基本信息
- 项目名称：
- 废钢渣在地基处理中的应用
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 目的：了解废钢渣与黏土的混合土材料的力学特性，为废钢渣在黏土地基处理中的应用提供理论依据。 方法：通过分析废钢渣的矿物成份、理化性能，提出了用废钢渣作为主要地基处理材料的设想；并且根据废钢渣与黏土的混合土的三轴压缩，研究废钢渣及其混合物的力学特性 。结果：总结出废钢渣与黏土的配合比及龄期的变化对混合土力学性质影响的基本规律，废钢渣与黏土的混合土材料的粘聚力、内摩擦角、最大主应力差、初始弹性模量均较大，所以采用废钢渣对黏土搅拌压实后，处理后的土体与自然土体相比较，可有效地提高地基的承载能力、降低基础的沉降量。 结论废钢渣可以作为一种环保型地基改良材料应用到软土地基处理中去，从而维持建筑物的长期使用性能。
- 详细介绍：
- 本项目是研究以废钢渣作为建筑材料进行地基处理形式，特别是适用于墙式与柱形地基处理相结合形式下的复合地基的设计基准。主要的研究内容及拟解决的问题有： 1）明确废钢渣及其复合材料的力学特性，论证废钢渣在地基处理中的适宜性。 2）明确以废钢渣为主要建筑材料在复合地基中的应用，特别是墙式与柱形地基处理相结合形式下的复合地基的铅直与水平承载机制，验证其在控制基础的不同沉降的有效性，最终找出地基整体的设计基准。 主要创新点为根据废钢渣的力学性质，以废钢渣作为地基改良材料，对基础下部的软土层进行整体或局部地基处理，提高地基的承载力，降低基础的沉降量，从而维持建筑物的长期使用性能。与以往的地基处理形式不同，在本项目中，钢渣主要用于作者所研究的墙式地基处理与柱形地基处理相结合的地基形式。根据筏板或条形地基的沉降特性，可通过调节不同位置的地基处理深度及宽度等因素，达到建筑地基的均匀沉降，保证建筑物的长期正常运行。 由于化学成分及冷却条件不同，钢渣外观形态、颜色差异很大.碱度较低的钢渣呈黑灰色, 碱度较高的钢渣呈褐灰色、灰白色.渣块松散不粘结, 质地坚硬密实, 孔隙较少.渣坨和渣壳结晶细密, 界线分明, 尤其是渣壳, 断口整齐.自然冷却的渣块堆放一段时间后, 发生膨胀风化, 变成土块状和粉状.钢渣含水与焖渣方式和冷却条件关系较大。 由于原矿石成分、制作工艺等原因，废钢渣的化学成分有所变化，其力学特性也稍有变化.根据日本废钢渣协会的统计结果，其主要化学成分为CaO、SiO2、T-Fe、MgO、Al2O3，各矿物质成份的平均含量如表1.无论是水淬高炉渣，还是制钢渣都具有较强的水硬性.并且由于CaO的影响，与水反应，废钢渣的PH值可达到10-12，采用废钢渣进行地基处理，一方面可以提高地基承载力，同时达到基础防腐的目的。 本实验采用应变控制式三轴剪切渗透试验仪,仪器的基本组成在实验过程中，首先排除仪器中滞留气泡，以避免对实验准确度造成干扰，然后安装试样，装上压力室罩，注水，待压力室内气泡完全排尽后，关闭排气阀.将围压、孔隙压力清零，打开围压阀，施加围压σ3.待围压稳定后，在不排水条件下测定孔隙水压力，由于各组实验中所测的孔隙水压力均很小，约为所施加围压σ3的1%，故直接打开排水阀，开始施加轴向压力，进行等应变压缩试验，压缩速度取为0.4mm/min，并按试样每产生变形量0.01mm进行读数，当测力计读数出现峰值时，剪切继续进行，直至轴向应变超过5%为止，结束实验. 本实验方案中的试料采用鞍山钢铁公司制钢渣与黏土混合制成。废钢渣与黏土的混合土材料三轴压缩试验根据围压σ3（50kPa、100kPa、150kPa）、养护龄期D（1d、3d、7d）、试块的配合比（Gc100、Gc80、Gc60、Gc40）的不同进行分类（注：Gc100、Gc80、Gc60、Gc40分别代表黏土占固体材料的含量为100%80%、60%、40%）。但是考虑到黏土的蠕变特性（应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象），以及黏土受含水率影响很大等因素，所以100%纯黏土只进行养护龄期为一天（D=1d）的三轴压缩试验，共计30种组合条件。由于试料颗粒组成较为均匀，具有普遍的代表性，而且经过先期试验摸索比较，发现试验的精度与可再现性很强，故在同一种条件下实施3组三轴压缩试验，总计90组试验.本文通过对废钢渣与黏土的混合土材料的三轴压缩试验数据进行整理、统计，分别从主应力差、弹性模量、粘聚力c、内摩擦角φ几方面进行分析。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- （基本思路）在本项目中，我们提出了采用废钢渣作为主要固化材料进行地基处理，并结合作者所研究的“筏板基础与墙式下凹形地基改良的基础工法”及“以筏板基础或条形基础与柱状土改良相结合形式的复合地基”，通过调节不同位置的墙式或柱状改良深度降低基础的不同沉降量。由于改良土刚性将比桩体的刚性有所下降，同时具有较大的粘性，并且在基础的外围部分实行墙式浅层改良，大大提高了水平抵抗能力同时，可有效吸收地震波能量，达到免震效果。 （创新点）发展循环经济是21世纪的大趋势，是解决污染的根本之路。将废钢渣应用到基础工程建设中，一方面充分节省资源，维护自然环境，同时也为我国带来显著的经济效果,有利于我国资源与环境建设为。以废钢渣作为主要材料进行建筑物地基处理的研究，在国际上尚属首例。通过本项目的研究，将充分明确废钢渣及其复合材料的基本力学性质，明确以废钢渣进行地基处理的复合地基的承载机制，从而找出以废钢渣进行地基处理的最佳施工方法及地基处理形式。其科学水平在国际上处于领先地位。 （关键技术及技术指标）本项目在明确地基加固材料废钢渣的基本物理力学特性的同时，结合地基处理的合理形式，特别是明确废钢渣在墙式与柱形地基处理相结合复合地基的承载机制。作者所研究的地基形式以中轻型建筑物为对象。采用废钢渣作为主要固化材料进行地基处理的一般形式。通过调节不同位置的柱状改良深度降低基础的不同沉降量。由于改良土刚性将比桩体的刚性有所下降，同时具有较大的粘性，并且在基础的外围部分实行墙式浅层改良，提高了水平抵抗能力。
科学性、先进性
- 以废钢渣作为主要材料进行建筑物地基处理的研究，在国际上尚属首例，通过本项目的研究，将充分明确废钢渣及其复合材料的基本力学性质，明确以废钢渣进行地基处理的复合地基的承载机制，从而找出以废钢渣进行地基处理的最佳施工方法及地基处理形式。本项目的实施将为复合地基和环境保护的发展做出巨大贡献。在岩土工程设计及数值计算方法等方面的理论与实践的发展上有着重要意义。其科学水平在国际上处于领先地位，有着极高的学术价值。与桩筏基础不同，由于本研究所提方案采用废钢渣进行软土改良，改良土刚性将比桩体的刚性有所下降，同时具有相对较大的粘性及一定的压缩性，可有效吸收地震波能量，从而达到免震效果。 研究所提方案将污染环境的废钢渣作为建筑材料运用到工程中去，一方面减少了环境污染，节省了堆放场地，对于改善环境有很好的效果，是环境友好型材料。另一方面，该项目达到废物再利用的目的，将废钢渣代替水泥运用到建筑行业中去，节省了能源，有着极佳的经济效果。
获奖情况及鉴定结果
- 辽宁省“挑战杯”学术作品大赛特等奖
作品所处阶段
- 本项目现处于实验室研发状态
技术转让方式
作品可展示的形式
- 图片 样品 3D模型
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本研究所提方案采用废钢渣，石灰，水泥等与现场土搅拌或喷浆处理的形式进行，或直接对现场土进行置换，施工简便。由于地基土改良可采用现场土与废钢渣等搅拌的形式进行，节省了现场废土的运搬过程，有着极佳的经济效果。将废钢渣作为建筑材料来使用，有利于改善环境，并且达到废物再利用的效果，大大地节省资源。 另外，在我国众多的地区存在着大范围的深层软土地基。采用本项目中所提的地基处理形式，可有效地控制建筑物的基础的沉降（全沉降与不同沉降），保证建筑物的正常运行。同时在我国有多个大型钢铁公司，将废钢渣有效的应用到地基处理中，一方面可以充分节省资源，维护自然环境，同时可以为我国带来显著的经济效果。 从经济效果及环境保护等方面的要求上，采用本项目中地基处理形式，并将废钢渣与工程建筑相结合，在以后我国的软土地区地基处理上有着广泛的应用空间。结合作者研究的复合式地基形式，预计可节约基础建造成本的30%-50%。
同类课题研究水平概述
- 对于废钢渣的化学成分以及其基本力学特性，国内外许多学者已经进行了许多研究，特别是日本等发达国家尤为深刻。经过研究，已对其物理力学特性有所掌握。因其具有较高的强度，所以作为路基材料以及边坡加固等方面得以发展和应用。但由于其自身具有较大的遇水膨胀特性，同时不同类型的废钢渣的强度特性也有较大的区别，所以以废钢渣作为主要建筑材料进行结构物的地基加固还没有得到成功的应用。在我国，将废钢渣作为路基材料已经得到应用，并且以废钢渣作为基本材料的砌块，砖以及高强度水泥等的制作研究方面已取得一定的发展。而在发达国家，除作为路基，高强度水泥的材料以外，以废钢渣复合材料进行边坡加固等方面的研究与应用也已得到较大的发展。
