干旱寒冷地區(qū)水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層特性研究

辛德軍，劉志強(qiáng)，冀 欣，盛燕萍，龍?jiān)骑w，陳華鑫

(1.包頭交通投資集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064；3.交通鋪面材料教育部工程研究中心，陜西 西安 710064；4.包頭市公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014040)

0 引 言

新渣排放和老渣堆積等問題已困擾中國鋼鐵廠多年，不僅占用土地還污染環(huán)境，給企業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展帶來很大困難，如何合理高效處理廢渣成為當(dāng)今關(guān)注的突出問題[1-3]。中國90%以上的高速公路采用以水泥為代表的無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料作為基層，但是隨著國家基建規(guī)模不斷擴(kuò)大，加之道路養(yǎng)護(hù)和建設(shè)任務(wù)需要大量石料，而今石料短缺現(xiàn)象嚴(yán)重[4-5]。中國內(nèi)蒙古地區(qū)因干旱寒冷、日溫差大等不良?xì)夂驐l件，半剛性基層施工困難及傳統(tǒng)基層已不能滿足交通荷載對(duì)其強(qiáng)度、剛度和承載能力的要求[6-7]。在國家“交通強(qiáng)國”建設(shè)重大戰(zhàn)略和“十四五”發(fā)展規(guī)劃中明確提出提升道路品質(zhì)的大背景下，如何解決上述問題是目前研究的熱點(diǎn)之一。

針對(duì)半剛性鋼渣基層性能的影響，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。馮英群等研究了昆鋼陳化轉(zhuǎn)爐渣在昆明繞城高速公路工程中的應(yīng)用，結(jié)果表明施工現(xiàn)場基層試件最佳含水量率為8.3%，7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值為3.4 MPa，鋼渣可改善基層的抗干縮性能[8]；鄭武西等研究了日鋼鋼渣半剛性基層的力學(xué)性能，60%鋼渣摻量(質(zhì)量比)的基層其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量得到極大提升，鋼渣不利于基層溫縮性能的改善[9]；黃浩等研究了浙鋼未陳化的新渣在基層中的應(yīng)用，得出鋼渣中摻入0.5%硅灰后，浸水膨脹率從2.69%降低到0.2%，且75%鋼渣摻量(質(zhì)量比)的基層混合料較普通水穩(wěn)碎石基層抗凍系數(shù)提高約5.9%[10]。對(duì)特殊寒冷地區(qū)的半剛性基層研究，多數(shù)學(xué)者大都研究了傳統(tǒng)碎石水穩(wěn)基層在低溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的路用性能。盛燕萍等研究了不同養(yǎng)護(hù)溫度下早強(qiáng)型水穩(wěn)碎石的早強(qiáng)低收縮特性，-5 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下早強(qiáng)型水泥碎石基層比傳統(tǒng)基層早期抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度分別提高33%和49%，15～-5 ℃變溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下分別提高32%和28%[11]。徐安花研究了高寒地區(qū)水穩(wěn)砂礫的抗凍性能，細(xì)級(jí)配水穩(wěn)砂礫材料較粗級(jí)配表現(xiàn)出更優(yōu)的抗凍性能，且振動(dòng)成型的基層材料抗凍性能更好，抗凍性能因素的影響程度依次為成型方法>水泥劑量>級(jí)配類型[12]。LI等研究了水穩(wěn)鋼渣碎石的干縮和溫縮特性，發(fā)現(xiàn)鋼渣摻入會(huì)減小基層干縮應(yīng)變，且不會(huì)產(chǎn)生較大溫縮應(yīng)變[13]。水穩(wěn)鋼渣基層的性能研究已經(jīng)很多，但大多是針對(duì)常溫環(huán)境條件，針對(duì)干燥寒冷環(huán)境下鋼渣基層強(qiáng)度的形成和收縮性能研究很少，且多數(shù)學(xué)者忽略了鋼渣密度大導(dǎo)致設(shè)計(jì)級(jí)配與目標(biāo)級(jí)配不符的問題。在《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)[14]中指出：水泥穩(wěn)定粗粒土作基層時(shí)，水泥劑量不宜超過6%，且施工日期最低氣溫應(yīng)在5 ℃以上，冰凍地區(qū)應(yīng)在第1次重冰凍(-3 ～-5 ℃)到來之前半個(gè)月到一個(gè)月完成施工。以內(nèi)蒙古地區(qū)為例，氣溫大致可分為4個(gè)區(qū)[15]，即第1區(qū)為西部，第2區(qū)為中部，第3區(qū)為東南部，第4區(qū)為北部，各區(qū)各季節(jié)1951—1995年氣溫變化平均值見表1，從中可以看出內(nèi)蒙各區(qū)年平均溫度在0～6 ℃，而最適合基層施工的春秋季溫度在0～10 ℃。當(dāng)在低溫、降溫及干燥地區(qū)施工時(shí)，基層強(qiáng)度形成困難且易產(chǎn)生裂縫，裂縫反射到路面時(shí)形成反射裂縫，會(huì)嚴(yán)重影響路面使用質(zhì)量和壽命[16]。

表1 內(nèi)蒙古各區(qū)氣溫平均值 ℃

根據(jù)內(nèi)蒙全季氣候條件以及基層最低施工溫度，針對(duì)內(nèi)蒙干旱寒冷地區(qū)鋼渣基層的力學(xué)和收縮特性展開系統(tǒng)研究。采用體積設(shè)計(jì)方法將不同水泥劑量和不同比例的鋼渣與碎石摻配，根據(jù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值對(duì)配比進(jìn)行了優(yōu)選。對(duì)優(yōu)選的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層在低溫和變溫養(yǎng)護(hù)條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度和收縮性能進(jìn)行了研究(圖1)。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥

采用陜西咸陽冀東水泥廠生產(chǎn)的P·C 32.5級(jí)硅酸鹽水泥，密度為3.14 g/cm3(表2)。

表2 水泥技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 集料

集料選用鋼渣和石灰?guī)r碎石2種，其中鋼渣來自內(nèi)蒙古包頭鋼廠的熱悶鋼渣，碎石來自陜西禮泉所產(chǎn)的石灰?guī)r。鋼渣表面多孔粗糙，一定程度上提高了骨料間的嵌擠能力(圖1)。礦物組成和化學(xué)組成如圖2和圖3，從礦物組成來看鋼渣中含有C3S和C2S，這使得其具有一定的水化潛力。另外還含有鐵氧體及難溶的RO相；化學(xué)成分上，CaO,SiO2和Al2O3含量較高，一定程度上有助于體系中鋁硅酸鹽凝膠的形成(表3)。

表3 集料技術(shù)性質(zhì)

圖1 鋼渣及表面微觀構(gòu)造

圖2 鋼渣礦物組成

圖3 鋼渣化學(xué)組成

1.2 試驗(yàn)方案

研究設(shè)水泥劑量為4%，5%和6%，鋼渣摻量為0%，45%，65%和85%(體積比)。將水泥和鋼渣組成的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層試件按照《無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[17]分別進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)并測試7 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)選出水泥劑量和鋼渣摻量。

在優(yōu)選的水泥劑量和鋼渣摻量下，將靜壓成型的φ150 mm×150 mm圓柱體基層試件在3種不同養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)，既標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度為20±2 ℃，濕度為95%)，-5 ℃低溫養(yǎng)護(hù)和15～-5 ℃變溫環(huán)境箱養(yǎng)護(hù)。變溫養(yǎng)護(hù)時(shí)，設(shè)置15，10，5，0和-5 ℃共4個(gè)溫度梯度，環(huán)境箱初始溫度設(shè)為15 ℃，每個(gè)溫度梯度保溫2 h，降溫速率為0.5 ℃/min。低溫養(yǎng)護(hù)時(shí)，濕度難以控制固不嚴(yán)格要求。每種養(yǎng)護(hù)條件下設(shè)試驗(yàn)組(摻鋼渣)與對(duì)照組(不摻鋼渣)，按照《無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行1，3，7和28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及7，14，28和60 d間接抗拉強(qiáng)度測試。

將在20 ℃、5 ℃和0 ℃養(yǎng)護(hù)規(guī)定齡期的(環(huán)境濕度設(shè)置為50%，0 ℃時(shí)濕度不作嚴(yán)格要求)100 mm×100 mm×400 mm中梁基層試件按照《無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行收縮試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將梁式試件兩端固定千分表，在對(duì)應(yīng)齡期下讀取千分表讀數(shù)，以收縮應(yīng)變作為控制指標(biāo)(圖4)。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)[14]中水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配的相關(guān)要求，選用能夠發(fā)揮骨架嵌擠作用的C-B-3型骨架密實(shí)級(jí)配。因鋼渣密度較大，若按質(zhì)量比作為體積比，會(huì)造成合成級(jí)配與目標(biāo)級(jí)配的誤差，固本研究在級(jí)配設(shè)計(jì)中使用體積法設(shè)計(jì)。四檔鋼渣1#鋼渣(0～4.75 mm)，2#鋼渣(0～9.5 mm)，3#鋼渣(5～16 mm)，4#鋼渣(9.5～31.5 mm)和三檔石灰?guī)r1#石灰?guī)r(0～9.5mm)，2#石灰?guī)r(9.5～19 mm)，3#石灰?guī)r(19～31.5 mm)摻配成符合基層級(jí)配要求的混合料。各檔骨料篩分情況見表4，0%,45%,65%及85%(體積法)鋼渣摻量的基層級(jí)配設(shè)計(jì)見表5。

表4 每檔骨料級(jí)配

表5 基層材料骨架密實(shí)型級(jí)配設(shè)計(jì)

采用重型擊實(shí)試驗(yàn)，分3層且每層擊實(shí)98次，3種水泥劑量(4%、5%和6%)和4種鋼渣摻量(0%，45%，65%和85%)組成的基層混合料及實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 鋼渣基層混合料的最佳含水率和最大干密度

2.2 配合比優(yōu)選

基于擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，將不同配比混合料靜壓成型圓柱體試件，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下測試7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(表7)。

由表7可見，水泥摻量增加，鋼渣基層試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有所提高；基層7 d抗壓強(qiáng)度隨鋼渣摻量增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，65%鋼渣摻量的基層試件抗壓強(qiáng)度最高，鋼渣表面孔隙富集，孔隙增多會(huì)吸附水泥阻礙其水化，即使鋼渣自身水化會(huì)提高基層強(qiáng)度，但水泥是混合料增強(qiáng)的主要途徑。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)[18]要求，4%水泥劑量的鋼渣基層只滿足高等級(jí)公路的中、輕交通量需求，與極重、特重交通量所需的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度還相差甚遠(yuǎn)，固本研究選取5%和6%水泥劑量，45%和65%鋼渣摻量的基層配比進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)溫度下力學(xué)和收縮特性的研究。

表7 7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3 干旱寒冷地區(qū)鋼渣基層特性

針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)溫度特點(diǎn)，模擬干旱寒冷氣候下鋼渣基層養(yǎng)護(hù)條件，設(shè)計(jì)了20 ℃(常溫)、-5 ℃(低溫)和15～-5 ℃(變溫)養(yǎng)護(hù)環(huán)境，研究特定養(yǎng)護(hù)條件下鋼渣基層試件的強(qiáng)度特性和收縮特性。

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為軸向施加壓力與試驗(yàn)接觸面積的比值，為各等級(jí)公路設(shè)計(jì)的最重要指標(biāo)[19]。圖4為不同養(yǎng)護(hù)條件下5%和6%水泥劑量的鋼渣基層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，增加水泥劑量或鋼渣摻量均能提高鋼渣基層的抗壓強(qiáng)度，水泥劑量對(duì)增強(qiáng)的提升效果更加明顯；無論何種水泥摻量，不同養(yǎng)護(hù)溫度下鋼渣基層抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，且后期強(qiáng)度提升幅度較大；鋼渣基層抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度的降低而減小，20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下強(qiáng)度最高，-5 ℃下強(qiáng)度最低。當(dāng)水泥劑量為5%且養(yǎng)護(hù)溫度分別為20 ℃、-5 ℃和15～-5 ℃時(shí)，鋼渣基層(65%鋼渣摻量)較普通碎石基層1，3，7和28 d強(qiáng)度分別提高了80%，66.7%，25%和15.2%，75.7%，66.7%，62.5%和35.7%，87.5%，57.9%，25%和24.4%；65%鋼渣摻量較45%鋼渣摻量混合料在20 ℃，-5 ℃和15～-5 ℃養(yǎng)護(hù)下7 d抗壓強(qiáng)度分別提高20%，56.3%和25%。當(dāng)水泥劑量為6%時(shí)，65%鋼渣摻量基層較同鋼渣摻量的5%水泥劑量基層在20℃，-5℃和15～-5 ℃條件下的7 d抗壓強(qiáng)度提高18.2%，18.5%和20%，并且-5 ℃養(yǎng)護(hù)條件下65%鋼渣摻量基層7 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)3.2 MPa。養(yǎng)護(hù)前期，在水泥和鋼渣共同水化的作用下，水化產(chǎn)物迅速填充并與骨料緊密粘結(jié)形成致密結(jié)構(gòu)，鋼渣基層1和3 d抗壓強(qiáng)度提高明顯。養(yǎng)護(hù)中后期，水泥和鋼渣水化趨于完全，基層強(qiáng)度增幅較小。在低溫及變溫養(yǎng)護(hù)時(shí)，鋼渣基層抗壓強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度，說明溫度仍然是影響抗壓強(qiáng)度的主導(dǎo)因素。另外，變溫養(yǎng)護(hù)鋼渣基層抗壓強(qiáng)度增幅最低，這與鋼渣水化產(chǎn)物和次生礦物對(duì)溫度較碎石敏感有關(guān)。鋼渣基層在低溫養(yǎng)護(hù)下強(qiáng)度增幅高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，說明相比于碎石，鋼渣在低溫環(huán)境下對(duì)基層抗壓強(qiáng)度的改善更有效。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)條件下5%和6%水泥劑量鋼渣基層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3.2 間接抗拉強(qiáng)度

間接抗拉強(qiáng)度又稱劈裂強(qiáng)度，可反映材料的內(nèi)部的破壞，即彎拉破壞[20]。圖5為不同養(yǎng)護(hù)條件下5%和6%水泥基層的間接抗拉強(qiáng)度，劈裂強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度各齡期變化規(guī)律類似。同一養(yǎng)護(hù)溫度下，劈裂強(qiáng)度隨水泥劑量或鋼渣摻量的增加而增大，且均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長而增加，養(yǎng)護(hù)前期強(qiáng)度增長速率較快，后期趨于平緩；同溫度、齡期、水泥劑量和鋼渣摻量下，鋼渣基層劈裂強(qiáng)度始終優(yōu)于普通水穩(wěn)碎石基層；劈裂強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度的降低而逐漸減小。5%水泥劑量下，20 ℃，-5 ℃和15～-5 ℃養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)65%鋼渣摻量基層較普通水穩(wěn)基層劈裂強(qiáng)度均值提高20.9%，30.7%和25.7%，而6%水泥劑量分別提高18.7%，29.9%和25.9%，-5 ℃時(shí)鋼渣基層劈裂強(qiáng)度增幅最大，但與其他養(yǎng)護(hù)溫度下的強(qiáng)度值相比還低很多。另外，5%水泥劑量下，20 ℃，-5 ℃和15～-5 ℃養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)65%鋼渣摻量基層劈裂強(qiáng)度較45%鋼渣摻量基層分別提高8.5%，11.8%和10.7%，6%水泥劑量下則為7.7%，10.1%和8.6%。低溫和變溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下尤其是-5 ℃時(shí)，劈裂強(qiáng)度隨鋼渣中鐵鋁酸四鈣(C4AF)含量的增加而明顯增大，而變溫下鋼渣中溫度敏感礦物會(huì)阻礙其水化進(jìn)程。以上說明，鋼渣確實(shí)可以提高基層低溫下的劈裂強(qiáng)度，同時(shí)，鋼渣水硬性在養(yǎng)護(hù)14～28 d時(shí)才被激發(fā)使基層劈裂強(qiáng)度增加迅速。

圖5 不同養(yǎng)護(hù)條件下5%和6%水泥劑量鋼渣基層間接抗拉強(qiáng)度

3.3 收縮性能

圖6為不同養(yǎng)護(hù)條件鋼渣基層收縮應(yīng)變與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系。鋼渣基層收縮應(yīng)變隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加呈上升趨勢，開始增速較快，后期趨于平緩；5%水泥劑量的鋼渣基層試件收縮應(yīng)變總體上小于6%水泥劑量的鋼渣基層試件；同養(yǎng)護(hù)條件和水泥劑量，鋼渣基層的收縮應(yīng)變隨養(yǎng)護(hù)溫度的降低而增加，并且鋼渣基層抗收縮性的能力隨溫度降低而逐漸減弱。以65%鋼渣摻量為例，6%水泥劑量的鋼渣基層在20，5和0 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下的收縮應(yīng)變較5%水泥劑量鋼渣基層相比，分別提高22%，21.4%，22.7%，而較普通水穩(wěn)碎石基層分別減小63.6%，38.7%和24.5%。當(dāng)水泥劑量為5%時(shí)，65%鋼渣摻量基層在20，5和0 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下的收縮應(yīng)變較水穩(wěn)普通碎石基層減小77.1%，46.8%和29.9%，較45%鋼渣摻量基層減小50.5%，27.7%和14.3%。水泥越多其水化需水量越大，劇烈的水反應(yīng)過程會(huì)引起以毛細(xì)管收縮為主的體積收縮，而鋼渣中所含有的f～CaO和f～MgO遇水生成Ca(OH)2和Mg(OH)2致使體積膨脹，在一定程度上限制了基層的收縮。另外，水泥水化產(chǎn)物與鋼渣粗糙表面的結(jié)合效果優(yōu)于碎石，其次鋼渣集料微弱水化所形成的產(chǎn)物也會(huì)與水泥水化產(chǎn)物交織在一起，這有利于抗收縮。隨著養(yǎng)護(hù)溫度的降低，鋼渣改善基層抗收縮的能力減弱，鋼渣改善基層抗收縮的能力減弱，這與低溫環(huán)境濕度不足以及混合料缺乏為鋼渣膨脹所提供的自由水有關(guān)。溫度和濕度降低，混合料水化速率減緩且層間水開始蒸發(fā)，晶格間距變小，導(dǎo)致其宏觀體積收縮。綜上可知，增大水泥劑量更容易導(dǎo)致基層收縮開裂，基層中摻入鋼渣可以改善基層的抗收縮性能，尤其是在20和5 ℃養(yǎng)護(hù)溫度更為明顯。

圖6 不同養(yǎng)護(hù)條件下5%和6%水泥劑量鋼渣基層收縮應(yīng)變

4 結(jié) 論

1)鋼渣對(duì)基層整體強(qiáng)度尤其是早期強(qiáng)度有所改善。在-5 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，鋼渣基層強(qiáng)度提升幅度最大，且6%水泥劑量與65%鋼渣摻量組成的基層材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)3.2 MPa，即使是按規(guī)范中最低施工溫度養(yǎng)護(hù)，強(qiáng)度仍滿足要求。

2)鋼渣水化及C4AF礦物對(duì)基層劈裂強(qiáng)度提升作用明顯。由于鋼渣水化產(chǎn)物和次生礦物對(duì)溫度較為敏感，所以相比較于其他養(yǎng)護(hù)條件，變溫養(yǎng)護(hù)條件下鋼渣基層劈裂強(qiáng)度較普通水穩(wěn)碎石基層提高幅度較小。

3)基層中摻入鋼渣可減小因其收縮而引起的開裂問題。鋼渣遇水產(chǎn)生的微膨脹一定程度上可改善基層的抗收縮性能，在20和5 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下最為明顯。

4)通過對(duì)不同養(yǎng)護(hù)溫度下水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層特性分析，建議水泥劑量5%，鋼渣摻量65%。為進(jìn)一步研究基層特性，建議增加相關(guān)鋼渣基層膨脹特性研究。可結(jié)合SEM和XRD等微觀測試手段，揭示鋼渣水化對(duì)基層特性影響的作用機(jī)理。