鋼渣在水泥穩(wěn)定碎石基層中的工程應用研究*

梁 鐸 溫永鋼 楊 超 謝 君 李 杰

(內(nèi)蒙古高等級公路建設開發(fā)有限責任公司1) 呼和浩特 010050) (武漢理工大學材料科學與工程學院2) 武漢 430070) (中交第一公路工程局有限公司3) 北京 100024)

0 引 言

水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層作為路面主要承重層，其力學性能和耐久性能對整個路面服役壽命有重大影響[1-2].鋼渣作為一種常見工業(yè)廢渣，其產(chǎn)生量大、堆積量多、且對環(huán)境污染嚴重[3].近年來研究發(fā)現(xiàn)鋼渣棱角豐富，物理力學性能良好，如能將這些鋼渣用作路面材料，將會大大提高鋼渣利用率，減少對環(huán)境的污染[4].

潘放等[5]研究了安徽馬鞍山鋼渣作為瀝青路面基層集料的可行性，結(jié)果表明,鋼渣含有一定活性的游離氧化鈣含量，其制備的混合料的加州承載比(CBR)值可達到標準值的250%～400%，同時其浸水膨脹率也較小.鄭武西[6]研究了日照市鋼渣的體積膨脹性和水泥穩(wěn)定碎石-鋼渣的力學性能，結(jié)果表明,兩組鋼渣平行樣的浸水膨脹率分別為0.64%和0.67%，水泥穩(wěn)定碎石鋼渣混合料的無側(cè)限抗壓強度、間接抗拉強度、抗壓回彈模量都會隨著鋼渣摻量增加而增大.馮群英[7]對水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層在昆明繞城公路的工程應用、經(jīng)濟效益和環(huán)境影響進行了初步的分析評價.周啟偉等[8]提出了解決鋼渣膨脹性不良的方法并分析了鋼渣在路面基層中的應用前景.Li等[9]研究了水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的干縮和溫度特性，結(jié)果表明，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石干縮應變較小，不會產(chǎn)生較大的溫度收縮應變，用鋼渣代替基層碎石是可行的，有利于改善半剛性基層材料的干縮和溫縮特性.

綜上所述，鋼渣具備高強度和抗滑耐磨等特性，經(jīng)陳化后的鋼渣體積穩(wěn)定性較好，且用其制備的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料性能良好.基于前期實驗基礎，將CB-1水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料應用在G65包茂高速上基層試驗段，研究了現(xiàn)場拌和混合料的性能及其試驗段的相關(guān)性能，以期推動鋼渣集料在基層中的應用.

1 原材料與混合料配合比設計

1.1 原材料

鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料涉及的主要原材料有鋼渣、安山巖和水泥三種，其中鋼渣來自包頭某嗎有限責任公司的轉(zhuǎn)爐鋼渣(以下簡稱包鋼鋼渣).通過文獻[10]對包鋼鋼渣的性能進行檢測，其測試結(jié)果見表1.由表1可知，包鋼鋼渣的壓碎值和磨耗值等指標均滿足規(guī)范要求，其f-CaO含量遠低于規(guī)范中小于3%的要求.安山巖細集料和水泥分別來自內(nèi)蒙古某碎石場和某有限責任公司.

表1 包鋼鋼渣集料相關(guān)性能測試結(jié)果

1.2 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的配合比設計

G65高速試驗段中鋪設的水泥穩(wěn)定碎石混合料的設計采取兩種摻配方式，分別為粗集料為鋼渣、細集料為天然集料安山巖的粗鋼細石組，簡稱為GT組；粗細集料全為鋼渣的全鋼渣組，簡稱為GG組.粗細集料分界線為4.75 mm.水泥穩(wěn)定碎石混合料的級配設計采用等體積替換方法.GT組和GG組混合料的級配曲線分別見圖1.GT組的水泥劑量為5.0%和4.5%，GG組的水泥劑量為4.0%，三種混合料的標準擊實實驗結(jié)果見表2.

圖1 混合料合成級配曲線

表2 混合料標準擊實實驗結(jié)果

混合料類型水泥劑量/%最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)GT組5.04.62.787GT組4.54.62.825GG組4.05.02.855

2 試驗段的鋪筑與檢測方法

2.1 試驗段鋪筑

水泥穩(wěn)定鋼渣集料上基層試驗段在G65包茂高速公路(包頭至東勝路段)K70+600—K72+100處鋪筑，長度為1.5 km，采用三種配比的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料分四分段鋪設，每個分段對應的樁號及混合料的材料組成見表3.試驗段的鋪設過程見圖2.

表3 試驗段四段對應的樁號及材料組成

圖2 水泥穩(wěn)定集料鋼渣上基層試驗段的鋪筑過程

2.2 混合料及其基層試驗段性能的檢測方法

在拌合站選取具有代表性的濕料帶回工地試驗室采用BKJ-3多功能電動擊實儀進行標準擊實，并分別進行干密度、含水率和水泥劑量滴定的測試.將拌和站拌和的混合料取回工地試驗室進行標準試件的成型和養(yǎng)生.成型試件壓實度按98%控制，采用WE-1000萬能材料試驗機進行靜壓成型.養(yǎng)生方式為標準養(yǎng)護6 d，然后浸水1 d.依據(jù)文獻[11]采用WE-300B萬能材料試驗機對試件進行7 d無側(cè)限抗壓強度測試，試件尺寸直徑×厚度為150 mm×150 mm，加載速率為1 mm/min.

參照文獻[12]，采用灌砂法(Φ15 mm)和LXBP-5A智能八輪平整度儀測量水泥穩(wěn)定鋼渣集料上基層試驗段的壓實度和平整度.壓實度按每100 m一個點，現(xiàn)場量砂的松方密度為1.38 g/cm3.平整度儀的測試速度維持在在7 km/h左右，每隔100 m儀器自動計算該路段的平均平整度.試驗段彎沉值的測量借助CFWD-10T型車載全自動落錘式彎沉儀，該儀器每25 m一點測定彎沉指標.彎沉代表值為彎沉測量值的上波動界限，可通過式(1)計算：

lr=l+SZa

(1)

式中：lr為彎沉代表值(0.01 mm)；l為實測彎沉的平均值；S為測試彎沉值的標準差；Za為與要求保值率有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)規(guī)定水穩(wěn)基層Za值取2.0.

3 試驗段性能研究

3.1 現(xiàn)場混合料的含水率和水泥劑量

現(xiàn)場拌合的混合料的濕密度、含水率和水泥劑量滴定結(jié)果見表4.由表4可知，現(xiàn)場測試出的混合料的含水量滿足規(guī)范±2%的要求，滴定出的水泥劑量也滿足規(guī)范±0.5%的要求.三種混合料的濕密度均高于2.9 g/cm3，吸水率高的特性并未使混合料的含水量測定出現(xiàn)偏差.

表4 三種配比的混合料的密度、含水量和水泥劑量

3.2 標準養(yǎng)生試件的7 d無側(cè)限抗壓強度

三種混合料的標準養(yǎng)生后的試件見圖3，其7 d無側(cè)限抗壓強度結(jié)果見表5.表中數(shù)據(jù)顯示三種混合料的強度均超過9.0 MPa，其中5%水泥用量的GT組其抗壓強度最大，高達9.9 MPa.采用更少水泥用量的GG組混合料的強度略高于水泥用量為4.5%的GT組，這源于GG組含有更多的鋼渣組分.鋼渣集料經(jīng)水泥中的堿性成分激發(fā)后發(fā)生水化反應相互結(jié)合在一起，在宏觀上表現(xiàn)為鋼渣間遇水發(fā)生“板結(jié)效應”.同時鋼渣中的硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(β-C2S)礦物與水反應生成水化硅酸鈣(C—S—H)和CaCO3、Ca(OH)2及鋁硅酸鹽等物質(zhì)，這能極大地提升整體混合料的抗壓強度.而GG組混合料強度的變異系數(shù)較大，其95%保證率的值RC0.95較GT組小，但仍遠高于5 MPa的強度設計值.

圖3 現(xiàn)場拌和成型的三種配比標準養(yǎng)生試件

表5 鋼渣水泥穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限抗壓強度結(jié)果

試件類型GT組(5.0%)GT組(4.5%)GG組(4.0%)強度算術(shù)平均值Rc/MPa9.99.59.7標準差S0.260.390.98變異系數(shù)CV/%2.574.1010.1595%保證率的值RC0.95/MPa9.58.98.0

3.3 壓實度

水泥穩(wěn)定鋼渣集料上基層試驗段的壓實度測試結(jié)果見表6.試驗段的碾壓工藝是車速為2 km/h的初壓、車速為4 km/h的復壓和車速為5 km/h的終壓的組合碾壓工藝.其中，初壓采取單鋼輪壓路機來回弱振-強振-弱振輾壓各一遍的工藝；復壓采取膠輪壓路機輾壓二遍的工藝；終壓采取雙鋼輪壓路機靜壓一遍的工藝.此輾壓工藝測定的壓實度為93.0%，96.2%和96.1%，即為表6中的前3次檢測結(jié)果，不滿足規(guī)范壓實度98%的要求.經(jīng)觀察現(xiàn)場路面出現(xiàn)鋼渣集料“蹦出”的現(xiàn)象，考慮到是鋼輪壓路機的強振與堅硬的鋼渣發(fā)生碰撞而使得鋼渣彈開，導致混合料出現(xiàn)松散情況，故對輾壓工藝進行了一定程度的改進.

表6 水泥穩(wěn)定鋼渣集料上基層試驗段壓實度檢測結(jié)果

改進的初壓工藝為單鋼輪壓路機靜壓一遍和弱振三遍，復壓工藝將膠輪壓路機的二次輾壓提升為四次，終壓工藝保持不變.經(jīng)檢測，此輾壓工藝測定的基層試驗段壓實均滿足要求(即表6后10次檢測結(jié)果)，且最終趨于穩(wěn)定.壓路機在水泥穩(wěn)定鋼渣集料基層壓實時與普通水穩(wěn)基層的不同在于壓實鋼渣基層時壓路機的振動幅度大，易出現(xiàn)振幅涌，振動頻率相對高.因此，水泥穩(wěn)定鋼渣基層相較普通水泥穩(wěn)定碎石基層，其應該避免強振，易多采用膠輪壓路機輾壓，且終壓需采用雙鋼輪壓路機的靜壓輾壓工藝.

3.4 平整度

基層試驗段各分段的平均平整度測試結(jié)果見圖4.由圖4可知，全路段鋼渣水穩(wěn)基層的平整度平均值均小于2 mm，滿足高速公路平整度儀測試方法對平整度的要求，其中第三段(全鋼渣GG路段)的平整度的標準差和變異系數(shù)最小.這是因為鋼渣較天然集料的棱角和紋理更加豐富，具備多支撐點集料骨架結(jié)構(gòu)，使其在碾壓中更容易相互嵌擠而成型.

圖4 試驗段四分段的平整度

3.5 彎沉值

落錘式彎沉儀在K70+700—K72+100路段左右兩側(cè)每隔25 m記錄一次彎沉值，該區(qū)域每測共記錄59個數(shù)據(jù)點，每個測量點對應的彎沉值見圖5.由圖5可知，左右兩側(cè)的彎沉值均位于20(0.01 mm)附近，其中右側(cè)的彎沉值的波動幅度較左側(cè)大，但其最大彎沉值仍不高于35(0.01 mm).選取K70+700—K71+150這150 m路段共計19個測量點作為彎沉值的評估路段，該路段的落錘彎沉值與等效貝克曼梁彎沉值的相關(guān)性見圖6.圖6顯示兩者具有良好的線性相關(guān)性，其擬合相關(guān)系數(shù)R2達到0.996 8，這說明該路段具有一定的代表性.根據(jù)測量點的彎沉值計算得到的試驗段的彎沉平均值和代表值見表7.表7顯示落錘彎沉儀測量的彎沉平均值和彎沉代表值分別為18.08(0.01 mm)和23.20(0.01 mm)，滿足試驗段27.70(0.01 mm)的彎沉設計值的要求.這表明低壓碎值和高磨光值的鋼渣集料的加入能在一定程度上提升水泥穩(wěn)定碎石基層的抗變形能力，使其具有更小的彈性應變.

圖5 試驗段的彎沉值測試結(jié)果

圖6 代表路段的落錘彎沉值與等效貝克曼梁彎沉值的關(guān)系圖

表7 基層試驗段代表路段平均彎沉值和代表彎沉值

4 結(jié) 論

1) 三種水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的7 d無側(cè)限抗壓強度均超過9.0 MPa，水泥用量更少的GG混合料的強度略高于水泥用量為4.5%的GT組.

2) 水泥穩(wěn)定鋼渣基層碾壓時應避免強振，易多采用膠輪壓路機輾壓，且終壓需采用雙鋼輪壓路機的靜壓輾壓工藝.

3) 水泥穩(wěn)定鋼渣基層試驗段各分段的平整度平均值均低于2 mm，全鋼渣集料路段的平整度的標準差和變異系數(shù)最小.

4) 水泥穩(wěn)定鋼渣基層試驗段具備較好的抗彈性變形性能，其彎沉代表值為23.20(0.01 mm)，低于路段的設計彎沉值.

5) 鋼渣集料堅硬抗磨的特性使其制備的水泥穩(wěn)定碎石基層試驗段性能優(yōu)良，表明其能較好地應用在高交通量的水泥穩(wěn)定基層中.