钢渣协同橡胶固化滨海港口淤泥的动力学特性研究_傅英坤.pdf

92傅英坤 钢渣协同橡胶固化滨海港口淤泥的动力学特性研究钢渣协同橡胶固化滨海港口淤泥的动力学特性研究傅英坤（山东港口烟台港集团有限公司，山东烟台 264000）摘要：为研究钢渣协同橡胶固化滨海港口淤泥的动力学特性，对土样展开了动三轴强度试验，深入分析了钢渣掺量、橡胶颗粒掺量对滨海港口淤泥动力学特性的影响。研究表明：（1）各试样的滞回曲线形状相似，动应力-应变曲线变化趋势相同，动应力由近似线性迅速增长逐渐转变为近似水平缓慢增长并趋于稳定，说明试样由弹性变形逐渐转变为塑性变形；（2）钢渣掺入后，试样的动弹性模量获得显著提升，从抵抗变形角度来看，钢渣最佳掺量为 65%；随着钢渣掺量的增加，试样的阻尼比逐渐降低，抗震性能逐渐减弱；（3）在 65%钢渣改良淤泥土中继续掺加橡胶颗粒，会使试样的阻尼比增大，且阻尼比与橡胶颗粒掺量呈现正相关关系，橡胶颗粒掺量 15%时阻尼比增加最为明显；但橡胶颗粒的加入会降低试样的动弹性模量，橡胶颗粒掺量 10%时动弹性模量最大。关键词：淤泥固化；钢渣；橡胶；动力学中图分类号：TU 471.8Study on the Dynamic Characteristics of Steel Slag Combined with Rubber to Solidify Coastal Port SiltFU Ying-kun(Shandong Port Group Yantai Port Group Co.,Ltd.,Yantai 264000,Shandong,China)Abstract:In order to study the dynamic characteristics of steel slag combined with rubber to solidify coastal port silt,a dynamic triaxial strength test was carried out,and the eff ect of the content of steel slag and rubber particles on the dynamic characteristics was deeply analyzed.The results show that:(1)The shape of the hysteresis curves of the samples with diff erent dosages are similar,and the dynamic stress-strain curves have the same trend;It shows that the sample is gradually transformed from elastic deformation to plastic deformation;(2)Steel slag can significantly improve the dynamic elastic modulus of sludge.From the perspective of resistance to deformation,the optimum content of steel slag is 65%;with the increase of steel slag content,the damping ratio of the sample gradually decreases,and the seismic performance gradually weakens;(3)The damping ratio of the sample will be increased by adding rubber particles in 65%steel slag improved silt soil,and the damping ratio has a positive correlation with the amount of rubber particles.The damping ratio will increase most obviously when the amount of rubber particles is 15%;However,the dynamic elastic modulus of the sample will be reduced when the rubber particles are added,and the dynamic elastic modulus reaches the maximum when the rubber particles are added 10%.Key words:sludge solidifi cation;steel slag;rubber;dynamics我国东南沿海一带港口密布，在现代沿海城市飞速发展的进程中，不可避免的面临着淤泥处置的问题1。滨海港口淤泥具有含水率高、孔隙比大、承载能力差等特点2-4，实践中通常采用吹填海底泥沙的方式加固港口地基，但这一方式下地基固结周期往往较长，对施工进度与施工质量有不利影响5-7。因此，寻找高效、经济的淤泥处置措施，改善其物理力学性能，对沿海城市的开发与建设具有重要意义。目前处置淤泥的主要方法是向淤泥中掺加水泥，进而降低含水率、提升强度，实现淤泥的固化，广泛应用于软土地基处理中8-10。然而这一方法还存在着成本高昂、强度不足等不足11。为此，许多学者致力于研究淤泥固化的新型复合材料12-13，钢渣因其良好的力学性质与吸水能力，以及低廉的成本，引起了学者们的关注。吴燕开等14研究了水泥协同钢渣固化淤泥质水泥土的强度，指出在适宜钢渣粉掺量下，可以提升其强度。李伟等15的研究将钢渣与砂土协同固化软土地基，发现地基沉降量明显减小，地基承载力获得了有效提高。因钢渣自重较大导致软弱地基沉降较多，部分学者探索再掺加橡胶以减轻淤泥自重。姚宝宽16等通过实验测试了钢渣和橡胶颗粒改良海相淤泥的地基承载力，研究表明淤泥地基的承载力获得了显著提升。冒捷鑫等17进一步对钢渣协同橡胶颗粒固化海相淤泥的渗透性开展研究，发现其渗透系数获得了显著提升。然而，现有关于钢渣协同橡胶固化淤泥的研究多是针对静力学特性展开的，对其动动力学特性的研究较少。为此，本研究基于某滨海港口的淤泥，展开了钢渣协同橡胶固化淤泥的动三轴强度试验，深入分析了钢渣与橡DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.004合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期93胶掺量对滨海港口淤泥动力学特性的影响，研究成果将为滨海港口淤泥处置提供一定参考。1 试验设计1.1 试验原材料本研究的淤泥取自东部滨海城市填海造陆现场，属典型的软塑状态海相淤泥土，含水率高、透水性弱，其基本物理力学特性见表 1，矿物成分主要为伊利石和蒙脱石。试验所用钢渣来自某钢铁厂，为球状多孔结构，吸水性良好，陈化时间不低于 8 个月，化学性质稳定；按照规范及试验要求，钢渣粒径按不大于 2mm 控制。橡胶颗粒为 EPDM 轮胎颗粒，粒径 34 mm。表 1 淤泥基本物理力学特性参数Table 1 Basic physical and mechanical parameters of silt特性 天然孔隙比 土粒比重 天然密度/(g/cm3)天然含水率/%液限/%塑限/%参数1.532.711.615042.731.81.2 试验方案本研究的思路为：首先测试钢渣掺量对淤泥动力学特性的影响，并优选出最佳钢渣掺量后，研究在最佳钢渣掺量下橡胶颗粒掺量对淤泥动力学特性的影响。试验制样中发现，钢渣掺量超过 70%后，钢渣吸收过多淤泥水分后导致淤泥粘结性变差，试样会出现局部松散脱落现象；为避免影响试样成型，钢渣掺量控制在 70%以内，故钢渣掺量定为 25%、45%、65%。橡胶颗粒掺量 20%时，试样脱模后有回弹并出现开裂；为便于成功制样，橡胶掺量应小于 20%，故橡胶颗粒掺量定为 5%、10%、15%，具体掺量方案见表 2。钢渣的多孔特性会增强淤泥的渗透性，因此采用固结排水法开展动三轴试验。将试样围压控制在 200kPa 固结 8h 后，逐级施加动荷载，初始荷载为 10kPa，并以 2kPa 的梯度增加至 80kPa，每级荷载循环 5 次，加载频率为 1Hz。表 2 钢渣与橡胶颗粒掺量方案Table 2 Steel slag and rubber particle dosage scheme试样编号钢渣掺量橡胶颗粒掺量S-125%S-245%S-365%SR-165%5%SR-265%10%SR-365%15%1.3 试样制备将取回淤泥烘干后过 2mm 筛密封备用，按 50%含水率配制重塑淤泥，密封静置 1 天后按比例掺入钢渣与橡胶颗粒，掺加比例详见表 2；为保证钢渣充分吸收淤泥中的水分，充分搅匀后静置 1 天；采用击实法分四层击实制备试样，试样尺寸为 50mmH100mm，为避免试样分层，将上一层表面刮毛后再装下一层填料。按表2 制备 6 种试样，每种试样设置 3 个平行，共制备 18 个试样。2 试验结果分析2.1 试样滞回曲线滞回曲线可以反映试样在循环荷载下的应力应变关系，选取试样 S-3 与 SR-3 的滞回曲线如图 1 所示。从图中可以观察到，钢渣固化淤泥土（S-3）与钢渣协同橡胶固化淤泥土（SR-3）的滞回曲线形状相似，大致为过原点且关于原点对称的封闭曲线；随着荷载逐级增加，曲线斜率逐渐降低，且斜率降低幅度随荷载的增加越来越大。说明在较低荷载下，试样变形较小且以弹性变形为主；随着荷载的增加，塑性变形不断累积，试样由弹性变形逐渐转变为塑性变形，试样的弹性模量不断减小。(a)S-3 (b)SR-3图 1 试样滞回曲线Fig.1 Hysteresis curve of sample2.2 动应力-应变曲线各试样的动应力-应变关系曲线如图 2 所示，可以看出，各试样的动应力-应变曲线变化趋势相同，动应力先以近似线性的趋势迅速增长；分析原因为，这一阶段试样的应力幅值、累计振次均不大，因此动应变缓慢增长，且变形以弹性变形为主。动应变超过 210-3后，动应力近似水平缓慢增长；分析原因为，此时试样出现屈服，且变形以塑性变形为主。对比 S-1、S-2、S-3 三个试样的动应力-应变曲线可以发现，随着钢渣掺量的增加，试样的屈服动应力不断增长，说明钢渣可以增强淤泥的强度。分析原因为，钢渣强度较大，掺入淤泥土后构成土体的骨架，随着钢渣掺量的增加，淤泥土的骨架效应越来越明显，试样强度获得显著提升。对比 S-3、SR-1、SR-2、SR-3 四个试样的动应力-应变曲线可以发现，钢渣掺量为 65%时继续掺加橡胶颗粒，试样的屈服动应力会明显降低，与不掺加橡胶颗粒的 S-3 相比，橡胶颗粒掺量 5%、10%、15%时屈服动应力分别降低了 46%、34%、51%。分析原因为，橡胶颗粒的刚度较低，对淤泥土的钢渣骨架产生了不利影响，使其强度大幅降低。图 2 试样动应力-应变关系曲线Fig.2 Dynamic stress-strain relationship curve of specimen2.3 动弹性模量试样动三轴试验获得的动弹性模量与动应变关系曲线如图 3 所示，可以看到钢渣协同橡胶改良淤泥土与钢渣改良淤泥土的 Ed-lnd曲线均为双曲线型。对比 S-1、S-2、S-3 三个试样的 Ed-lnd曲线可以发现，试样的动弹性模量与钢渣掺量呈现正相关关系，且动弹性模量的增长幅度也逐步提升：S-1 试样的最大动弹性模量为94傅英坤 钢渣协同橡胶固化滨海港口淤泥的动力学特性研究25MPa，S-2 试样的最大动弹性模量为 168MPa，S-3 试样的最大动弹性模量为 520MPa；与 S-1 试样相比，S-2与 S-3 试样的最大动弹性模量分别增加了 5.7 倍与 19.6倍。分析原因为，钢渣质