摻鋼渣集料的水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)及應(yīng)用

黃國(guó)寧，陳開(kāi)鎮(zhèn)

(廣西桂商實(shí)業(yè)投資有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

鋼渣作為一種工業(yè)廢料，是一種在煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，其產(chǎn)量約為粗鋼產(chǎn)量的12%～20%[1-3]，非金屬固態(tài)是鋼渣的表現(xiàn)形態(tài)。我國(guó)由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，需鋼量越來(lái)越大，導(dǎo)致鋼渣產(chǎn)量逐年增加，很多煉鋼廠旁鋼渣堆積成山，占用大量土地，而且還會(huì)帶來(lái)一定的環(huán)境污染問(wèn)題[4]，因此，如何將這種工業(yè)廢料合理地再生利用已成為諸多學(xué)者研究的重點(diǎn)課題。

不同鋼廠生產(chǎn)的鋼渣成分存在一定的差異，所以不同鋼廠出廠的鋼渣的主要用途也應(yīng)有所區(qū)別[5]。鋼渣在綜合利用之前應(yīng)先做預(yù)處理，不同的用途方式對(duì)鋼渣的預(yù)處理方式不同。目前鋼渣除了作為冶金行業(yè)的回用外，還主要用于水泥原料、筑路材料、市政工程材料、肥料和土壤調(diào)節(jié)劑等領(lǐng)域[6-9]，且鋼渣用作筑路材料是其規(guī)?；玫闹饕緩健＝陙?lái)，鋼渣作為筑路材料的研究主要側(cè)重于將預(yù)處理后的鋼渣用于路面基層及面層的筑路材料。黃偉等[10]基于土體固化技術(shù)研究了鋼渣與土體混合的道路基層材料的路用性能及膨脹特性，得出了鋼渣混凝土混合的最佳配合比；吳旻等[11]在基于微觀試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了鋼渣礦渣復(fù)合基層材料不同齡期下的強(qiáng)度特性，并得出考慮強(qiáng)度指標(biāo)條件下的基層最佳配比；冀欣等[12]研究了摻加鋼渣的半剛性基層材料的路用特性，分析了摻入鋼渣后對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料路用性能的影響，得出鋼渣在合理?yè)搅肯驴梢愿纳苹鶎恿W(xué)性能和抗沖刷性；辛德軍等[13]在寒旱地區(qū)氣候條件下研究了摻鋼渣的水泥穩(wěn)定碎石基層路用性能，結(jié)果表明，在合理配合比條件下，摻入鋼渣后可以改善低溫及變溫環(huán)境下的基層力學(xué)和收縮性能。由此可見(jiàn)，鋼渣是一種良好的道路路面材料，在道路路面材料中摻入一定的鋼渣可以提升路面工程質(zhì)量，從而在一定程度上延長(zhǎng)道路的使用壽命。

本文考慮將鋼渣替代傳統(tǒng)的粗細(xì)集料，用于水泥穩(wěn)定碎石基層中，并基于鋼渣集料特性研究了摻鋼渣集料后的水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)方法，為鋼渣在公路基層中的應(yīng)用提供科學(xué)參考。

1 鋼渣集料特性

1.1 鋼渣集料化學(xué)特性

本試驗(yàn)鋼渣材料來(lái)源于防城港市某鋼廠，以轉(zhuǎn)爐渣為主，取其露天存放5個(gè)月的轉(zhuǎn)爐鋼渣。采用X熒光光譜試驗(yàn)分析該鋼渣的化學(xué)成分如下頁(yè)圖1所示。該鋼渣主要含有CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Mn、Al2O3、P2O5等元素成分，是一種多成分的材料。

由圖1可知，鋼渣包含酸性氧化物和堿性氧化物，其中SiO2、P2O5、Al2O3和Fe2O3為酸性氧化物，CaO、MnO和MgO為堿性氧化物。鋼渣的酸堿性以堿度值R來(lái)表示，堿度值R按式(1)計(jì)算[14]。計(jì)算得出該鋼渣的堿度值R>1，所以，該廠陳化5個(gè)月后的轉(zhuǎn)爐鋼渣為堿性鋼渣，具有一定的活性。

R=w[(CaO)+(MgO)+(MnO)+(FeO)]/w[(SiO2)+(P2O5)+(Al2O3)+(Fe2O3)]

(1)

圖1 鋼渣元素成分含量柱狀圖

1.2 鋼渣粗細(xì)集料物理力學(xué)特性

物理力學(xué)性能是材料的重要屬性。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)[15]，取防城港某鋼廠陳化5個(gè)月的轉(zhuǎn)爐鋼渣粗細(xì)集料進(jìn)行物理力學(xué)特性試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。鋼渣粗細(xì)集料的材質(zhì)較硬，壓碎值較低，表觀密度較大，是普通碎石的1.2～1.4倍，松散堆積密度也較大，吸水率較大，易吸水，總體而言，該鋼渣粗細(xì)集料是一種良好的建筑材料。由于鋼渣與普通石料具有高度相似的物理力學(xué)性能，可以使鋼渣在道路工程應(yīng)用中保證工程質(zhì)量，因此在道路工程中的應(yīng)用潛力很大。

表1 鋼渣粗細(xì)集料相關(guān)指標(biāo)表

1.3 鋼渣膨脹特性

鋼渣有待解決的一大問(wèn)題是其自身存在較大的膨脹潛力。根據(jù)有關(guān)研究表明：在轉(zhuǎn)爐(BOF)中f-CaO(游離氧化鈣)的含量約為1%～10%，在電爐(EAF)中f-CaO的含量約為0%～4%。f-CaO和f-MgO(游離氧化鎂)遇水生成的水合物為氫氧化物形式的固體時(shí)體積增加明顯，生成氫氧化鈣后體積增加量為91.7%，生成氫氧化鎂后體積增加量為119.6%[16]。本試驗(yàn)采用《鋼渣穩(wěn)定性檢測(cè)方法》(GB/T 24175-2009)[17]測(cè)試鋼渣的膨脹性，通過(guò)重型擊實(shí)試驗(yàn)將鋼渣擊實(shí)成型，鋪濾紙，將試模與多孔底座一同倒置，壓上8塊共5 kg重的半圓形荷載板，架設(shè)好百分表，每組擊實(shí)成型3個(gè)試件，試模完全浸入恒溫水浴箱中浸水10 d，其膨脹率取平均值作為最終測(cè)試結(jié)果。

鋼渣膨脹率按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：δ——鋼渣膨脹率；

d0——百分表的初讀數(shù)(0.01 mm)；

d10——最終讀數(shù)(0.01 mm)。

鋼渣浸水膨脹率隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。由圖2可知，鋼渣的膨脹率隨著時(shí)間增長(zhǎng)基本呈勻速增大趨勢(shì)，10 d后的浸水膨脹率為1.98%，<2%，滿足《鋼渣混合料路面基層施工技術(shù)規(guī)程》(YB/T 4184-2009)的技術(shù)要求[18]。

圖2 鋼渣膨脹率隨時(shí)間變化曲線圖

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

(1)全集料水泥穩(wěn)定鋼渣基層級(jí)配設(shè)計(jì)

當(dāng)水泥穩(wěn)定基層混合料粗細(xì)集料全部采用鋼渣時(shí)，各檔集料的質(zhì)量比與體積比相同，各檔集料比例無(wú)須修正。

P′i=Pi

(3)

式中：Pi——各檔集料的質(zhì)量百分比(%)；

P′i——各檔集料的體積百分比(%)。

(2)兩種以上集料水泥穩(wěn)定鋼渣-碎石基層級(jí)配設(shè)計(jì)

當(dāng)組成水泥穩(wěn)定基層混合料的粗細(xì)集料中除了鋼渣外還有其他材料時(shí)，則視各檔集料為同一密度，按質(zhì)量配合比設(shè)計(jì)合成級(jí)配，得出的各檔集料的質(zhì)量即為體積比。由于鋼渣材料密度與其他集料密度存在差異，需對(duì)上述設(shè)計(jì)的比例進(jìn)行修正，得到經(jīng)密度修正后的質(zhì)量比，修正公式如式(4)和式(5)所示。

(4)

P′i=ηi×Pi

(5)

式中：ηi——各檔集料的修正系數(shù)；

ρi——各檔集料的表觀密度(g/cm3)。

2.2 水泥摻量設(shè)計(jì)

水泥穩(wěn)定鋼渣基層合成級(jí)配確定后，根據(jù)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)選定水泥摻量，其確定流程如圖3所示。先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按一定的間隔初選4～5個(gè)水泥摻量進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到不同水泥摻量條件下的最佳含水量和最大干密度，在不同水泥摻量及其最佳含水量條件下進(jìn)一步制作無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣，養(yǎng)護(hù)7 d后(最后一天浸水)測(cè)試其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，繪制水泥穩(wěn)定鋼渣基層混合料7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量關(guān)系曲線，選定的水泥摻量所對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度需大于設(shè)計(jì)要求。

圖3 水泥摻量設(shè)計(jì)流程圖

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

廣西濱海公路企沙至茅嶺段位于防城港市東部，是一條緩解企沙工業(yè)區(qū)及疏港壓力的應(yīng)急通道。該公路包括主線和東島聯(lián)線，主線設(shè)計(jì)總長(zhǎng)約為26.199 km，東島聯(lián)線設(shè)計(jì)總長(zhǎng)為7.11 km，路基設(shè)計(jì)寬度為33.5 m，設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h。

試驗(yàn)路選擇在中間村互通B匝道，該匝道長(zhǎng)250 m，路面寬7.5 m，從上至下路面結(jié)構(gòu)為4 cm RAC-13C橡膠瀝青混凝土上面層、改性乳化瀝青粘層、6 cm RAC-20橡膠瀝青混凝土下面層、改性乳化瀝青粘層+透層、18 cm C10貧混凝土基層、復(fù)合式道路專(zhuān)用塑料膜、40 cm厚水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層、20 cm級(jí)配碎石墊層，總厚度為88 cm。

3.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)段采用密實(shí)懸浮基層結(jié)構(gòu)，采用10～20 mm、5～10 mm石灰?guī)r碎石及0～5 mm鋼渣砂及石灰?guī)r機(jī)制砂，對(duì)原材料進(jìn)行篩分后，根據(jù)密實(shí)懸浮基層結(jié)構(gòu)的級(jí)配范圍，基層混合料采用10～20 mm∶5～10 mm∶0～5 mm三檔集料分別按體積比0.48∶0.12∶0.4混合，其中0～5 mm細(xì)集料分別摻入50%粒徑為0～5 mm的鋼渣砂及機(jī)制砂集料。各檔集料篩分?jǐn)?shù)據(jù)及合成級(jí)配如圖4所示。

圖4 原材料篩分曲線及合成級(jí)配曲線圖

3.3 水泥摻量設(shè)計(jì)

初步擬定水泥摻量為3%、4%、5%、6%四個(gè)梯度，根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)[19]，配制不同水泥摻量下的水泥穩(wěn)定碎石混合料，采用乙法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，分別得到3%、4%、5%、6%水泥摻量和50%鋼渣細(xì)集料摻量下的最佳含水量和最大干密度，如表2所示。

表2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果表

廣西濱海公路企沙至茅嶺段屬于一級(jí)公路，重交通情況，抗壓強(qiáng)度應(yīng)>4 MPa。根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)，每一水泥摻量下做9組無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。變異系數(shù)取10%，一級(jí)公路保證率為95%，保證率系數(shù)Zα=1.645。根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)[20]，計(jì)算得到水泥穩(wěn)定鋼渣基層配置強(qiáng)度：

表3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及變異系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表

圖5 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量 關(guān)系曲線圖

根據(jù)圖5所示，R配=4.8 MPa所對(duì)應(yīng)的水泥摻量為4.58%，所以本工程水泥摻量選定為4.6%。根據(jù)表2數(shù)據(jù)插值計(jì)算得到該水泥穩(wěn)定鋼渣碎石的最大干密度為2.41 g/cm3，最佳含水量為5.78%。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)化學(xué)分析表明，防城港地區(qū)轉(zhuǎn)爐鋼渣集料主要含有CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Mn、Al2O3、P2O5等元素成分，呈堿性，是一種多元素成分的材料。

(2)物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究表明，防城港某鋼廠陳化5個(gè)月的轉(zhuǎn)爐鋼渣粗細(xì)集料的材料較硬，壓碎值較低，表觀密度較大，易吸水，并具有微膨脹性，物理力學(xué)性質(zhì)基本滿足道路基層技術(shù)要求，是一種良好的建筑材料。

(3)水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層配合比設(shè)計(jì)可分為鋼渣全集料及兩類(lèi)以上材質(zhì)集料兩種情況討論。當(dāng)基層混合料考慮兩類(lèi)以上材質(zhì)集料時(shí)，配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮密度修正，完成級(jí)配設(shè)計(jì)后通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)完成水泥摻量設(shè)計(jì)，從而得到摻鋼渣集料的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層各組分比例。

(4)以廣西濱海公路企沙至茅嶺段B匝道為試驗(yàn)段，根據(jù)工程概況及配合比設(shè)計(jì)方法，基層混合料采用10～20 mm∶5～10 mm∶0～5 mm三檔集料，分別按體積比0.48∶0.12∶0.4混合，其中0～5 mm細(xì)集料分別摻入50%粒徑為0～5 mm的鋼渣砂及機(jī)制砂集料，最終選定的水泥摻量為4.6%。