水泥穩(wěn)定爐渣基層的組成及路用性能的研究

劉洋章 劉 洋 劉斯奇 姚旭亮 呂國棟

（1.屯留區(qū)交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，山西 長治 046100 ；2.屯留區(qū)土地整理中心，山西 長治 046100 ；3.屯留區(qū)農(nóng)村公路養(yǎng)護(hù)中心，山西 長治 046100 ；4.林州譽(yù)峰建筑工程有限公司，河南 安陽 456550 ）

0 引言

隨著環(huán)保形勢的日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的砂石骨料禁止亂采，導(dǎo)致形成不同區(qū)域范圍內(nèi)砂石價格上漲，供不應(yīng)求，對我國土木工程領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)造成很大的沖擊。與此同時，山西省“一煤獨(dú)大”的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)造成廢棄的爐渣、煤矸石等材料隨意傾倒，造成環(huán)境污染。解決爐渣隨意傾倒的問題迫在眉睫。

1 煤基油爐渣特性

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：爐渣經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，物理化學(xué)性能較穩(wěn)定，最大粒徑小于50mm,通過破碎整形、篩分可制成滿足路面基層要求的連續(xù)級配料。但是該爐渣的壓碎值僅為40%，達(dá)到了三級路路面基層用集料對壓碎值要求的上限。

2 水泥穩(wěn)定爐渣組成設(shè)計與性能研究

2.1 爐渣集料級配設(shè)計

用水泥穩(wěn)定三種級配爐渣，水泥用量為96kg/m,其擊實(shí)曲線與7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖1 和表2。

圖1 不同級配爐渣混合料擊實(shí)曲線

表2 不同爐渣級配混合料強(qiáng)度結(jié)果（R7）

備注：成型壓實(shí)度為97%

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 由于爐渣輕質(zhì)、且吸水量大，使得水泥穩(wěn)定爐渣的最大干密度僅1.6kg/m,最佳含水量接近11%-14%;

(2) 隨著爐渣級配細(xì)化，最佳含水量升高，而最大干密度與7d 強(qiáng)度以水泥穩(wěn)定中級配為好。但整體而言，級配變化對最大干密度與最佳含水量影響較小，而對7d 強(qiáng)度影響較大。水穩(wěn)中級配爐(水泥用量96kg/m,相當(dāng)于4%水泥穩(wěn)定碎石的用量)，其7d 強(qiáng)度達(dá)到4MPa,比水穩(wěn)粗級配爐渣提高23%，比水穩(wěn)細(xì)級配爐渣提高33%，可見選擇適中的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)有利于提高強(qiáng)度。

2.2 水泥劑量對水穩(wěn)爐渣性能的影響研究

保持爐渣集料級配不變，改變水泥劑量，探究水泥劑量對水穩(wěn)爐渣的性能影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同水泥劑量水穩(wěn)爐渣性能比較

圖2 水穩(wěn)爐渣強(qiáng)度隨水泥劑量變化趨勢圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水泥劑量不斷增加，混合料最佳含水量和最大干密度逐漸增大，抗壓強(qiáng)度也隨之增大。混合料7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥劑量呈線性相關(guān)，而且增長速率較快，這是因?yàn)闋t渣集料本身粘結(jié)性較差，在水泥劑量較低時，試件粘結(jié)性較差甚至難以成型使得強(qiáng)度很低，而當(dāng)水泥劑量増加到一定值時，水泥在物理粘結(jié)和化學(xué)粘結(jié)兩方面聯(lián)合作用，使強(qiáng)度呈快速增長趨勢。

2.3 延遲時間對水穩(wěn)爐渣性能的影響研究

現(xiàn)拌混合料從拌合站運(yùn)往施工現(xiàn)場需要一定時間，而水泥一旦初凝將會影響碾壓后的強(qiáng)度，為探究水穩(wěn)爐渣的允許延遲時間，測定了水泥劑量6.5%時，混合料現(xiàn)拌、延遲2h、延遲3h 的強(qiáng)度變化(見表4）

表4 不同延長時間成型試件R7強(qiáng)度

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，延遲2h 會使試件強(qiáng)度略有降低，但降低幅度較??；若延遲時間超過3h,水泥部分已經(jīng)水化使得骨料顆粒之間的膠結(jié)不緊密，試件成型的完整度降低，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低約1MPa。因此施工過程中選擇了離試驗(yàn)路較近的拌合站，控制混合料在出廠后3h 以內(nèi)運(yùn)往施工現(xiàn)場并馬上進(jìn)行碾壓。

2.4 成型壓實(shí)度對水穩(wěn)爐渣性能的影響研究

為探究成型壓實(shí)度對水穩(wěn)爐渣的影響，在含水量和干密度相同的條件下，分別按照96%、97%、98%的壓實(shí)度成型試件并測定了強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同壓實(shí)度無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比較（R7 ）

可以看出，隨著壓實(shí)度的提高，壓實(shí)所需的最大壓力不斷增加，壓實(shí)度98%時，試件難以壓成標(biāo)準(zhǔn)高度試件；而且隨壓實(shí)度增加，材料強(qiáng)度呈輕微下降趨勢。

3 水泥穩(wěn)定爐渣路面基層路用性能研究

2018年11 月24 日，在屯留城區(qū)-老爺山-屯絳水庫旅游路K7+950-K8+050修筑了100 米試驗(yàn)段。7 天后進(jìn)行轉(zhuǎn)芯取樣，其強(qiáng)度均達(dá)到6-7MPa。

3.1 水泥穩(wěn)定爐渣目標(biāo)配合比的確定

將取自屯留區(qū)潞安煤制油的爐渣通過破碎篩分工藝篩分成0-5mm;5-15mm;15-25mm 三檔粒料，各檔粒料級配見表6。

表6 爐渣集料合成配比

水泥穩(wěn)定爐渣配合比為：水泥劑量為8%（外摻），實(shí)際水泥用量125kg/m 3 ，爐渣集料比例為0-5mm；5-15mm；15-20mm=50%；25%；25%，混合料級配基本滿足《細(xì)則》C-C-3 水穩(wěn)基層要求的碎石級配。

3.2 水泥穩(wěn)定爐渣混合料攪拌

水泥穩(wěn)定爐渣混合料委托當(dāng)?shù)啬嘲韬险炯庸?。在拌合站測定了爐渣集料的含水量13%，計算出實(shí)際外加水量2%，較最佳含水量提高1%。

為了檢測拌合站拌合料含水率、水泥劑量以及拌合的均勻性，取2 個混合料樣本對上述指標(biāo)進(jìn)行檢測，并通過單點(diǎn)擊實(shí)確定干密度后成型試件測定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，壓實(shí)度97%，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 混合料含水量、水泥劑量及強(qiáng)度目標(biāo)值與實(shí)測值

試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）混合料攪拌均勻，生產(chǎn)樣水泥劑量與含水量與目標(biāo)值接近，均在控制范圍內(nèi)，符合要求。

（2）混合料90%保證率下7d 強(qiáng)度最低值6.1Mpa，大于實(shí)驗(yàn)室制樣達(dá)到最大值5.4MPa，完全滿足《細(xì)則》高等級路面對基層材料的要求。

3.3 運(yùn)輸與攤鋪、碾壓

運(yùn)輸采用傳統(tǒng)的自卸車加蓋篷布，由于運(yùn)距較遠(yuǎn)，實(shí)際運(yùn)輸時間約為3小時，混合料到達(dá)現(xiàn)場時已有結(jié)塊現(xiàn)象，但未影響攤鋪和碾壓。

經(jīng)觀測表面粗粒爐渣有壓碎現(xiàn)象，但由于采用了懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部粗顆粒爐渣形態(tài)完好。為了避免過壓，在右半幅施工時，減少了一遍振壓。碾壓完成后基層表面有部分被壓碎的白色顆粒，但表面粗糙平整，沒有泛漿現(xiàn)象。

3.4 養(yǎng)生與檢測

養(yǎng)生采用專用養(yǎng)生膜覆蓋養(yǎng)生，養(yǎng)生期間沒有灑水，但養(yǎng)生膜內(nèi)明顯可見掛滿水珠。碾壓完成后采用灌砂法檢測壓實(shí)度，養(yǎng)生期達(dá)到7 天進(jìn)行轉(zhuǎn)芯取樣測定強(qiáng)度。

表8 不同碾壓工藝壓實(shí)度及取芯強(qiáng)度結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）基層含水量與目標(biāo)值接近，左幅振壓4 遍的壓實(shí)度達(dá)到99%，右幅振壓3 遍壓實(shí)度達(dá)到97.5%。

（2）7d 轉(zhuǎn)芯（平均氣溫10℃）的芯樣完整，內(nèi)部爐渣未見壓碎現(xiàn)象。左幅強(qiáng)度為6.2MPa，右幅強(qiáng)度為7.3MPa,基本與實(shí)驗(yàn)室成型標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)一致。

（3）90d 轉(zhuǎn)芯（最低氣溫17℃）的芯樣無凍裂現(xiàn)象出現(xiàn)。左幅強(qiáng)度11.9MPa，右幅強(qiáng)度11.9MPa,較7d 強(qiáng)度增長近一倍。

4 結(jié)語

在經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的研究后，水泥穩(wěn)定爐渣路面基層試驗(yàn)路已順利鋪筑。從攤鋪碾壓工藝方面來看，水泥爐渣與現(xiàn)有施工工藝適應(yīng)性良好，無需增加額外工藝；在覆膜養(yǎng)生期間，由于爐渣吸水特性，養(yǎng)生效果明顯；而從性能指標(biāo)上來看，拌合站混合料現(xiàn)場取樣送檢報告顯示，兩樣品90%保證率下的7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為6-7MPa，而7d 轉(zhuǎn)芯取樣強(qiáng)度最低值6.1MPa,完全滿足高等級公路基層強(qiáng)度的要求。由此可見，水泥穩(wěn)定爐渣路面基層材料可以在公路建設(shè)領(lǐng)域大面積推廣使用。