水泥穩(wěn)定鋼渣碎石配合比設(shè)計(jì)及路用性能研究

王 建

(華實(shí)環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)工程有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

鋼渣是鋼鐵產(chǎn)業(yè)中產(chǎn)生的廢渣，密度大于一般碎石，強(qiáng)度較高、抗磨耗性強(qiáng)，且含有類似C3S、C2S等活性成分，若用作水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層材料，可進(jìn)一步提高基層承載力[1-2]。隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度加大，優(yōu)質(zhì)合格的砂石材料不足問(wèn)題日益凸顯，若將鋼渣應(yīng)用到半剛性基層建設(shè)中，既可減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，又可提高工業(yè)生產(chǎn)效益。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)摻鋼渣的無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料工程性能進(jìn)行了研究。陳超等[3]研究了5%水泥摻量穩(wěn)定鋼渣碎石材料的工程性能。陳勇鴻等[4]研究表明，不同鋼渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石干縮應(yīng)變變化規(guī)律一致，適量鋼渣摻量可延長(zhǎng)或減緩瀝青路面裂縫形成。吳軍[5]通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥摻量≥4%時(shí)，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石存在最佳鋼渣摻量。高伏良等[6]對(duì)比研究了水泥、石灰、粉煤灰等無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定鋼渣碎石材料的工程性能。李偉等[7]研究表明，在合理礦料級(jí)配和水泥摻量條件下，半剛性鋼渣基層材料抗裂性能良好。盧發(fā)亮等[8]分別研究了水泥穩(wěn)定鋼渣和水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。劉玉民等[9]研究表明，水泥穩(wěn)定鋼渣材料強(qiáng)度與剛度均優(yōu)于一般水泥穩(wěn)定鋼渣材料。

上述研究在水泥穩(wěn)定鋼渣碎石半剛性基層材料工程性能方面取得了一定成果，但配合比設(shè)計(jì)中較少研究摻入鋼渣材料的效果，而鋼渣中往往夾雜活性物質(zhì)和游離氧化鈣和游離氧化鎂等不穩(wěn)定成分，易導(dǎo)致配合比設(shè)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)偏差，路用性能不滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)此，以鋼渣摻量75%的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，優(yōu)選礦料級(jí)配并分析水泥穩(wěn)定鋼渣碎石材料路用性能。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

選用某鋼鐵廠陳化3個(gè)月的鋼渣，粒徑為4.75～31.5 mm，技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表1。集料選用石灰?guī)r，按粒徑大小分為4檔，分別為0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～31.5 mm，技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表2。水泥選用堯柏牌P·C32.5級(jí)水泥，技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表3。

表1 鋼渣技術(shù)性質(zhì)毛體積密度/(g·cm-3)壓碎值/%針片狀顆粒含量/%膨脹率/%粉化率/%2.7716.70.052.165.22

表2 集料技術(shù)性質(zhì)集料粒徑/mm表觀密度/ (g·cm-3)吸水率/%針片狀顆粒含量/%含泥量/% 0～4.752.7920.69—0.34.75～9.5 2.7760.589.50.3 9.5～19 2.7860.4610.20.3 19～31.52.7900.3510.00.2

1.2 試驗(yàn)方案

1)配合比設(shè)計(jì)

參照《公路路面基層施工技術(shù)準(zhǔn)則》(JTG/TF20—2015)中骨架密實(shí)型級(jí)配，改變粒徑≥9.5 mm的集料含量，設(shè)計(jì)粗、中、細(xì)型3種級(jí)配并成型水泥穩(wěn)定鋼渣碎石材料試件，通過(guò)室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)和7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定最優(yōu)級(jí)配。

表3 水泥技術(shù)性質(zhì)測(cè)試項(xiàng)目細(xì)度/%安定性凝結(jié)時(shí)間/min抗折強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa初凝終凝3 d28 d3 d28 d測(cè)試值3.7合格2914214.38.217.938.2規(guī)范值≤10合格≥180≤600≥2.5≥5.5≥11≥32.5

水泥穩(wěn)定鋼渣碎石礦料級(jí)配見(jiàn)表4，設(shè)計(jì)水泥摻量分別為2.0%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%，鋼渣摻量為75%。水泥摻量為水泥質(zhì)量與集料和鋼渣質(zhì)量之和的比值，鋼渣摻量為鋼渣體積與粗集料體積之比。

表4 礦料級(jí)配粒徑/mm通過(guò)質(zhì)量百分率/%粗型中型細(xì)型26.51001001001982.383.885.51673.576.478.613.265.868.571.69.554.057.360.74.7542.042.042.02.3629.527.324.61.1820.217.514.00.613.611.58.80.39.08.25.50.155.56.54.00.0753.02.52.0

2)路用性能研究

基于配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，按《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)要求，靜壓法成型無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件、干縮試驗(yàn)試件，研究鋼渣摻量對(duì)水泥穩(wěn)定鋼渣碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)定性影響規(guī)律，設(shè)計(jì)最佳鋼渣摻量；對(duì)照水泥穩(wěn)定碎石，評(píng)價(jià)最佳鋼渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石干縮性能。試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)鋼渣摻量為0%、25%、50%、75%、100%，養(yǎng)護(hù)齡期為3、7、28、60、90、180 d。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 配合比設(shè)計(jì)

2.1.1級(jí)配設(shè)計(jì)

水泥穩(wěn)定鋼渣碎石最佳含水率和最大干密度見(jiàn)表5，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表6。水泥摻量為3.0%。

表5 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果礦料級(jí)配最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)粗型7.52.566中型7.62.529細(xì)型7.82.471

表6 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果MPa粗型中型細(xì)型3.23.02.9

由表5、表6可知，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)粗型礦料級(jí)配的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石強(qiáng)度特性最優(yōu)，中型礦料級(jí)配次之。而粗型礦料級(jí)配水泥穩(wěn)定鋼渣碎石試件較細(xì)型級(jí)配試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加10.3%，說(shuō)明粗型級(jí)配的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石形成的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)良好，集料間嵌擠咬合作用增強(qiáng)。對(duì)此，本文按骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)粗型礦料級(jí)配成型水泥穩(wěn)定鋼渣碎石試件，進(jìn)行路用性能試驗(yàn)研究。

2.1.2水泥摻量設(shè)計(jì)

不同水泥摻量的穩(wěn)定鋼渣碎石材料最佳含水率和最大干密度見(jiàn)圖1，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖2。

圖1 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖2 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖1、圖2可知：

1)隨水泥摻量增加，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石最大干密度和最佳含水率略微增大，這是因?yàn)榛旌狭习韬瓦^(guò)程中少許水泥發(fā)生了水化反應(yīng)。

2)隨水泥摻量增加，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸提高。在水泥摻量為4.0%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度滿足道路基層強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，較3.0%水泥摻量穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度提高了55.8%，說(shuō)明增加水泥摻量對(duì)穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度提高作用明顯。這是因?yàn)樗鄵搅吭黾?，水化產(chǎn)物硅酸鈣等凝膠物質(zhì)與集料間膠結(jié)作用增強(qiáng)，從而抗壓強(qiáng)度增大。另外，當(dāng)水泥摻量≥4.0%時(shí)，水泥摻量每增加0.5%，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度約提高6.8%。因此，考慮經(jīng)濟(jì)效益，建議水泥摻量為4.0%～4.5%。

2.2 路用性能

2.2.1力學(xué)強(qiáng)度

水泥穩(wěn)定鋼渣碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖3。

圖3 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥穩(wěn)定鋼渣碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

由圖3可知，隨養(yǎng)護(hù)齡期增加，不同水泥摻量的穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度趨勢(shì)一致，養(yǎng)護(hù)齡期前28 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，其28 d抗壓強(qiáng)度較3、7d的抗壓強(qiáng)度分別至少提高137%、65%；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期>28 d，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)減緩，其28、90 d抗壓強(qiáng)度約分別是180 d抗壓強(qiáng)度的76%、92.2%。以4%水泥摻量的穩(wěn)定鋼渣碎石材料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為例，分析鋼渣摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律(見(jiàn)圖4)。當(dāng)養(yǎng)生齡期≤7 d，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨鋼渣摻量增加呈線性增長(zhǎng)，鋼渣摻量增加10%，3、7 d的抗壓強(qiáng)度分別平均提高2.6%、1.8%；當(dāng)養(yǎng)生齡期≥14 d，隨鋼渣摻量增加，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度先增大后減小，在鋼渣摻量75%時(shí)抗壓強(qiáng)度取得峰值，較未摻鋼渣的水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度提高26.6%以上，說(shuō)明鋼渣摻量對(duì)長(zhǎng)齡期水泥穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度影響較顯著，且鋼渣摻量存在最優(yōu)值。這是因?yàn)殇撛鼔核橹蹈哂谒槭旨蠅核橹担喾€(wěn)定碎石中摻入鋼渣有利于提高其強(qiáng)度；同時(shí)，鋼渣中含有類似C2S、C3S等物質(zhì)的活性成分，遇水生成具有膠結(jié)作用的水化產(chǎn)物，增強(qiáng)了鋼渣碎石材料強(qiáng)度。

圖4 鋼渣摻量對(duì)水泥穩(wěn)定鋼渣碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

另外，當(dāng)養(yǎng)生齡期≥60 d，水泥穩(wěn)定鋼渣抗壓強(qiáng)度低于水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度，這是因?yàn)殇撛鼡搅窟^(guò)高時(shí)，較多的活性物質(zhì)發(fā)生水化反應(yīng)后體積增大，破壞了水泥穩(wěn)定鋼渣碎石結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而引起抗壓強(qiáng)度降低。

2.2.2水穩(wěn)定性

水泥穩(wěn)定鋼渣碎石水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。水穩(wěn)定性試驗(yàn)中，采用軟化系數(shù)評(píng)價(jià)水泥穩(wěn)定鋼渣碎石水穩(wěn)定性。軟化系數(shù)指同一養(yǎng)護(hù)齡期下水泥穩(wěn)定鋼渣碎石浸水與不浸水抗壓強(qiáng)度的比值，表征浸水環(huán)境下抗壓強(qiáng)度穩(wěn)定性。

圖5 鋼渣摻量對(duì)水泥穩(wěn)定鋼渣碎石軟化系數(shù)影響

由圖5可知，隨鋼渣摻量增加，不同養(yǎng)護(hù)齡期的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石軟化系數(shù)變化規(guī)律一致，軟化系數(shù)先增大后減小，在鋼渣摻量75%時(shí)軟化系數(shù)取得最大值，其抗水破壞能力最大。另外，鋼渣摻量≤75%，隨養(yǎng)護(hù)齡期增加，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石軟化系數(shù)呈增大趨勢(shì)，水穩(wěn)定性不斷提高，這是因?yàn)樗a(chǎn)物含量隨齡期增加逐漸提高，不斷填充結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙，致使結(jié)構(gòu)密實(shí)性和穩(wěn)定性提高，抑制了水的滲入，從而軟化系數(shù)逐漸增大。對(duì)此，結(jié)合水泥穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，鋼渣最佳摻量為75%。

2.2.3耐收縮性

水泥穩(wěn)定鋼渣碎石干縮試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石干縮試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知，隨干縮時(shí)間增加，水泥穩(wěn)定碎石摻鋼渣前后干縮系數(shù)變化規(guī)律一致，前期干縮系數(shù)增長(zhǎng)迅速，后期逐漸趨于穩(wěn)定，且75%鋼渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)顯著低于不摻鋼渣的水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)，其90 d干縮系數(shù)降低了35.4%。說(shuō)明水泥穩(wěn)定碎石基層材料中摻入鋼渣可顯著延緩或抑制裂縫產(chǎn)生，這是因?yàn)殇撛杏坞x氧化鈣等物質(zhì)與水發(fā)生反應(yīng)，減小了水分蒸發(fā)，同時(shí)體積增大，抵消了材料干燥收縮。

3 結(jié)論

1) 骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)粗型礦料級(jí)配的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石強(qiáng)度特性最優(yōu)，在4.0%水泥摻量時(shí)，抗壓強(qiáng)度滿足道路基層強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，隨水泥摻量增加，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增速減緩。建議水泥摻量為4.0%～4.5%。

2) 不同水泥摻量的穩(wěn)定鋼渣碎石養(yǎng)護(hù)前28 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速；鋼渣摻量對(duì)長(zhǎng)齡期的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度影響較顯著；水泥摻量為4%時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石摻75%鋼渣后較摻鋼渣前抗壓強(qiáng)度至少提高26.6%，且抗水破壞能力最大。建議鋼渣最佳摻量為75%。

3) 水泥穩(wěn)定碎石基層材料中摻入鋼渣可顯著延緩或抑制裂縫產(chǎn)生，75%鋼渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)顯著低于不摻鋼渣的水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)，90 d干縮系數(shù)降低了35.4%。