高比例鋼渣摻量水泥穩(wěn)定碎石混合料性能評價(jià)與應(yīng)用

馮軍強(qiáng)

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 西安 710000)

0 引 言

將鋼渣應(yīng)用于公路建設(shè)中，可以減輕石料供應(yīng)壓力、降低公路建設(shè)成本[1-2]．鋼渣替代集料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層，參與水泥水化反應(yīng)，產(chǎn)生類似“板體效應(yīng)”，其表面豐富的多孔結(jié)構(gòu)，能使水泥砂漿在鋼渣表面形成一定的錨固和嵌擠深度，有助于提升水泥穩(wěn)定碎石的綜合路用性能[3-5]．但由于鋼渣中含有一定的游離氧化鈣、游離氧化鎂等，預(yù)處理及陳化處理不徹底，將導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石具有一定的體積膨脹性，導(dǎo)致路面深層次損害[6-7]．也有研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣的吸水率大，這導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石基層的干縮變形量較大，但由于鋼渣具有一定膨脹性，因此可以彌補(bǔ)水泥穩(wěn)定碎石干燥收縮的負(fù)面影響[8]．

目前國內(nèi)已有眾多關(guān)于鋼渣瀝青混凝推廣應(yīng)用方面研究，而針對鋼渣水泥穩(wěn)定碎石基層的研究相對較少．由于鋼渣的物理力學(xué)性能明顯有別于天然砂石材料，且具有較大的吸水率和一定的體積膨脹性，鋼渣水泥穩(wěn)定級配碎石在推廣應(yīng)用中也存在溫縮、干縮性能、抗疲勞耐久性能等問題，以及是否滿足瀝青路面基層力學(xué)性能、抗水損害性能和耐久性等．基于此，文中將不同比例(25%～100%)鋼渣摻入到水泥穩(wěn)定級配碎石中，以鋼渣等質(zhì)量替代碎石，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)化最佳鋼渣摻量，基于試驗(yàn)段鋪筑和跟蹤調(diào)查，驗(yàn)證了鋼渣應(yīng)用于水泥穩(wěn)定級配碎石基層的可行性．

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1) 鋼渣 鋼渣來源于內(nèi)蒙古包鋼的轉(zhuǎn)爐鋼渣(以下簡稱鋼渣)，外觀為顆粒狀黑褐色，主要成分為氧化鈣(42.9%)、二氧化硅(16.3%)、三氧化二鋁(11.4%)、氧化鎂(5.6%)、三氧化二鐵(15.6%)、五氧化二磷(4.1%)．按照文獻(xiàn)[9-10]的要求，技術(shù)指標(biāo)見表1．

表1 鋼渣物理、力學(xué)性能與技術(shù)指標(biāo)

2) 集料 采用花崗巖礫石加工而成的級配碎石，主要技術(shù)指標(biāo)見表2．

表2 集料主要技術(shù)指標(biāo)

3) 水泥 PO42.5硅酸鹽水泥，主要技術(shù)指標(biāo)見表3．

表3 PO42.5水泥主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 鋼渣摻量與礦料級配

不同鋼渣摻量水泥穩(wěn)定級配碎石試驗(yàn)級配見表4．

表4 水泥穩(wěn)定級配碎石級配范圍

1.3 試件制備

試驗(yàn)初選的水泥劑量為5.0%，不同鋼渣摻量下水泥穩(wěn)定級配碎石的最佳含水率與干密度試驗(yàn)結(jié)果見表5．

表5 最佳含水率與最大干密度試驗(yàn)結(jié)果

2 鋼渣水泥穩(wěn)定級配碎石混合料力學(xué)性能

2.1 無側(cè)抗壓強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)

不同鋼渣摻量的水泥穩(wěn)定級配碎石在不同養(yǎng)生齡期內(nèi)(3～90 d)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖1．

圖1 不同養(yǎng)生齡期內(nèi)無側(cè)限抗壓與彎拉強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

由圖1可知：

1) 摻加25%～100%鋼渣后，鋼渣水泥穩(wěn)定級配碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度均隨養(yǎng)生齡期的延長而持續(xù)增大，受水泥水化進(jìn)程的影響?zhàn)B生28d內(nèi)強(qiáng)度增長迅速．

2) 相同養(yǎng)生齡期內(nèi)，25%～100%鋼渣水泥穩(wěn)定級配碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度均大于普通水泥穩(wěn)定級配碎石，并且隨著鋼渣摻量的增大，鋼渣水泥穩(wěn)定級配碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢，在鋼渣摻量為50%時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值．

3) 25%～100%鋼渣水泥穩(wěn)定級配碎石的7 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到了5.12～6.15 MPa，滿足JTG/T F20—2015重載交通7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值大于4.0 MPa要求，90 d齡期彎拉強(qiáng)度達(dá)到了1.866～1.921 MPa，滿足JTG D50—2017彎拉強(qiáng)度1.5～2.0 MPa取值范圍，從抗壓強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度角度，將鋼渣摻入水泥穩(wěn)定級配碎石來等質(zhì)量替代集料是可行的，并且最佳的鋼渣摻量為50%．

2.2 單軸壓縮動態(tài)模量

動態(tài)壓縮模量試驗(yàn)結(jié)果見圖2．

圖2 不同鋼渣摻量水泥穩(wěn)定級配碎石動態(tài)壓縮模量

由圖2可知:摻加25%～100%鋼渣后，鋼渣水泥穩(wěn)定級配碎石的動態(tài)壓縮模量比普通水泥穩(wěn)定碎石提高了8.7%～34.4%．

3 混合料路用性能

3.1 干縮試驗(yàn)

測試不同齡期內(nèi)鋼渣水泥穩(wěn)定碎石的發(fā)干縮系數(shù)，結(jié)果見圖3．

圖3 鋼渣水泥穩(wěn)定碎石干縮試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知:鋼渣水泥穩(wěn)定級配碎石的干縮系數(shù)隨鋼渣摻量增大呈冪指函數(shù)關(guān)系增大．鋼渣表面多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致水泥穩(wěn)定級配碎石的最佳含水率增大，在養(yǎng)生期間失水率越多，導(dǎo)致干縮變形量越大．總體上，鋼渣水泥穩(wěn)定碎石在養(yǎng)生150 d后的干縮變形量不超過80×10-6，因摻加鋼渣導(dǎo)致的干縮應(yīng)變增大問題，工程實(shí)踐中可通過延長養(yǎng)生齡期予以消除．

3.2 溫縮試驗(yàn)

不同鋼渣摻量下水泥穩(wěn)定碎石在-20～60 ℃溫度區(qū)間內(nèi)的溫縮試驗(yàn)結(jié)果見圖4．

圖4 不同養(yǎng)生齡期鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知:在相同溫度區(qū)間內(nèi)，隨著鋼渣摻量的增大，水泥穩(wěn)定級配碎石的溫縮系數(shù)逐漸增大，平均溫縮系數(shù)隨鋼渣摻量增大呈良好的冪指函數(shù)關(guān)系增大，鋼渣100%替代碎石后，相較于普通水泥穩(wěn)定碎石，100%鋼渣水泥穩(wěn)定碎石在-25～-10、-10～0、0～15、15～30、30～40、45～60 ℃溫度區(qū)間內(nèi)的溫縮系數(shù)分別減小了72.9%、93.8%、105.9%、88.7%、99%、100.8%，可見摻加鋼渣加劇了水泥穩(wěn)定級配碎石的溫縮變形．根據(jù)鋼渣水泥穩(wěn)定碎石的溫縮變形試驗(yàn)結(jié)果，控制鋼渣摻量為50%較為適宜．

3.3 劈裂破壞應(yīng)變試驗(yàn)

測試不同鋼渣摻量下水泥穩(wěn)定碎石混合料的劈裂強(qiáng)度，利用貼在劈裂試件側(cè)面的引伸計(jì)測試劈裂試件在加載過程中的應(yīng)變，計(jì)算輸出劈裂強(qiáng)度與劈裂破壞應(yīng)變，結(jié)果見圖5．

圖5 不同鋼渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度與最大劈裂應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知：隨著鋼渣摻量的增大，鋼渣水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度、劈裂破壞應(yīng)變均呈先增大后減小趨勢，在鋼渣摻量為50%時二者均達(dá)到最大值，鋼渣對水泥穩(wěn)定級配碎石劈裂強(qiáng)度的影響主要是鋼渣參與水化反應(yīng)，在增加膠凝材料數(shù)量和提高嵌擠強(qiáng)度的同時，也因鋼渣帶來的體積膨脹導(dǎo)致密實(shí)度降低、界面黏附不良，導(dǎo)致劈裂強(qiáng)度不增反減，因此適宜的鋼渣摻量為50%．

3.4 鋼渣水泥穩(wěn)定級配碎石混合料疲勞性能

彎曲疲勞試驗(yàn)采用四組應(yīng)力強(qiáng)度比(加載彎拉強(qiáng)度與破壞彎拉強(qiáng)度之比=0.70～0.85)，試驗(yàn)施加10 Hz的連續(xù)Havesine波，疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表6．

由表6可知：0.7～0.85應(yīng)力強(qiáng)度比條件下，隨著鋼渣摻量的增大，鋼渣水泥穩(wěn)定碎石的疲勞壽命先增大后減小，在鋼渣摻量為50%時，各應(yīng)力強(qiáng)度比(σ/R)下的疲勞壽命均達(dá)到最大值．

表6 鋼渣水泥穩(wěn)定級配碎石混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

將不同應(yīng)力強(qiáng)度比(R/S)下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖6．

圖6 鋼渣水泥穩(wěn)定碎石疲勞曲線與擬合方程

由圖6可知：水泥穩(wěn)定碎石疲勞壽命對數(shù)與應(yīng)力強(qiáng)度比(R/S)極為敏感，二者之間呈良好的負(fù)線性相關(guān)性，擬合優(yōu)化度R2大于0.98．隨著鋼渣摻量的增大，疲勞方程截距呈先增大后減小趨勢，疲勞方程斜率絕對值呈先減小后增大趨勢，在鋼渣摻量為50%時，疲勞方程的截距最大，同時疲勞方程斜率絕對值最小，表明在50%鋼渣摻量下，鋼渣水泥穩(wěn)定碎石的抗疲勞性能最優(yōu)，同時疲勞壽命對應(yīng)力水平的敏感性最低．

4 實(shí)體工程應(yīng)用

將50%鋼渣水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)用于內(nèi)蒙古G65包茂高速公路改建工程，以50%鋼渣等質(zhì)量替換碎石，鋼渣水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)用于高速公路基層，設(shè)計(jì)水泥劑量為5%，試驗(yàn)段鋪筑長度為500 m，鋪筑厚度20 cm．

經(jīng)現(xiàn)場檢測，試驗(yàn)段芯樣壓實(shí)度為98.7%～99.4%，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值10.15 MPa，14 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度12.76 MPa，落錘式彎沉儀實(shí)測彎沉代表值23.4(0.01 mm)，鋼渣水泥穩(wěn)定碎石基層試驗(yàn)段各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求．目前鋼渣水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面已經(jīng)服役了2年，跟蹤檢測結(jié)果表明，試驗(yàn)段僅有半剛性基層反射裂縫病害，試驗(yàn)段內(nèi)的反射裂縫間距與相鄰路段普通水泥穩(wěn)定碎石基層無異，試驗(yàn)段達(dá)到了預(yù)定使用效果．

5 結(jié) 論

1) 鋼渣作為集料，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，鋼渣表面豐富的多孔結(jié)構(gòu)，既有利于增大了水泥砂漿與鋼渣的浸潤接觸面，又使得水泥砂漿在鋼渣表面形成一定的錨固和嵌擠深度，從而增強(qiáng)了水泥穩(wěn)定碎石的界面黏附強(qiáng)度與骨架嵌擠力．

2) 用鋼渣替代部分粗集料可顯著提升水泥穩(wěn)定級配碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度與抗疲勞耐久性能，但過多鋼渣摻量導(dǎo)致水泥穩(wěn)定級配碎石溫縮、干縮變形增大，建議控制鋼渣摻量為50%為宜．

3) 鋼渣水泥穩(wěn)定碎石基層試驗(yàn)段芯樣壓實(shí)度為98.7%～99.4%，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值10.15 MPa，14 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度12.76 MPa，落錘式彎沉儀實(shí)測彎沉代表值23.4(0.01 mm)，鋼渣水泥穩(wěn)定碎石基層試驗(yàn)段各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，將50%鋼渣水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)用于高速公路基層是可行的．