钢渣粉改良膨胀土力学特性及微观结构分析

膨胀土遇水膨胀、失水收缩，这一工程特性给工程建设带来了不少挑战性问题。如何改善膨胀土这一工程特性，避免其对工程建设造成损害，一直以来都是工程界研究的重点和热点问题。对于这一问题，目前工程建设中主要采用物理、化学和生物方法对膨胀土进行改良，以减弱甚至消除其膨胀性，确保在膨胀土地基上修建的建(构)筑物能正常使用。在这三种改良方法中，化学方法是用得*多的一种改良处理方法，即掺入适当的固化剂与膨胀土发生化学反应，生成新的物质从而减弱膨胀土的膨胀性，如掺加石灰、粉煤灰、水泥等。这种改良方法在实际工程中取得了良好的效果。钢渣是炼钢过程中产生的一种副产品。它主要由生铁中的硅、锰、磷等杂质在熔炼过程中氧化而成的各种氧化物以及这些氧化物与溶剂反应生成的盐类所组成。我国是产钢大国，每年均产生超过1亿吨的钢渣。如何高效再次利用这些钢渣，使其变废为宝，实现资源的循环利用，是工程界研究的热点问题。钢渣目前常用于制作钢渣水泥、钢渣粉掺合料、钢渣砖以及用于路基回填等方面，目前我国钢渣的利用率与发达国家相比还相当低，因此需要不断拓宽其使用范围，提高钢渣的利用率。钢渣的化学成分主要为氧化钙、氧化镁、三氧化二铁、三氧化二铝以及二氧化硅等，与水泥的化学成分极其相似，但由于其形成条件与水泥不同，因此其在水化反应中不如水泥的活性高，表现出较强的惰性。 本书基于钢渣粉相关认识，提出将钢渣粉与普通硅酸盐水泥混合，并掺入适当的活性激发剂，用于改良膨胀土。通过室内试验，首先分析了钢渣粉的活性，通过掺入不同的活性激发剂，研究不同活性激发剂对其活性的激发效果；利用钢渣粉、水泥作为固化剂，改良膨胀土，研究分析在钢渣粉与水泥联合作用下，膨胀土的物理力学特性及其在干湿循环、冻融循环作用下的物理力学特性的变化规律，并从微观角度分析其变化机理。 本书研究从2016年开始，针对钢渣粉联合水泥改良膨胀土展开了长达6年的试验研究。在研究过程中，李岩宾、胡锐、胡晓士、于佳丽、韩天等人在试验以及试验数据整理方面给予了大力的帮助与支持，在此对他们的付出表示感谢。同时也感谢马艳慧、郭肖阳两人在专著撰写过程中给予的帮助，感谢山东科技大学土木工程与建筑学院在课题研究的整个过程中给予的支持与帮助。正是有了大家的帮助，相关的研究内容才能较为顺利完成。限于作者水平有限，书中难免存在疏漏和不妥之处，恳请读者批评、指正。 吴燕开李辉 2022年8月

钢渣作为炼钢的一种副产品，虽然与水泥有着相似的化学成分，但是由于其形成的条件与水泥不一样，因此其活性很低，难进行水化反应。本书基于钢渣的这一特性，对钢渣粉（钢渣碾磨成粉）在不同活性激发剂作用下的激发效果进行了深入分析与研究，确定了适用于钢渣粉的活性激发剂；将钢渣粉 活性激用剂 水泥用于改良膨胀土，研究钢渣粉、水泥对膨胀土的改良效果，同时对用钢渣粉、水泥改良后的膨胀土在干湿循环、冻融循环作用下的工程特性。进行了深入的研究。

副教授。2005年毕业于东南大学交通学院，获岩土工程博士学位。2005年在广州市西二环高速公路有限公司工作，2007年至今在山东科技大学从事教学科研工作。主要研究方向：地基处理、深基坑支护等。教学中，给本科生主要讲授《土力学》、《地基处理》、《基坑工程》等主干课程，给研究生讲授《高等土力学》、《基础工程新进展》等课程。主持纵向课题5项目，横项目课题10余项目，在国内外主要学术期刊上发表学术论文50余篇，其中SCI收录12篇，EI收录15篇。荣获中国公路协会科学技术奖一等奖1项、*科学技术进步奖一等奖1项、山东省科学技术奖三等奖1项。

第1章钢渣粉特性及应用1

1.1钢渣的组成及物理性质1

1.2钢渣的主要应用4

第2章膨胀土改良方法8

2.1膨胀土的物理改良方法8

2.2膨胀土的化学改良方法9

2.3膨胀土的生物改良方法11

2.4本章小结12

第3章钢渣粉活性激发剂试验研究13

3.1试验材料14

3.2试样的制备及养护方法19

3.2.1试样制备19

3.2.2固化土试样养护方法20

3.2.3固化剂净浆制备工作及养护方法20

3.3试验内容21

3.4活性激发剂(单掺)对钢渣粉活性激发效果分析24

3.4.1氢氧化钠活性激发剂对钢渣粉活性影响分析24

3.4.2硅粉活性激发剂对钢渣粉活性影响分析30

3.4.3氯化钙活性激发剂对钢渣粉活性影响分析36

3.5复合活性激发剂对钢渣粉活性激发效果分析40

3.5.1复掺固化剂的配置40

3.5.2硫酸钠掺量对钢渣粉水泥土强度的影响40

3.5.3复合激发剂激发钢渣粉水泥活性机理分析41

3.6不同激发剂激发效果对比分析43

3.6.1各激发剂的作用原理及最优掺量选择43

3.6.2各激发剂作用下钢渣粉水泥土的无侧限抗压强度44

3.6.3激发剂作用下钢渣粉水泥土的变形特性45

3.7激发剂的经济性对比分析48

3.7本章小结49

钢渣粉改良膨胀土力学特性及微观结构分析第4章钢渣粉改良膨胀土试验研究51

4.1试验材料51

4.2钢渣粉改良膨胀土试验方案53

4.3钢渣粉改良膨胀土试验结果分析55

4.3.1无荷载膨胀率55

4.3.2无侧限抗压强度57

4.3.3试验结果分析65

4.3.4抗剪强度66

4.4钢渣粉改良膨胀土机理74

4.4.1钢渣粉改良膨胀土机理概述74

4.4.2钢渣粉改良膨胀土机理分析76

4.5本章小结82

第5章干湿循环下钢渣粉改良膨胀土试验研究84

5.1试验材料与试验方法85

5.1.1试验材料85

5.1.2试验内容和方案87

5.2干湿循环下钢渣粉改良膨胀土变形特性分析90

5.2.1干湿循环次数对变形特性的影响91

5.2.2龄期对变形特性的影响97

5.3干湿循环下改良膨胀土无侧限抗压强度分析107

5.3.1干湿循环次数对无侧限抗压强度的影响107

5.3.2干湿循环作用下试样的破坏模式116

5.3.3干湿循环次数对破坏应变的影响119

5.3.4干湿循环次数对残余强度的影响122

5.4干湿循环下改良膨胀土三轴压缩试验126

5.4.1三轴压缩试验中试样的破坏模式126

5.4.2围压和干湿循环次数对抗剪强度及抗剪强度指标的影响140

5.4.3围压和干湿循环次数对破坏应变的影响152

5.4.4围压和干湿循环次数对残余强度的影响159

5.5干湿循环下改良膨胀土微观结构及机理分析163

5.5.1SEM试验方法165

5.5.2膨胀土改良前后的微观结构变化分析165

5.5.3各类改良土干湿循环前后的微观结构变化分析167

5.6本章小结177

第6章冻融循环下钢渣粉改良膨胀土试验研究180

6.1试验材料182

6.2冻融循环试验方案及试样制备186

6.3冻融循环下钢渣粉改良膨胀土物理特性189

6.3.1冻融循环作用下体积变化率试验及分析190

6.3.2冻融循环作用下质量变化率试验及分析199

6.3.3冻融循环作用下自由膨胀率试验及分析203

6.3.4冻融循环作用下自由膨胀比试验及分析207

6.3.5冻融循环作用下一维无荷载膨胀率试验及分析209

6.4冻融循环下钢渣粉改良膨胀土力学特性223

6.4.1不同龄期、不同冻融循环次数下纯膨胀土和改良土无侧限

抗压强度试验及分析223

6.4.2不同温度冻融循环下纯膨胀土和改良土无侧限抗压强度分析229

6.4.3纯膨胀土与改良土应力应变图230

6.4.4抗剪强度及抗剪强度指标间的关系235

6.5冻融循环下钢渣粉改良膨胀土微观结构变化分析242

6.5.1冻融循环前纯膨胀土和改良土微观结构图及分析243

6.5.2冻融循环下改良土微观结构图及分析247

6.5.3不同温度冻融循环时纯膨胀土与改良土微观结构分析248

6.6本章小结252

参考文献255

后记263 

该著作研究成果，对钢渣粉今后在改良膨胀土中的应用提供了实验与理论基础，也为钢渣粉在不良土体改良中的应用提供更为广阔的应用前景。