡膠套將試件與油隔開，施加軸向壓力后，直至試件破壞，期間可以通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄各種試驗(yàn)參數(shù)[3]。

2.2 試驗(yàn)原理

根據(jù)最大荷載和截面面積計(jì)算試件的軸向強(qiáng)度：

在式中：

——試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;

——軸向破壞載荷;

——試件的橫截面積。

此次試驗(yàn)為無側(cè)限固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)，即圍壓，只對(duì)試件施加垂直的軸向壓力，由此測(cè)出無側(cè)向壓力的情況下，抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度，即為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度[4]。

2.3 試件材料參數(shù)及制作過程

材料參數(shù)：

粉煤灰簡(jiǎn)介：主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。為水泥色粉狀，細(xì)度43微米，密度為2.4克/立方厘米，含水量在0.5%。

鋼渣簡(jiǎn)介：一級(jí)鋼渣粉，含有鈣、鐵、硅、鎂等元素，為熟料。

橡膠顆粒簡(jiǎn)介：黑色橡膠顆粒，顆粒大小在2-4mm。

試件編號(hào)：

試件1：粉煤灰試件，水灰比為0.325，水泥添加量為3%。

試件2：橡膠顆粒試件，水灰比為0.2，水泥添加量為20%。

試件3：鋼渣試件，水灰比為0.35，水泥添加量為5%。

試件4：粉煤灰-橡膠顆粒-鋼渣試件，水灰比為0.27，水泥添加量為0。

備注：4個(gè)試件尺寸皆為φ39.1mm*80mm，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7天。在粉煤灰試件制作過程中，0.6水灰比時(shí)，試件無法成型，過于黏稠，流動(dòng)性高;0.4水灰比時(shí)，時(shí)間在養(yǎng)護(hù)兩天后水化[5]。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試件三軸抗壓強(qiáng)度

根據(jù)記錄的破壞荷載可以得出試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，見表1。

從表1可以看出：試件1的抗壓強(qiáng)度為最高，而試件3抗壓強(qiáng)度最低，從理論上說，試件4由于三種材料的配合比不同也會(huì)出現(xiàn)不同的強(qiáng)度。

3.2 試件破壞形態(tài)

試件1與試件2有明顯的剪切面，剪切面平整，破壞后試件較為完整;而試件3與試件4在破壞取出后呈破碎狀，剪切面不明顯[6]。

4結(jié)束語

（1）粉煤灰，鋼渣，橡膠顆粒作為工業(yè)廢料，如果能夠?qū)⑵淅闷饋?，作為建筑材料的摻和料，?duì)于可持續(xù)發(fā)展以及環(huán)境的保護(hù)具有重要意義。

（2）從實(shí)驗(yàn)可以看出，粉煤灰與水泥的組合強(qiáng)度最高，而橡膠顆粒的強(qiáng)度很大一部分得益于接觸面的粗糙。而通過繼續(xù)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，可以得出粉煤灰-橡膠顆粒-鋼渣試件的三種材料的最佳配合比以及最佳水灰比。

（3）此試驗(yàn)對(duì)于粉煤灰，橡膠顆粒，鋼渣這三種材料的性能具有一定的參考意義，但仍存在局限性，仍需進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，來得出各種試件的莫爾應(yīng)力圓及其他各種參數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王鷹鵬，汪令輝.兩種不同巖石在三軸壓縮條件下的變形實(shí)驗(yàn)[J].中國(guó)礦山工程，2013，42（5）：8-11.

[2] 吉佳豪.頁巖在CO_2作用下的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2018.

[3] 李曉娟，倪驍慧，孫斌祥，等.粉砂巖三軸壓縮條件下細(xì)觀損傷特征的定量研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012（4）：590-595.

[4] 黃英華，唐海燕.大理巖常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的相關(guān)性分析[J].采礦技術(shù)，2011（6）：32-33.

[5] 李孔，葛修潤(rùn)，李春光.基于三軸壓縮試驗(yàn)確定巖石的Hoek-Brown軟化參數(shù)的方法[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2011（8）：117-120.

[6] 李芙蓉，趙劉群，牛飛.不同凍結(jié)條件對(duì)膨脹土三軸剪切強(qiáng)度的影響[J].港工技術(shù)，2019，56（6）：115-119.