鋼渣集料在高速公路水泥碎石基層中的應(yīng)用研究

趙寶軍,吳 琛,王 俊,譚 鵬,孔德智,陳美祝

(1.深圳海龍建筑科技有限公司，深圳 518000；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

我國高速公路大多采用瀝青面層與半剛性基層的路面結(jié)構(gòu)，其中半剛性基層多采用水泥穩(wěn)定類材料[1]。公路工程對集料需求量巨大，同時(shí)天然集料開采過程中對環(huán)境破壞嚴(yán)重，集料生產(chǎn)與運(yùn)輸成本越來越高。為此，研究者致力于尋找天然集料的替代材料。

鋼渣與天然巖石有很多相似之處，同時(shí)具有致密、堅(jiān)固和耐磨的特點(diǎn)[2,3]。因此，國內(nèi)外關(guān)于鋼渣作為替代集料應(yīng)用于路面材料中有很多研究。其中，轉(zhuǎn)爐鋼渣是一種常見的鋼渣，其產(chǎn)生量也是最高的。轉(zhuǎn)爐鋼渣比天然集料具有更高的硬度和耐久性，將其作為天然集料替代品應(yīng)用，不僅可有助于減少工業(yè)固體廢棄物的堆積，而且還可有效減少公路工程對天然集料的需求[4,5]。

在我國現(xiàn)行使用的國家規(guī)范中，對水泥碎石基層級配設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)粒徑通過率的上下限，而鋼渣與天然集料在密度、吸水性等方面有明顯差異，僅使用現(xiàn)有級配上下限對鋼渣集料水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)難以滿足相關(guān)規(guī)范的性能指標(biāo)要求[6]。因此，在鋼渣集料水泥穩(wěn)定碎石CB-1配比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)鋼渣特有物化性能，對配比設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整，以確定合理的礦料級配、水泥用量和最佳用水量等參數(shù)。

1 原材料選擇與檢測

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求，選用32.5普硅水泥和兩種集料，分別為鋼渣和安山巖。32.5普硅水泥性能如表1所示，滿足相關(guān)技術(shù)要求。

表1 32.5普硅水泥性能指標(biāo)

鋼渣和安山巖的性能對比如表2所示，兩種集料性能皆滿足規(guī)范要求。

表2 集料基本性能

2 鋼渣集料水泥穩(wěn)定碎石組成設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.1 天然集料CB-1配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)配合比的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行CB-1目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路為：在鋼渣集料水泥穩(wěn)定碎石的礦料級配設(shè)計(jì)中，主要趨近于配合比范圍中值，得到相對應(yīng)的各檔集料的配合比。經(jīng)調(diào)整后，配比為： 19～26.5 mm∶9.5～19 mm∶4.75～9.5 mm∶2.36～4.75 mm∶0～2.36 mm∶礦粉=17%∶23%∶20%∶16%∶24%。 天然集料CB-1級配設(shè)計(jì)范圍的上限、下限、中值和國標(biāo)規(guī)范中的CB-1級配中值曲線具有較好的擬合效果，其配比設(shè)計(jì)目標(biāo)基本達(dá)成。

2.2 高速公路鋼渣集料水泥穩(wěn)定碎石配合比優(yōu)化

對高速公路鋼渣集料水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)主要根據(jù)以下三條原則進(jìn)行優(yōu)化：

1)在對鋼渣集料CB-1水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)時(shí)，為使其具有穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)，首先保證礦料級配中粗集料的比例，使水泥穩(wěn)定碎石中集料形成穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)，同時(shí)合理調(diào)整粗、細(xì)集料比例，減少鋼渣粒形等特性對水泥穩(wěn)定碎石施工性能產(chǎn)生的不利影響。

2)充分考慮鋼渣與天然集料間密度的差異，配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化方案中，使用天然集料作為細(xì)集料使用，所用鋼渣表觀相對密度約為3.6，安山巖約為2.7。在配合比設(shè)計(jì)中使用等體積原則，對體積比例和質(zhì)量比例進(jìn)行相應(yīng)換算。

3)鋼渣相較于天然集料具有更高的吸水率，故在最佳用水量確定時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加用水量以使鋼渣水泥穩(wěn)定碎石具有較好的工作性能。

根據(jù)以上原則，結(jié)合重型擊實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到鋼渣集料CB-1水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化的質(zhì)量配合比為：19～31.5 mm∶9.5～19 mm∶4.75～9.5 mm∶2.36～4.75 mm∶0～2.36 mm∶礦粉=17%∶23%∶20%∶3%∶11.6%∶17.4%。如表3所示，在鋼渣集料CB-1水泥穩(wěn)定碎石配比設(shè)計(jì)優(yōu)化中，其合成級配與級配中值擬合程度較好，同時(shí)，在對體積比例和質(zhì)量比例換算后，其質(zhì)量比例與天然集料差異在5%～10%之間。

表3 鋼渣集料水泥穩(wěn)定碎石礦料比例

2.3 鋼渣集料水泥穩(wěn)定碎石性能分析

在對鋼渣集料水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化后，制備出對應(yīng)樣品，并進(jìn)行相應(yīng)水泥穩(wěn)定碎石性能驗(yàn)證試驗(yàn)，其中不同水泥摻量7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表4所示。其中，水泥用量是指使用的水泥與總集料質(zhì)量的比例。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三個(gè)水泥用量條件下的混合料試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值RC0.95分別為5.01 MPa、5.77 MPa、6.71 MPa，均滿足設(shè)計(jì)文件底基層強(qiáng)度不小于3.0 MPa的要求，其中，水泥用量在3.5∶100以上時(shí)，單個(gè)試件強(qiáng)度實(shí)測值均大于4.0 MPa，代表值RC0.95均大于4.0 MPa，高于規(guī)范文件底基層強(qiáng)度技術(shù)要求，且具有較高的強(qiáng)度富余系數(shù)。

同時(shí)對該底基層配合比進(jìn)行3.5∶100水泥用量條件下的90 d齡期彎拉強(qiáng)度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，測試水泥穩(wěn)定碎石底基層混合料彎拉強(qiáng)度。試件的制備按T0844方法成型100 mm×100 mm×400 mm的中梁試件，壓實(shí)度按97%控制，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)生90 d，養(yǎng)生到期后采用UTM-25材料試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行中心點(diǎn)加載模式進(jìn)行加載試驗(yàn)，其90 d抗彎拉強(qiáng)度平均值約為0.95 MPa，同時(shí)其抗彎拉強(qiáng)度代表值可達(dá)到0.85 MPa以上。鋼渣集料水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能均高于規(guī)范中的技術(shù)要求指標(biāo)。

3 結(jié) 論

組成設(shè)計(jì)優(yōu)化充分考慮了鋼渣與天然集料間密度與吸水率的差異，通過控制粗集料用量，建立了穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)。在對組成設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化后，制備的鋼渣集料水泥穩(wěn)定碎石具有較高的最大干密度，同時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗彎拉強(qiáng)度等力學(xué)性能滿足技術(shù)要求，并高于同類型天然集料水泥穩(wěn)定碎石材料。

該研究主要解決了鋼渣集料用于水泥穩(wěn)定碎石中時(shí)配比設(shè)計(jì)、水泥及最佳用水量確定困難的問題。經(jīng)高速公路工程實(shí)踐驗(yàn)證，其施工效果良好，具有較好應(yīng)用效果，可為同類型的公路建設(shè)項(xiàng)目提供參考依據(jù)。