二灰穩(wěn)定鋼渣路用性能試驗(yàn)研究

張景春

（廊坊市交通公路工程有限公司二公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

冶金廢渣在道路方面的綜合利用，國(guó)內(nèi)外已有一定的研究成果。大多都是將其用作路基回填材料，廢渣作為混合料中的骨料也有一定數(shù)量的研究，一般是簡(jiǎn)單地取代道路混合料中的碎石，對(duì)廢渣本身的活性、膨脹性考慮很少，將鋼渣作為二灰穩(wěn)定類材料使用的研究更少甚至根本沒有考慮。研究針對(duì)冶金廢渣的代表——鋼渣作為路用材料的可行性和二灰穩(wěn)定鋼渣混合料的路用性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，對(duì)減少鋼渣的堆放場(chǎng)地和環(huán)境污染，降低工程造價(jià)、指導(dǎo)工程實(shí)踐、變廢為寶，促進(jìn)邯鄲市環(huán)境保護(hù)工作，有著極其重要的意義。

1 原材料性能

鋼渣是山東某鋼廠采用堤式法生產(chǎn)得到的，其主要礦物為：C2S、C3S、橄欖石CRS、薔薇輝石C3RS2和納蓋斯密特石C7PS2，經(jīng)大量試驗(yàn)研究可知，鋼渣慢冷或急冷其結(jié)構(gòu)均為晶體結(jié)構(gòu)，不出現(xiàn)玻璃體，鋼渣的物理力學(xué)性能見表1。由于該鋼渣堿度M＞1，所以可以判斷該鋼渣為堿性。粉煤灰、石灰性能均滿足高速公路、一級(jí)公路有關(guān)技術(shù)要求。

表1 鋼渣物理力學(xué)性能

2 二灰穩(wěn)定鋼渣配合比設(shè)計(jì)

2.1 二灰穩(wěn)定鋼渣混合料的最佳含水量

每個(gè)配比取估計(jì)最佳含水量左右的5個(gè)含水量進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，間隔2%，繪制成曲線，通過含水量與干密度曲線獲得最大干密度與最佳含水量。

2.2 鋼渣用量

二灰穩(wěn)定鋼渣試件的強(qiáng)度不是混合料干密度最大時(shí)達(dá)到最大值，而是在中間某一密度時(shí)達(dá)到極值，這主要是因?yàn)槎曳€(wěn)定鋼渣混合料強(qiáng)度主要來源于鋼渣間的摩阻力和結(jié)合料間的粘結(jié)力，結(jié)合料過多則鋼渣間的嵌擠作用差，反之，結(jié)合料不足，則鋼渣過于松散，同樣達(dá)不到最佳強(qiáng)度。

2.3 二灰比例

通常石灰與粉煤灰之比，一般在1:2～1:4之間，這個(gè)比例不是固定不變的，它是集料性質(zhì)、粉煤灰性質(zhì)和要求的混合料增長(zhǎng)率的函數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果與分析

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法：試驗(yàn)前一天將養(yǎng)生至規(guī)定的齡期的試件飽水24h，水覆蓋深度不宜超過試件高度1/3。擦去表面水后，稱重、量高，然后平放在路面強(qiáng)度試驗(yàn)儀的升降臺(tái)上，以1mm/min的加載速率進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。重點(diǎn)分析石灰/粉煤灰比例、二灰結(jié)合料/鋼渣、鋼渣級(jí)配以及齡期對(duì)混合料強(qiáng)度的影響。

3.1.1 不同石灰/粉煤灰比例二灰穩(wěn)定鋼渣混合料強(qiáng)度結(jié)果

在此試驗(yàn)中，保持集料鋼渣含量不變，變化石灰與粉煤灰摻配比例，以研究石灰與粉煤灰比例對(duì)二灰穩(wěn)定鋼渣混合料強(qiáng)度影響規(guī)律。石灰與粉煤灰比例從0∶20～7∶13，鋼渣含量保持80%不變，抗壓強(qiáng)度如表2所示，抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰/石灰比例關(guān)系變化規(guī)律如圖1所示。

表2 不同石灰與粉煤灰比例無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖1 抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰/石灰比例關(guān)系變化規(guī)律

從圖1可以看出粉煤灰與石灰比在2∶1～4∶1間強(qiáng)度較好。石灰過少，將不能充分激發(fā)粉煤灰活性，致使火山灰等反應(yīng)發(fā)生較慢，早期強(qiáng)度較低；石灰含量過多，雖有利于激發(fā)粉煤灰活性，但石灰過量將產(chǎn)生剩余，這些過量石灰雖可在潮濕的空氣中產(chǎn)生碳化和結(jié)晶強(qiáng)度，但強(qiáng)度有限，因此強(qiáng)度也不會(huì)很高。另一不采用過多石灰原因是過量石灰會(huì)產(chǎn)生膨脹，且不經(jīng)濟(jì)。

3.1.2 二灰結(jié)合料/鋼渣比例對(duì)強(qiáng)度影響

試驗(yàn)中石灰與粉煤灰比例固定為1∶3，而變化集料鋼渣的含量，來分析鋼渣含量對(duì)混合料強(qiáng)度的影響。鋼渣含量按占混合料質(zhì)量百分比從70%～85%。結(jié)果如表3所示，抗壓強(qiáng)度隨鋼渣含量變化圖如圖2所示。

表3 不同鋼渣含量抗壓強(qiáng)度

圖2 抗壓強(qiáng)度隨鋼渣含量變化圖

從圖2可以看出看，鋼渣含量在總重的75%～80%間，二灰穩(wěn)定鋼渣混合料7d強(qiáng)度較好，達(dá)0.98～1.23。鋼渣含量過多時(shí)，二灰結(jié)合料將不能充分填充空隙和有效粘結(jié)骨料，因此強(qiáng)度下降，二灰含量過多時(shí)，集料鋼渣在混合料中處于懸浮狀態(tài)，強(qiáng)度將主要由細(xì)料和二灰部分來承擔(dān)，無法發(fā)揮鋼渣骨架支撐作用，因此強(qiáng)度也高。綜合考慮細(xì)料多時(shí)收縮大，穩(wěn)定性差等原因，二灰穩(wěn)定鋼渣比例宜為4∶16∶80～5∶15∶80之間。 研究結(jié)果表明，鋼渣含量小于總量80%時(shí)，各配比強(qiáng)度相差不大，分析認(rèn)為這時(shí)二灰強(qiáng)度已形成很多，這時(shí)混合料的強(qiáng)度主要受控于二灰強(qiáng)度。然而鋼渣含量大于90%時(shí)，強(qiáng)度急速下降，這是因?yàn)榻Y(jié)合料太少不足以填充穩(wěn)定集料。

3.1.3 鋼渣不同級(jí)配對(duì)強(qiáng)度的影響

二灰穩(wěn)定鋼渣混合料材料組成設(shè)計(jì)參數(shù)中可變因素除二灰比例和二灰含量外，還有一個(gè)可變因素就是集料的級(jí)配。取我國(guó)現(xiàn)行《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 034—2000）二灰級(jí)配碎石中碎石級(jí)配上、中、下限和本文按k＝0.75計(jì)算的級(jí)配以及鋼渣天然破碎級(jí)配，結(jié)果見表4。

表4 不同鋼渣級(jí)配的抗壓強(qiáng)度

根據(jù)我國(guó)《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》無側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可以看出研究制備的二灰穩(wěn)定鋼渣均滿足一級(jí)和高速公路基層材料強(qiáng)度的要求。

3.1.4 不同齡期下強(qiáng)度結(jié)果

選強(qiáng)度較好的兩種配比4∶16∶80和5∶15∶80進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響關(guān)系，養(yǎng)生時(shí)間分7d、28d、90d、180d和360d。不同齡期下抗壓強(qiáng)度如表5所示?？箟簭?qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化圖如圖3所示。

表5 不同齡期下抗壓強(qiáng)度

圖3 抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化圖

說明以上兩條曲線差別是由于配比1（4∶16∶80）在工地標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28d后斷電氣溫一直在10℃以下，所以強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，而配比2（5:15:80）一直處于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)養(yǎng)狀態(tài)，因此后期強(qiáng)度仍然增長(zhǎng)很快?，F(xiàn)推薦二灰穩(wěn)定鋼渣混合料抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間增長(zhǎng)應(yīng)用關(guān)系如表6所示。

表6 抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間增長(zhǎng)關(guān)系

3.2 抗壓回彈模量試驗(yàn)及影響因素分析

彈性模量是表征彈性材料或彈性體在受力時(shí)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的比例常數(shù)，模量結(jié)果與試驗(yàn)方法有關(guān)，因此不同的試驗(yàn)方法測(cè)得的模量會(huì)有所差別，為便于分析本文統(tǒng)一采用頂面法，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，模量—時(shí)間關(guān)系圖如圖4所示。

表7 28d標(biāo)養(yǎng)抗壓回彈模量

圖4 模量-時(shí)間關(guān)系圖

大量試驗(yàn)路觀測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，少量水泥或石灰粉煤灰穩(wěn)定級(jí)配碎石后，其抗壓回彈模量在1000MPa以上；用少量水泥或石灰粉煤灰穩(wěn)定級(jí)配砂礫后，其抗壓回彈模量也常達(dá)到1000MPa；一些細(xì)粒土用水泥或石灰粉煤灰穩(wěn)定后，其抗壓回彈模量也達(dá)到400～500MPa。配比（4∶16∶80）二灰穩(wěn)定鋼渣28d抗壓回彈模量為1040MPa，配比（5∶15∶80）為1080MPa，普遍大于建議值20%左右。而現(xiàn)行瀝青規(guī)范基層設(shè)計(jì)模量齡期，二灰穩(wěn)定類取6個(gè)月，因此建議值為：二灰穩(wěn)定鋼渣3個(gè)月模量配比4∶16∶80為1530MPa，5∶15∶80為1452MPa，而6個(gè)月模量4∶16∶80已經(jīng)超過2000MPa。 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況取合適值，基層一般應(yīng)略大于底基層。

3.3 彎拉試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)方法采用美國(guó)MTS810材料試驗(yàn)機(jī)，采用3分點(diǎn)加荷，加載速率1mm/min。梁尺寸：10×10×40cm。試驗(yàn)結(jié)果顯示三種配比梁的彎拉破壞時(shí)兩三分點(diǎn)平均豎向位移在0.3～0.5mm之間，彎拉強(qiáng)度見表8。

表8 不同配比彎拉強(qiáng)度

上表中方案配比6∶19∶75圓柱形試件抗壓強(qiáng)度為1.20MPa，彎拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值為0.242；配比5∶15∶80圓柱形試件抗壓強(qiáng)度1.23MPa，彎拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值為0.244；配比4∶11∶85圓柱形試件抗壓強(qiáng)度0.70MPa，彎拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值為0.4。據(jù)有關(guān)資料，美國(guó)得出石灰粉煤灰集料混合料的彎拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值為0.18～0.25，一般以0.2來估計(jì)抗彎拉強(qiáng)度。交通部公路科學(xué)研究所沙慶林院士等在為京津塘高速公路進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的對(duì)比試驗(yàn)資料表明[4，5]，石灰粉煤灰粒料（砂礫、碎石和廢渣占混合料70%以上）的彎拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度（90d齡期）比值為0.182～0.273。

4 結(jié)論

4.1 二灰穩(wěn)定鋼渣混合料強(qiáng)度宏觀上主要來源于鋼渣集料顆粒的內(nèi)摩阻力和二灰結(jié)合料的粘結(jié)力，微觀上粘結(jié)力主要產(chǎn)生于二灰間的火山灰反應(yīng)、顆粒的碳化結(jié)晶和固結(jié)等作用。因此強(qiáng)度影響因素主要就是影響上述作用發(fā)生程度的因素，主要包括鋼渣顆粒的級(jí)配組成情況、石灰粉煤灰有效含量、石灰粉煤灰比例等因素。

4.2 試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)石灰粉煤灰有一最佳混合比例，在石灰含量過多和過少時(shí)效果都不好，石灰較多時(shí)雖不經(jīng)濟(jì)但初期強(qiáng)度較高，石灰含量較少，粉煤灰較多時(shí)后期強(qiáng)度卻較高。試驗(yàn)結(jié)果表明：石灰粉煤灰比例在1∶2～1∶4之間，二灰含量在20%左右時(shí)二灰穩(wěn)定鋼渣混合料無論是初期還是后期都具有較高的強(qiáng)度。

4.3 回彈模量試驗(yàn)采用頂面法，并考慮層位工作條件設(shè)定試驗(yàn)條件。模量和強(qiáng)度一般呈同向變化規(guī)律，設(shè)計(jì)時(shí)可參照瀝青規(guī)范基層設(shè)計(jì)模量，取二灰穩(wěn)定類1300～1700MPa的高限，必要時(shí)要進(jìn)行試驗(yàn)修正。

4.4 通過一定數(shù)量小梁彎曲試驗(yàn)確定二灰穩(wěn)定鋼渣混合料的彎拉強(qiáng)度可取抗壓強(qiáng)度的10%～20%，也可試驗(yàn)確定。

[1]姜愛峰，等.二灰碎石組成配合比設(shè)計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，（3）：309-313.

[2]JGJ 28—86，粉煤灰在混凝土和砂漿中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].

[3]劉紅瑛.骨駕密實(shí)型二灰穩(wěn)定碎石基層配合比設(shè)計(jì)方法及路用性能研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2001.

[4]吳傳海.高等級(jí)公路二灰碎石基層材料路用性能綜合評(píng)定及合理配合比研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2001.

[5]沙慶林.高等級(jí)公路半剛性基層瀝青路面[M].北京：人民交通出版社，1998.