鋼渣對半剛性基層力學(xué)強(qiáng)度及穩(wěn)定性影響分析

楊芙蓉，武旭，楊小森，張富奎，魏定邦，趙靜卓，王暉，張軍林，任國斌

(1.甘肅省交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督管理局，甘肅 蘭州 730000； 2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司 甘肅省公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)創(chuàng)新中心)

1 前言

水泥穩(wěn)定類半剛性基層是中國高等級公路通用的基層形式，作為路面承重層，其力學(xué)性能和耐久性對路面的服役壽命至關(guān)重要。然而因水泥穩(wěn)定材料的特點(diǎn)決定了該類基層易出現(xiàn)干縮開裂，嚴(yán)重影響了道路的服役質(zhì)量。近年來，中國對環(huán)保重視程度日益提高，導(dǎo)致大批料場關(guān)停，造成公路建設(shè)中的石料匱乏及價(jià)格上漲。鋼渣是一種鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，長期以來，未能有效利用而被隨意堆放，不僅造成生態(tài)環(huán)境的加劇污染和破壞，而且占用大量的土地資源。大量研究表明鋼渣是一種優(yōu)良的筑路砂石可替代產(chǎn)品，同時(shí)具有一定膨脹性，如將其應(yīng)用于半剛性基層中，不僅解決了鋼渣引起的環(huán)境污染和公路建設(shè)石料匱乏問題，而且可通過膨脹特性補(bǔ)償收縮達(dá)到減小基層易開裂幾率。因此，鋼渣作為骨料代替石料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定類基層混合料中是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

根據(jù)調(diào)查表明：在德、美等發(fā)達(dá)國家，超過50%的鋼渣用于道路工程建設(shè)中，其中德國將鋼渣應(yīng)用于高等級公路面層和基層中，美國對鋼渣在公路中的應(yīng)用具有一套完整的應(yīng)用體系。研究結(jié)果表明：鋼渣可改善混凝土結(jié)構(gòu)孔隙分布、提高混凝土強(qiáng)度和耐久性等。中國較多學(xué)者開展了鋼渣在半剛性基層中的應(yīng)用研究，喻平研究得出60%鋼渣摻量下水泥穩(wěn)定碎石混合料不僅強(qiáng)度滿足要求，膨脹性也最為穩(wěn)妥；張宗保等采用水泥和粉煤灰兩種無機(jī)結(jié)合料綜合穩(wěn)定鋼渣碎石，從而形成新型復(fù)合混合料來當(dāng)作路面基層或底基層材料；梁鐸，毛志剛研究了鋼渣在水泥穩(wěn)定碎石基層中的工程應(yīng)用，結(jié)果證實(shí)了鋼渣可用于半剛性基層并一定程度抵消或補(bǔ)償水泥穩(wěn)定類半剛性基層材料的收縮特性；龔耀通過研究水泥穩(wěn)定鋼渣-碎石設(shè)計(jì)得出，混合料的干縮系數(shù)隨著鋼渣的増加而減小，鋼渣的摻入有助于提高混合料的抗開裂性能；黃浩將未陳化鋼渣摻入水泥穩(wěn)定碎石基層中，研究認(rèn)為新鋼渣的參考摻量不超過 50%為宜。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于鋼渣在基層中的應(yīng)用研究成果眾多，總結(jié)為鋼渣可提升半剛性基層強(qiáng)度、減小半剛性基層的干縮應(yīng)力及緩解瀝青路面反射裂縫，鋼渣摻量以≤50%為宜。然而對摻加不同比例鋼渣對收縮補(bǔ)償起到多大作用未見定量評價(jià)，同時(shí)也未見將鋼渣原材料膨脹性與無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定鋼渣碎石混合料干縮特性建立相關(guān)分析。該文采用兩種不同來源和不同陳化時(shí)間鋼渣進(jìn)行不同摻量下對水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度及干縮特性影響，為鋼渣在干旱與半干旱地區(qū)半剛性基層中的規(guī)模化應(yīng)用提供理論支撐。

2 原材料分析

2.1 鋼渣

對兩種來源鋼渣(記為樣本1和樣本2)依據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》測試集料性能，結(jié)果如表1所示。

表1 鋼渣各項(xiàng)性能測試結(jié)果

依據(jù)HJ/T 300—2007《固體廢物 浸出毒性浸出方法 醋酸緩沖溶液法》標(biāo)準(zhǔn)測試兩種鋼渣樣本的浸出毒性。結(jié)果見表2，兩種來源鋼渣對環(huán)境均無危害。

2.2 集料

粗集料采用規(guī)格為20～31.5 mm碎石、3～5 mm碎石和0～3 mm石屑，鋼渣采用規(guī)格為5～10 mm和10～20 mm，細(xì)集料規(guī)格為<0.075 mm。集料試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 鋼渣安全性檢測

2.3 水泥

表4 水泥試驗(yàn)結(jié)果

2.4 級配設(shè)計(jì)

鋼渣因具一定活性，陳化時(shí)間不同和采用不同方式處理后其體積穩(wěn)定性會發(fā)生顯著變化。為對比不同性質(zhì)鋼渣應(yīng)用于半剛性基層對強(qiáng)度及收縮特性的影響，采用了兩種來源4種不同性質(zhì)的鋼渣，分別為樣本2陳化5年鋼渣，樣本1新渣，樣本1陳化3年鋼渣，樣本1經(jīng)過90 ℃高溫浸水3晝夜處理后的鋼渣，并分別編號為B、C-1、C-2、C-3，其中未摻鋼渣的全碎石混合料記為A。對4種性質(zhì)鋼渣，分別進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石混合料級配設(shè)計(jì)，鋼渣摻量參考龔耀、黃浩等研究成果設(shè)計(jì)為50%。同時(shí)針對榆鋼新渣C-1，進(jìn)行不同摻量設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)摻量分別為10%、30%、50%和70%，并分析不同鋼渣摻量水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度、收縮等性能變化規(guī)律。

3 試驗(yàn)方法

3.1 鋼渣壓蒸粉化率

依據(jù)GB 24175—2009—T 《鋼渣穩(wěn)定性檢測方法》中壓蒸粉化率試驗(yàn)測試鋼渣原材料的體積穩(wěn)定性。試驗(yàn)采用4.75～9.5 mm鋼渣800 g，測試前進(jìn)行清洗處理，隨后將濕潤狀態(tài)鋼渣放入壓蒸釜中，在2.0 MPa的飽和蒸氣壓下蒸3 h，試驗(yàn)結(jié)束后將試樣烘干，過篩稱取1.18 mm以下鋼渣，計(jì)算壓蒸粉化率。

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)

試件成型和強(qiáng)度測試依據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

3.3 干縮試驗(yàn)

試驗(yàn)過程依據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中T0854進(jìn)行，測試齡期為180 d。

4 結(jié)果分析

4.1 鋼渣對水泥穩(wěn)定碎石混合料力學(xué)性能的影響

選擇鋼渣C-1測試水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(4組試驗(yàn))和抗彎拉強(qiáng)度(3組試驗(yàn))，鋼渣摻量為10%、30%、50%和70%，結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 鋼渣摻量對水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度影響分析

由圖1得出：水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度均隨著鋼渣摻量的增大而增大。當(dāng)鋼渣摻量增加至70%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提升40.6%，抗彎拉強(qiáng)度提升82.1%?？梢娎貌糠咒撛嫠槭?，對水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度均具有顯著的提升效果。其中，抗彎拉強(qiáng)度提升更為明顯。

圖2 鋼渣摻量與水穩(wěn)混合料力學(xué)強(qiáng)度的影響規(guī)律分析

由圖2得出：鋼渣摻量與水穩(wěn)碎石混合料的抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度呈顯著的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.957 9和0.994 6。進(jìn)一步證明，鋼渣對水穩(wěn)碎石材料的強(qiáng)度影響效果明顯。其原因是鋼渣強(qiáng)度較普通碎石高，同時(shí)具有膠凝性礦物成分，如C3S和C2S，在水泥穩(wěn)定碎石混合料中發(fā)揮了一定的水化特性和膠凝作用，從而較普通水泥穩(wěn)定碎石混合料具有更高的抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度。

4.2 鋼渣對水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮特性影響分析

4.2.1 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的干縮應(yīng)變分析

通過180 d每日干縮應(yīng)變和累積干縮應(yīng)變分析4種不同性質(zhì)鋼渣及不同摻量鋼渣對水泥穩(wěn)定碎石混合料的收縮性能影響。前10 d采集每日的干縮應(yīng)變，第10～30 d采集每2 d的干縮應(yīng)變，從30 d后每隔30 d采集一次干縮應(yīng)變，120 d后每隔60 d采集一次干縮應(yīng)變，具體結(jié)果見圖3、4。

分析0～30 d每日干縮應(yīng)變得出，前5 d的每日干縮應(yīng)變呈現(xiàn)大幅下降趨勢，其中以未摻加鋼渣的全碎石混合料A變化幅度最大，其次為鋼渣B和鋼渣C。第5～10 d每日干縮應(yīng)變基本穩(wěn)定，日干縮應(yīng)變變化幅度基本接近。從第30 d后，每隔30 d的干縮應(yīng)變下降明顯，仍以無鋼渣的空白組變化幅度最大，摻入鋼渣后的變化幅度基本接近。干縮應(yīng)變達(dá)到120 d時(shí)，包括無鋼渣和摻入鋼渣的水穩(wěn)混合料的干縮應(yīng)變均接近于0，證明120 d后水泥穩(wěn)定材料的干縮趨于穩(wěn)定。

由圖4(a)得出：隨著時(shí)間的增長，累積干縮應(yīng)變呈先增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，前期增長幅度明顯，第90 d后增長變緩，第120 d基本趨于穩(wěn)定。對比180 d的累積干縮應(yīng)變得出，不同性質(zhì)鋼渣的水穩(wěn)碎石混合料大小是A>B>C-3>C-2>C-1，其中C-3、C-2、C-1鋼渣水穩(wěn)碎石混合料累積干縮應(yīng)變接近。180 d全碎石混合料累積總干縮應(yīng)變?yōu)?.086%，鋼渣組最小累積干縮應(yīng)變?yōu)?.053%，為鋼渣樣本C-1，較全碎石混合料累積干縮應(yīng)變減小0.036%。

圖3 每日干縮應(yīng)變變化規(guī)律

圖4 累積干縮應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律

由圖4(b)得出，隨著鋼渣摻量的增大，干縮應(yīng)變減小，原因是鋼渣摻量增加導(dǎo)致鋼渣膨脹應(yīng)變增加，可抵消的收縮應(yīng)變增大，從而水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的整體干縮應(yīng)變減小。當(dāng)鋼渣摻量為70%時(shí)，累積干縮應(yīng)變?yōu)?.051%，較全碎石混合料減小0.035%。

4.2.2 鋼渣對水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮補(bǔ)償性分析

在水泥穩(wěn)定類半剛性基層材料中摻入鋼渣，因鋼渣具有一定膨脹性，可對水泥穩(wěn)定性材料起到補(bǔ)償收縮的作用。定義補(bǔ)償收縮率來定量評價(jià)鋼渣對水泥穩(wěn)定混合料的補(bǔ)償收縮特性，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Rcs為補(bǔ)償收縮率；εA為全碎石混合料累積干縮應(yīng)變；εB為摻鋼渣混合料累積干縮應(yīng)變。

對4種不同性質(zhì)鋼渣的水泥穩(wěn)定材料隨時(shí)間變化的補(bǔ)償收縮率進(jìn)行對比，并測試4種鋼渣的壓蒸粉化率指標(biāo)，將補(bǔ)償收縮率與鋼渣體積穩(wěn)定性建立關(guān)聯(lián)性，結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 4種不同性質(zhì)鋼渣干縮應(yīng)變補(bǔ)償收縮率分析

圖6 補(bǔ)償收縮率與體積穩(wěn)定性的關(guān)系分析

由圖5、6可知：4種鋼渣和不同摻量下均呈現(xiàn)逐漸減小后趨向穩(wěn)定的變化規(guī)律，前期補(bǔ)償收縮率下降明顯，直至90 d后補(bǔ)償收縮率變化變小，120 d后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。4種鋼渣的補(bǔ)償收縮率大小為：90 d前為C-2>C-1>C-3>B，180 d時(shí)收縮率大小為C-1>C-2>C-3>B，最大為C-1鋼渣補(bǔ)償收縮率為37.7%，最小為B鋼渣補(bǔ)償收縮率為25.5%。

鋼渣壓蒸粉化率與在水泥穩(wěn)定材料中的補(bǔ)償收縮率具有較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.91。證明了鋼渣在水泥穩(wěn)定材料中的補(bǔ)償收縮大小與鋼渣自身的體積膨脹性有關(guān)，鋼渣陳化時(shí)間越長，膨脹性越小，則補(bǔ)償收縮率越小。然而對于陳化5年以上的B樣本鋼渣，50%的摻量下可以達(dá)到25.5%的補(bǔ)償收縮率，可見鋼渣具有較長的活性保持期，對水泥穩(wěn)定類半剛性基層混合料的干燥收縮起到了顯著的抵消作用。

對比不同鋼渣摻量下的補(bǔ)償收縮率(圖7)得出：隨著鋼渣摻量的增大，補(bǔ)償收縮率增大。達(dá)到最終穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，對于10%鋼渣，可補(bǔ)償收縮14.3%，對于50%鋼渣摻量可補(bǔ)償收縮29.3%，對于70%鋼渣摻量，可補(bǔ)償收縮40.1%。鋼渣摻量越大，對水泥穩(wěn)定碎石混合料補(bǔ)償收縮越大。

圖7 4種不同鋼渣摻量補(bǔ)償收縮率分析

5 結(jié)論

(1)水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度隨鋼渣摻量的增大而增大。當(dāng)鋼渣摻量增大至70%，抗壓強(qiáng)度提升40.6%，抗彎拉強(qiáng)度提升82.1%，且鋼渣摻量與半剛性基層的強(qiáng)度呈顯著的線性關(guān)系。

(2)水泥穩(wěn)定材料的干縮應(yīng)變以前5 d降低幅度最大，隨著時(shí)間延長，日干縮應(yīng)變逐漸減小，累計(jì)干縮應(yīng)變先快速增大后趨向穩(wěn)定，120 d后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。加入鋼渣后，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合材料的每日干縮應(yīng)變率和累積干縮應(yīng)變均呈減小變化趨勢。且隨著鋼渣摻量增大，累積干縮應(yīng)變減小，當(dāng)鋼渣摻量為70%時(shí)，累積干縮應(yīng)變?yōu)?.051%，較全碎石混合料減小0.035%。

(3)4種不同性質(zhì)鋼渣摻量均固定為50%時(shí)，180 d時(shí)的補(bǔ)償收縮率大小為C-1>C-2>C-3>B，最大補(bǔ)償收縮率為37.7%，最小為25.5%。隨著鋼渣摻量的增大，補(bǔ)償收縮率增大，當(dāng)鋼渣摻量增大至70%，可補(bǔ)償收縮40.1%。鋼渣膨脹性與水泥穩(wěn)定材料中的補(bǔ)償收縮率具有較好的線性關(guān)系，鋼渣陳化時(shí)間越長，膨脹性越小，則補(bǔ)償收縮率越小。

(4)在水泥穩(wěn)定類半剛性基層中摻入一定量鋼渣，不僅提高了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度，而且對干燥收縮起到了良好的補(bǔ)償減小作用，保證了半剛性基層的體積穩(wěn)定性，降低了開裂概率。