張軍林 任國斌 魏定邦1, 趙靜卓1, 王暉1,
(1 甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司,甘肅 蘭州 730030;2 甘肅暢隴公路養(yǎng)護技術(shù)研究院有限公司,甘肅 蘭州 730203)
隨著工業(yè)的發(fā)展,工業(yè)廢渣逐漸增多,鋼渣作為煉鋼過程中產(chǎn)生的廢渣,年產(chǎn)量大且利用率低,對自然環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞,怎樣綜合利用工業(yè)廢渣。已經(jīng)逐漸引起了國內(nèi)外學(xué)者的重視。隨著“一帶一路”方針政策的進行,我國高等級公路的建設(shè)也在不斷地向前飛速發(fā)展,與此同時,新建道路對石料龐大的需求加劇了石料開采規(guī)模,給環(huán)境帶來了巨大的壓力。水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣作為主要承重層的基層具有高的強度、穩(wěn)定性和耐久性,若能將鋼渣在公路工程中得以應(yīng)用,不但可以提高路面性能,還能夠?qū)崿F(xiàn)鋼渣的循環(huán)利用,并在一定程度上降低工程造價,具有較大的社會和經(jīng)濟意義。
公路工程中對石料的基本要求包括力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性,由于鋼渣的不穩(wěn)定性,水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣和新石料的摻配成為該領(lǐng)域目前的主流研究方向。本文研究了不同水泥劑量、粉煤灰劑量、鋼渣摻量對基層混合料的最佳含水率、最大干密度,無側(cè)限抗壓強度的影響,就水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石鋼渣用于高等級公路基層進行了理論研究。
本文所用原材料各項技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTG-TF20-2015)的要求。各原材料技術(shù)指標(biāo)如下。
1.1.1 鋼渣
鋼渣取自酒泉鋼鐵集團有限公司,僅有一種規(guī)格,即0~53mm。根據(jù)級配要求,將鋼渣斷檔為三種規(guī)格,分別為:0~4.75mm、4.75~13.2mm和13.2~26.5mm,并對鋼渣進行泡水以除去氧化鈣,燜料處理保證其穩(wěn)定性,各項技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
1.1.2 新石料
新石料取自蘭州公路管理局高養(yǎng)中心,共有七種規(guī)格。分別為:0~3mm、3~5mm、5~10mm、10~15mm、15~20mm、20~25mm和20~31.5mm,根據(jù)規(guī)范級配要求將26.5mm以上超粒徑顆粒的剔除,各項技術(shù)指標(biāo)如表2所示。
表1 鋼渣的技術(shù)指標(biāo)
表2 新石料的技術(shù)指標(biāo)
1.1.3 水泥
本文所選用的水泥為祁連山牌水泥,強度等級為32.5MPa,其具體指標(biāo)如表3所示。
表3 水泥的技術(shù)性質(zhì)
1.1.4 粉煤灰
粉煤灰是二灰穩(wěn)定碎石、水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的主要材料,本文選用蘭州西固宏大熱電有限責(zé)任公司產(chǎn)袋裝(二級)粉煤灰,其具體物理化學(xué)指標(biāo)如表4所示。
表4 粉煤灰的主要化學(xué)成分及物理性能
為增加不同半剛性基層無機結(jié)合料的可比性,本試驗中的半剛性基層材料級配均采用《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTG-TF20-2015)中規(guī)定的水泥粉煤灰穩(wěn)定級配碎石推薦級配范圍,均通過篩分逐級回配得到,具體級配如表5所示。
1.2.1 最大干密度和最佳含水率
根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)中T0804-1994無機結(jié)合料穩(wěn)定材料擊實試驗方法規(guī)定,采用重型擊實(丙法)確定水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石鋼渣混合料最大干密度及最佳含水率。
1.2.2 無側(cè)限試件成型
根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)中T0843-2009無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試件制作方法(圓柱體)中規(guī)定由最大干密度和最佳含水率計算每個無側(cè)限試件質(zhì)量,采用壓力試驗機成型試件。
1.2.3 抗壓強度
根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)中T0805-1994無機結(jié)合料穩(wěn)定材料無側(cè)限抗壓強度試驗方法,測試無側(cè)限抗壓強度。
從圖1a可以看出:在鋼渣摻量分別為0%、50%、70%的情況下,水泥鋼渣基層混合料的最佳含水率隨著水泥劑量的增加而增大,但變化并不明顯,表明水泥劑量在小范圍內(nèi)的變化對最佳含水率無顯著影響。鋼渣摻量低于50%、水泥摻量為3%~6%時,最佳含水率保持在0%~50%范圍內(nèi)且變化并不明顯,但是當(dāng)鋼渣摻量由50%增大到70%時,最佳含水率增加較為明顯(圖1b)。
表5 半剛性基層水泥粉煤灰碎石推薦級配
水泥摻量分別為3%、4%、5%、6%的情況下,水泥鋼渣基層混合料的最大干密度隨水泥摻量的增加表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢,其中50%鋼渣摻量對應(yīng)的最大干密度最大(圖2a)。圖2b則表明在鋼渣摻量分別為0%、50%、70%時,最大干密度會隨著水泥劑量的增加而增大,但除了鋼渣摻量為70%時該指標(biāo)發(fā)生較大變化外,其余摻量下最大干密度的變化并不明顯。
在水泥劑量分別為3%、4%的情況下,隨著鋼渣摻量的增加,水泥鋼渣基層混合料的無側(cè)限抗壓強度降低,當(dāng)水泥摻量為5%、6%時,隨著鋼渣摻量的增加,水泥鋼渣基層混合料的無側(cè)限抗壓強度表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢,且50%鋼渣摻量,6%水泥摻量下對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強度值最大(圖5a)。從圖5b可以看出,在鋼渣摻量分別為0%、50%、70%的情況下,隨著水泥劑量的增加,無側(cè)限抗壓強度有所增大。當(dāng)水泥劑量大于4%以后,0%、70%鋼渣摻量下的混合料隨著水泥劑量的增加,無側(cè)限抗壓強度增長速度有所減慢,而50%鋼渣摻量對應(yīng)的混合料的無側(cè)限抗壓強度對水泥劑量的變化則比較敏感。
表6 二灰穩(wěn)定鋼渣基層混合料的最佳含水率、最大干密度、無側(cè)限抗壓強度
圖1 a)鋼渣摻量對最佳含水率的影響 b)水泥摻量對最佳含水率的影響
圖2 a)鋼渣摻量對最大干密度的影響 b)水泥摻量對最大干密度的影響
圖3 a) 鋼渣摻量對無側(cè)限抗壓強度的影響 b) 水泥摻量對無側(cè)限抗壓強度的影響
在二灰劑量為4%、鋼渣摻量為50%的配比下,隨著粉煤灰占水泥比例的增大,二灰穩(wěn)定鋼渣基層混合料的最佳含水率增大,最大干密度減小,其中水泥與粉煤灰配比為1:3時的無側(cè)限抗壓強度最大(表6)。
本文通過不同水泥劑量、粉煤灰劑量、鋼渣摻量對基層混合料的最佳含水率、最大干密度,無側(cè)限抗壓強度的影響進行研究,得到了以下結(jié)論:
1)相比鋼渣摻量變化對最佳含水率的影響,水泥摻量的變化對最佳含水率的影響并不明顯。
2)鋼渣摻量增加會降低水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣混合料的無側(cè)限抗壓強度,尤其當(dāng)鋼渣摻量為50%表現(xiàn)的更為明顯,而水泥劑量增大可以提升無側(cè)限抗壓強度。從使用性能和經(jīng)濟性兩方面綜合考慮,采用鋼渣摻量為50%,水泥劑量為4%或鋼渣摻量為70%,水泥劑量為5%這兩種配比,均可滿足規(guī)范基層用無側(cè)限強度為4.0~6.0MPa的要求。
3)當(dāng)水泥劑量4%、鋼渣摻量為50%、水泥與粉煤灰的比例為1∶3時,可以達到7d無側(cè)限抗壓強度為5.7MPa、最佳含水率為6.4%、最大干密度為2.566 g/cm3,滿足基層用無側(cè)限強度為4.0~6.0MPa的要求。
4)酒鋼鋼渣在路面基層中研究,為鋼渣的利用開辟了新的道路。