摻鋼渣水泥穩(wěn)定碎石在道路基層中的應(yīng)用

余 亮，張家強(qiáng)，成 軍

(1.南京市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210000；2.東南大學(xué)，江蘇 南京 210096；3.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000)

鋼渣是鋼鐵生產(chǎn)中的主要副產(chǎn)品，其產(chǎn)量約為鋼鐵產(chǎn)量的8%～15%。而我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度大，每年的鋼鐵產(chǎn)量也很大，據(jù)統(tǒng)計(jì)2020年我國鋼產(chǎn)量超過13億t，因此，隨之產(chǎn)生的大量鋼渣需要妥善處理，但鋼渣在我國的使用率僅為29.5%，而日本的利用率高達(dá)98.4%，美國的利用率也達(dá)到87%[1]。由于鋼渣有很好的抗壓強(qiáng)度、粗糙度和耐久性等特性，鋼渣可被應(yīng)用于道路工程領(lǐng)域，通常在混合料中以30%～70%的鋼渣取代天然集料[2]。吳少鵬等人[3]研發(fā)生產(chǎn)的鋼渣瀝青混合料成功應(yīng)用在武英高速、漢鄂高速、漢宜高速等部分道路上。李新明[4]對(duì)鋼渣穩(wěn)定土和鋼渣石灰穩(wěn)定土的路用性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明用鋼渣替換40%土組成的鋼渣穩(wěn)定土的CBR值顯著高于相應(yīng)的石灰土和水泥土。張東海[5]通過對(duì)鋼渣水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的研究，發(fā)現(xiàn)其早期強(qiáng)度高于不摻鋼渣的普通混合料，并且各齡期的抗壓回彈模量均高于普通混合料。Mymrin等人[6]將粉煤灰和磷石膏與鋼渣的混合料用于道路基層，在對(duì)混合料的性能進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)其長期抗剪強(qiáng)度和水穩(wěn)定性指數(shù)遠(yuǎn)高于水泥穩(wěn)定碎石。Li等人[7]研究了水泥穩(wěn)定鋼渣的干縮和溫縮性能，結(jié)果表明中等級(jí)配的水泥穩(wěn)定鋼渣的干縮應(yīng)變最大，因此中等級(jí)配的水泥穩(wěn)定鋼渣不適用于基層，水泥穩(wěn)定鋼渣基層相比于水泥穩(wěn)定碎石基層可以明顯減少干縮、溫縮變形。可以看出，鋼渣可以廣泛應(yīng)用在道路工程中并有比普通碎石更優(yōu)異的性能。但將鋼渣應(yīng)用于道路中還要解決好鋼渣存在的體積膨脹性問題，鋼渣中含有游離態(tài)的氧化鈣和氧化鎂(f-CaO，f-MgO)等物質(zhì)，其與水反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生膨脹，這兩種物質(zhì)會(huì)使鋼渣的膨脹率分別達(dá)到98%、148%，從而危害道路的穩(wěn)定性[8]。馮群英[9]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣體積膨脹主要是由f-CaO的水和反應(yīng)引起的，在初始階段1～5 d膨脹較快，第10 d膨脹量趨于最大值并穩(wěn)定。朱光源[10]研究發(fā)現(xiàn)，摻加硅灰、粉煤灰等礦質(zhì)材料可以抑制鋼渣膨脹，并且礦物材料的摻量比種類對(duì)鋼渣膨脹的影響更大，并且摻入礦物材料可以提高混合料的抗壓強(qiáng)度值。

綜上，本文用鋼渣替換部分碎石用作道路基層材料，并研究不同因素對(duì)混合料強(qiáng)度的影響，以及硅灰對(duì)摻鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料膨脹性的抑制效果，以期為鋼渣在道路基層中的應(yīng)用提供一些參考。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

(1)集料

試驗(yàn)為研究將鋼渣用作道路基層的性能，優(yōu)選含鋼渣水泥穩(wěn)定材料的最佳組成設(shè)計(jì)。原料采用沙鋼鋼廠的鋼渣與石灰?guī)r集料，兩種集料物理性能見表1。

(2)水泥

試驗(yàn)采用國標(biāo)P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，物理性能見表2。

表1 集料物理性能

表2 P·O 42.5水泥物理性能

(3)硅灰

試驗(yàn)采用白色硅灰，SiO2含量≥94%，pH值中性。

1.2 試驗(yàn)方案

水泥穩(wěn)定碎石混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)有懸浮密實(shí)、骨架密實(shí)和骨架孔隙三種結(jié)構(gòu)[11]。其中骨架結(jié)構(gòu)是按嵌擠原則充分利用粗集料的嵌擠作用來形成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并且骨架孔隙結(jié)構(gòu)其內(nèi)部的孔隙率較大，為鋼渣體積膨脹提供空間。故本試驗(yàn)采用骨架級(jí)配類型，擬定2種不同級(jí)配，中級(jí)配(JP-M)和粗級(jí)配(JP-C)，級(jí)配見表3，級(jí)配曲線見圖1。

表3 擬定級(jí)配

圖1 級(jí)配曲線

水泥在混合料中起粘結(jié)作用，水泥含量少會(huì)導(dǎo)致混合料的強(qiáng)度不足，含量太大會(huì)導(dǎo)致混合料硬化后干縮變形過大，從而使基層開裂進(jìn)而影響面層。試驗(yàn)擬定3.5%、4%、4.5%三種水泥摻量。

考慮鋼渣存在體積安定性問題，試驗(yàn)擬定30%、50%、70%三種鋼渣替換量。并且，鋼渣的密度比碎石大，試驗(yàn)以體積作為鋼渣替換碎石的指標(biāo)。

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)。選用L9(34)正交表，針對(duì)級(jí)配類型因素只有兩個(gè)水平的情況，用擬水平法將級(jí)配類型因素的水平3擬定為粗級(jí)配，即級(jí)配類型因素中的粗級(jí)配水平是中級(jí)配水平的2倍，可以滿足正交設(shè)計(jì)法的基本要求。另外，設(shè)計(jì)中不考慮因素間的交互作用。試驗(yàn)組設(shè)計(jì)見表4。

采用7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)3種因素對(duì)摻鋼渣水穩(wěn)碎石基層強(qiáng)度影響。為研究硅灰對(duì)摻鋼渣水穩(wěn)碎石混合料體積膨脹的抑制效果，選擇試驗(yàn)組5作為對(duì)照組，并分別摻加3%、6%、9%的硅灰，采用浸水膨脹率試驗(yàn)研究摻鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的體積膨脹性。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方法

按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[12]采用丙類型進(jìn)行室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)，試桶尺寸為Φ152 mm×120 mm的圓柱體，分3層每層錘擊98次。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按規(guī)程利用靜壓法成型Φ100 mm×100 mm的圓柱體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)7 d后測(cè)試，養(yǎng)護(hù)溫度(20±2)℃，養(yǎng)護(hù)濕度(60±5)%。

鋼渣混合料浸水膨脹率試驗(yàn)原理為在90 ℃水浴養(yǎng)護(hù)條件下，鋼渣中含有的游離態(tài)氧化鈣和氧化鎂經(jīng)過一段時(shí)間后消解而使鋼渣膨脹。按照《鋼渣穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》(GB/T 24175—2009)[13]進(jìn)行試驗(yàn)，利用擊實(shí)法成型試件，后將試件放入90 ℃恒溫水浴箱，持續(xù)加熱6 h后自然冷卻，連續(xù)觀察10 d，記錄百分表讀數(shù)，計(jì)算混合料膨脹率。

2 結(jié)果與分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

按照規(guī)程[12]對(duì)不同水泥摻量、鋼渣摻量和級(jí)配類型的9個(gè)試驗(yàn)組進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 試驗(yàn)組最佳含水量

由試驗(yàn)結(jié)果可以得到：

(1)摻鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳含水量和最大干密度與鋼渣摻量成正相關(guān)性。原因是鋼渣的表觀相對(duì)密度大于碎石，當(dāng)鋼渣替換碎石量增大時(shí)，相同體積下質(zhì)量更大，因此其最大干密度也更大。另外，鋼渣表面呈多孔結(jié)構(gòu)使得其比表面積大于碎石，從而吸水飽和所需的水量也就更大。

(2)摻鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳含水量和最大干密度與水泥摻量成正相關(guān)性。原因是水泥在混合料中起膠凝作用，其摻量越多，水化反應(yīng)時(shí)需水量就越多，從而混合料最佳含水量越大。另外，水泥水化反應(yīng)生成的膠凝作用會(huì)使集料間粘結(jié)更緊密，使得混合料最大干密度增大。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)9個(gè)試驗(yàn)組進(jìn)行7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到摻鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料試件的抗壓強(qiáng)度值見表6。

表6 混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

利用正交設(shè)計(jì)助手對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，首先進(jìn)行直觀分析計(jì)算水泥摻量、鋼渣替換量和級(jí)配類型三種因素的均值與極差，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 直觀分析

正交試驗(yàn)的均值代表某一因素的不同水平影響試驗(yàn)結(jié)果顯著性的差別，極差代表不同因素影響試驗(yàn)結(jié)果顯著性的差別。從表7中可以得到：對(duì)鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最為顯著的因素是水泥摻量，其次是鋼渣的替換量，級(jí)配類型對(duì)混合料強(qiáng)度的影響最小。

利用效應(yīng)曲線圖可以更直觀的觀察混合料強(qiáng)度與不同因素中各水平間的影響關(guān)系，效應(yīng)曲線圖見圖2。

圖2 效應(yīng)曲線圖

從效應(yīng)曲線圖中可以得到。

(1)摻鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增多逐漸增大，原因是水泥水化作用隨著水泥摻量的增加可以使得混合料內(nèi)部的膠結(jié)作用與固化效果更強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度也增強(qiáng)。

(2)摻鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著鋼渣摻量的增多逐漸增大，并且鋼渣替換量從30%增加到50%時(shí)強(qiáng)度增長明顯，鋼渣替換量從50%增加到70%時(shí)強(qiáng)度增長緩慢。

(3)粗級(jí)配鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度相比于中級(jí)配更大，說明粗粒徑的集料對(duì)混合料強(qiáng)度的影響最顯著。

Li等人[7]的研究表明隨著水泥摻量的增加，混合料的干縮變形也隨之增大。考慮過高的水泥摻量會(huì)使基層產(chǎn)生更多的干縮裂縫，并綜合上述結(jié)論，建議摻鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的組成設(shè)計(jì)為粗級(jí)配、水泥摻量4%、鋼渣替換量50%。

2.3 浸水膨脹率試驗(yàn)

基本試驗(yàn)組選用粗級(jí)配(即JP-C)、水泥摻量4%、鋼渣替換量50%。按照《鋼渣穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》(GB/T 24175—2009)[13]中的要求，對(duì)鋼渣水泥穩(wěn)定碎石試件連續(xù)觀測(cè)10 d，試件的體積膨脹率見圖3。

圖3 累計(jì)膨脹量與水浴天數(shù)關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果表明。

(1)摻鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的體積膨脹量隨著試驗(yàn)天數(shù)的增加而增大。未摻硅灰的混合料膨脹量在10 d內(nèi)均有增長，硅灰摻量為3%、6%的混合料膨脹量在第6 d時(shí)就趨于穩(wěn)定。說明在混合料中摻入硅灰可以促進(jìn)鋼渣中游離氧化鈣的反應(yīng)。硅灰摻量為9%時(shí)，混合料的膨脹量隨水浴試驗(yàn)時(shí)間不斷增大，原因?yàn)楣杌覔搅窟^多改變了混合料原有級(jí)配，導(dǎo)致體積膨脹增大。

(2)除去硅灰摻量9%的試驗(yàn)組，隨著硅灰摻量的增多，混合料的體積膨脹率有明顯降低，說明硅灰的摻入可以有效抑制鋼渣的體積膨脹。

(3)綜合上述因素，硅灰摻量的推薦值為3%，既可抑制鋼渣體積膨脹，又不致硅灰摻量過多改變?cè)屑?jí)配。

3 結(jié) 語

用鋼渣替換部分碎石應(yīng)用于水泥穩(wěn)定基層中，既可有效的處理廢棄鋼渣，又可以在一定程度提高道路基層的服務(wù)水平。選用2種級(jí)配類型、3種水泥摻量和3種鋼渣替換量，通過正交試驗(yàn)以混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究不同因素對(duì)摻鋼渣水泥穩(wěn)定基層強(qiáng)度的影響。通過浸水膨脹率試驗(yàn)研究摻硅灰對(duì)混合料膨脹性的影響。得出以下結(jié)論。

(1)摻鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳含水量和最大干密度均與鋼渣替換量和水泥摻量成正相關(guān)性。

(2)摻鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在鋼渣替換量從30%增加到50%時(shí)增長明顯，從50%增加到70%時(shí)增長緩慢；采用粗級(jí)配的混合料抗壓強(qiáng)度更大。推薦摻鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳組成設(shè)計(jì)為粗級(jí)配、水泥摻量4%、鋼渣替換量為50%，試驗(yàn)7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.03 MPa，滿足規(guī)范要求。

(3)硅灰可以促進(jìn)鋼渣中游離氧化鈣的反應(yīng)并有效抑制鋼渣體積膨脹，混合料的膨脹率在一定范圍內(nèi)隨硅灰摻量的增加而降低，推薦硅灰最佳摻量為3%。