鋼渣對水泥穩(wěn)定碎石混合料路用性能的影響

王紅偉，張紅日，藍天助

(1.廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；3.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

鋼渣是煉鋼的副產(chǎn)品之一，主要來源于鐵水和廢渣形成的氧化物。據(jù)統(tǒng)計，2018年中國鋼鐵產(chǎn)能超過1億t[1]。因此，需妥善處理大量的廢渣。通常，廢渣有部分可以被鋼廠回收利用[2]，而其余則可用于工程等領(lǐng)域，但大部分均是堆放處理。這種固體廢棄物的處置方式不僅占用了大量的土地資源，而且由于鋼渣中有害成分的泄漏，可能會給環(huán)境帶來負擔(dān)。

鋼渣具有較高的硬度和耐磨性，使其足以用于道路和建筑工程領(lǐng)域[1]。如果用鋼渣部分或全部代替道路用混合料中的骨料，不僅可以提高鋼渣的利用率，而且可以緩解土木工程資源的短缺，減少對環(huán)境的破壞。許多國家鋼渣的利用率已達到90%以上[1]。而我國離這一目標(biāo)還很遠，我國“十四五”規(guī)劃已重視固廢資源化利用的關(guān)鍵問題，交通運輸部相關(guān)規(guī)劃也將其作為重要一環(huán)。因此，加快鋼渣在道路工程的應(yīng)用研究有重要的社會和經(jīng)濟價值。

目前關(guān)于鋼渣在道路工程的應(yīng)用研究，主要集中于面層和基層的應(yīng)用。如謝勇等[3]測試了三種鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性以及體積膨脹性能，均符合工程要求。徐方[4]探討了鋼渣及鋼渣基層材料的體積穩(wěn)定性。曾夢瀾[5]研究了鋼渣在路面基層中的應(yīng)用。鄭武西[6]研究了鋼渣在水泥穩(wěn)定碎石基層中的應(yīng)用?？梢姡撛鼘β访婊鶎硬牧系母黜椔酚眯阅芫哂幸欢ㄓ绊?，且這些影響與多種因素有關(guān)，如鋼渣摻量與性質(zhì)、水泥摻量、級配等。因此，本文主要研究不同水泥和鋼渣摻量對水泥穩(wěn)定碎石混合料路用性能的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗所用水泥為42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥。根據(jù)JTG E42-2005[7]，測定了鋼渣和石灰?guī)r的物理和力學(xué)性質(zhì)，結(jié)果如表1所示。可見，鋼渣和石灰?guī)r的表觀密度相差很大，而壓碎值則更小。鋼渣的形狀多為均勻的圓形顆粒，幾乎不存在針片狀顆粒。由于鋼渣表面多孔，比表面積較大，因此鋼渣的吸水率比石灰?guī)r高。這些指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。鋼渣的級配如表2所示。采用X射線熒光光譜儀測定了其化學(xué)成分，如表3所示。CaO、Fe2O3、MgO、SiO2是鋼渣的主要氧化物成分，四者總量占81.48%。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)表

表2 鋼渣的篩分結(jié)果表

表3 鋼渣的化學(xué)成分表

1.2 混合料制備

水泥穩(wěn)定碎石混合料的級配如表4所示。由于鋼渣具有較大的表觀密度，當(dāng)利用鋼渣替代石灰?guī)r時，采用體積等價方法。因此，應(yīng)對各粒徑集料進行體積-質(zhì)量轉(zhuǎn)換。合適的水泥含量將確?；旌狭暇哂凶銐虻膹姸燃霸缙陂_裂的抵抗能力，因此選取水泥含量為3%～5%。鋼渣替代方案配比如表5所示。

表4 水泥穩(wěn)定碎石的級配表

表5 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石配比方案表

根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[8]，對不同鋼渣含量的樣品進行擊實試驗，以確定含水量與干密度之間的關(guān)系。繪制壓實曲線，計算最大干密度(MDD)和最佳含水量(OMC)。

采用直徑和高度均為150 mm的圓柱形試樣進行無側(cè)限抗壓強度、抗壓彈性模量和劈裂強度試驗。用于收縮試驗的試樣為100 mm×100 mm×400 mm棱柱試樣。模制樣品的壓實度控制在98%。每個試驗條件至少制備三個樣品?？箟夯貜椖Ａ颗c劈裂強度試驗試件在95%相對濕度和25 ℃溫度下養(yǎng)護90 d，干縮樣品養(yǎng)生7 d，其余樣品養(yǎng)生28 d。

2 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的路用性能研究

2.1 最佳含水量和最大干密度

本文所測得的不同鋼渣摻量的最佳含水量和最大干密度結(jié)果如下頁圖1所示。由圖1可知，對具有相同水泥含量的混合料，最佳含水量隨鋼渣摻量增加而增大，這主要是由于鋼渣表面孔隙較多，吸水率較大所導(dǎo)致；最大干密度隨鋼渣摻量的增加而增加，這主要是由于鋼渣的容重較大所致。

2.2 無側(cè)限抗壓強度

下頁圖2給出了不同混合料的7 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果圖。由圖2可知，7 d無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量的增加而增大，而4%摻量時的最小無側(cè)限抗壓強度滿足《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》[9]的要求。因此，重點關(guān)注4%含量時不同鋼渣含量的混合料性能。

(a)最佳含水量

圖2 不同鋼渣摻量混合料的7 d無側(cè)限抗壓強度結(jié)果柱形圖

圖3給出了水泥含量為4%時混合料在28 d時的無側(cè)限抗壓強度。鋼渣摻量從40%增加到60%，該強度是增大趨勢，這可能是因為鋼渣表面的粗糙紋理增強了試件內(nèi)部顆粒的嵌擠，增加了抗損傷能力。另外，鋼渣中的膠凝組分也會促使試件強度更大。當(dāng)鋼渣進一步替代碎石，由于孔隙過多和吸水率高，過多的鋼渣會使試樣內(nèi)部的空隙增大，從而不利于強度的形成。80%鋼渣摻量的試件強度有所下降，表明孔隙率的不利影響開始大于鋼渣粗糙表面結(jié)構(gòu)和膠凝組成的積極影響。

圖3 各混合料的28 d無側(cè)限抗壓強度結(jié)果柱形圖

2.3 劈裂強度

圖4給出了水泥含量為4%時各混合料的劈裂強度試驗結(jié)果。由圖4可知，該強度隨鋼渣摻量的變化趨勢與28 d無側(cè)限抗壓強度一致。且劈裂強度大小與規(guī)范中水泥碎石的劈裂強度相當(dāng)，因此水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料可以替代水泥碎石混合料，用于瀝青路面的基層。

圖4 各混合料的劈裂強度結(jié)果柱形圖

2.4 抗壓回彈模量

基層回彈模量一直是路面設(shè)計的一個重要參數(shù)，對瀝青路面的整體力學(xué)性能有重要的影響。圖5給出了各混合料的抗壓回彈模量的結(jié)果。由圖5可知，回彈模量隨鋼渣摻量的變化趨勢與劈裂強度類似。且該值與規(guī)范中水泥碎石的要求值相當(dāng)，因此水泥穩(wěn)定鋼渣碎石可替代水泥碎石作為路面基層。

圖5 各混合料的抗壓回彈模量結(jié)果柱形圖

2.5 干縮性能

干縮主要是毛細管張力作用、吸附水分子間作用、層間水作用及碳化脫水作用引起的宏觀體積的變化。干縮性能與干縮應(yīng)變有很大關(guān)系，所以本文以干縮應(yīng)變評價干縮性能。各混合料的干縮應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。在前期(7 d)干縮應(yīng)變的曲率較大，說明干縮問題主要發(fā)生在前一周，這主要是因為前期水分迅速損失所致，因此當(dāng)鋼渣用作基層材料時，施工前期應(yīng)注意保存基層中的水分，以減少收縮問題。另外，干縮應(yīng)變隨鋼渣摻量的增加而減小，可見，鋼渣的加入有助于減小基層的收縮。

圖6 含不同鋼渣摻量混合料的干縮應(yīng)變結(jié)果曲線圖

3 結(jié)語

(1)水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的抗壓強度、劈裂強度及抗壓回彈模量隨鋼渣摻量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢。

(2)水泥含量為4%時，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的劈裂強度與抗壓回彈模量與水泥碎石的規(guī)范要求值相當(dāng)，因此其可以代替水泥穩(wěn)定碎石用作路面基層。

(3)水泥穩(wěn)定鋼渣混合料的抗壓強度、劈裂強度及抗壓回彈模量在鋼渣摻量為60%時，達到最大值，因此最佳鋼渣摻量可選為60%。

(4)干縮應(yīng)變隨鋼渣摻量的增加而減小，因此鋼渣的加入有助于減小干縮問題；干縮應(yīng)變隨齡期增大而增大，且變化率越來越小，因此在鋼渣基層施工前期應(yīng)著重控制基層中的水分損失，以防止干縮發(fā)生。

(5)目前鋼渣可用于水泥穩(wěn)定碎石混合料，但后續(xù)仍應(yīng)注意由于鋼渣的引入可能造成的后期基層病害問題。