水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣碎石基層水穩(wěn)定性研究

徐東輝，閆升

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏交通建設(shè)股份有限公司，寧夏 銀川 750004；3.寧夏道路養(yǎng)護工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750004）

0 引言

鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，具有優(yōu)良的物理力學(xué)性能和潛在的水硬性，可以代替部分碎石用于道路基層中，能夠使基層的強度和變形能力得到提高。在季凍性地區(qū)，道路基層受到凍融循環(huán)的作用，容易形成低溫裂縫，促進水分的流入，從而破壞路面的整體穩(wěn)定性。

既有研究普遍認為凍融循環(huán)將造成混凝土內(nèi)部發(fā)生變化。李金玉等[1]指出，在凍融循環(huán)作用下，混凝土?xí)饾u被剝蝕破壞；商懷帥等[2]基于疲勞累積損傷理論，對混凝土的凍融損傷特性進行了可靠性分析；李家正等[3]研究了凍融循環(huán)過程中混凝土性能的劣化特征和混凝土抗折強度、劈裂抗拉強度的變化；趙玉國[4]研究發(fā)現(xiàn)，隨著半剛性基層材料凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加，其吸水率呈增大的趨勢，說明在凍融循環(huán)過程中基層材料內(nèi)部孔隙逐步增加；張春青[5]認為，在凍融循環(huán)作用下，增加水泥用量和提高壓實度可以增強基層材料的抗沖刷性能。

目前國內(nèi)外學(xué)者對于半剛性基層的水穩(wěn)定性研究成果較為豐富，提出了凍融循環(huán)的破壞理論，對于基層混合料的水穩(wěn)定性研究主要集中在抗沖刷性能方面。本文基于無機結(jié)合料的凍融破壞理論，結(jié)合基層的抗沖刷性能，對水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣碎石基層的水穩(wěn)定性進行研究，首先對基層試件進行凍融循環(huán)試驗，然后將試件浸泡不同時間，測量不同浸泡時間下試件的無側(cè)限抗壓強度的變化情況。

1 原材料性能

1.1 鋼渣

試驗所用鋼渣取自寧夏某鋼鐵公司，鋼渣顆粒較為松散，邊角較為圓鈍，顆粒表面布滿了大大小小的孔隙，數(shù)量較多，導(dǎo)致鋼渣的吸水率較大，較多的孔隙又能使其與其他集料更緊密地結(jié)合，有利于提高混合料的強度。鋼渣的化學(xué)成分如表1所示。

表1 鋼渣的化學(xué)成分

從表1可以看出，鋼渣的化學(xué)成分主要有CaO,Fe2O3,SiO2,MnO,MgO,Al2O3,P2O5,TiO2等。試驗所用鋼渣為熱悶法處理的陳化鋼渣。表2所示為鋼渣的集料性質(zhì)。

表2 鋼渣的集料性質(zhì)

由表2可知，鋼渣的集料性質(zhì)滿足規(guī)范要求，同時陳化鋼渣粒徑分布相對均勻，級配較好，能夠代替部分碎石應(yīng)用于道路基層中。

1.2 粉煤灰

試驗所用粉煤灰取自寧夏某電廠，其化學(xué)成分如表3所示。

表3 粉煤灰的化學(xué)成分

從表3可知，粉煤灰中SiO2含量占一半左右，可以作為硅質(zhì)改性劑，抑制鋼渣的體積膨脹。試驗所用粉煤灰分為一級灰和原灰，主要以0.045mm篩余量來區(qū)分，一級灰的篩余量為9.08%，原灰為56.99%，符合規(guī)范對于粉煤灰篩余量的要求。一級灰活性較原灰更大，因為粉煤灰顆粒較細時其活性相對較大，同時粉煤灰和鋼渣的火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)更為明顯。粉煤灰的技術(shù)指標如表4所示。

表4 粉煤灰的技術(shù)指標

表4 （續(xù)）

由表4可知，一級灰的細度符合技術(shù)要求。粉煤灰越細，其自身含有的活性物質(zhì)越多，有助于提高基層混合料的強度。原灰0.045mm篩余量大于45%，說明原灰的顆粒更大，不利于提高基層混合料的強度。

1.3 水泥

本試驗所用水泥均為賽馬牌P·F 32.5粉煤灰水泥，密度為3.15g/cm3，技術(shù)指標如表5所示。

表5 水泥的技術(shù)指標

由表5可知，水泥的各項技術(shù)指標均符合規(guī)范要求，可以進行室內(nèi)試驗。

1.4 碎石

試驗所用碎石來自某礦業(yè)公司，碎石顆粒尺寸分為3檔，分別為：5～10mm,10～20mm,20～30mm。各檔碎石均由石灰?guī)r破碎篩分得到，篩分結(jié)果如表6所示?？梢钥闯觯Y分結(jié)果滿足規(guī)范要求。

表6 碎石篩分試驗結(jié)果

碎石性能檢測結(jié)果如表7所示。

表7 碎石的性能指標

由表7可知，碎石所有指標均滿足《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG/T F20—2015）要求，可以進行室內(nèi)試驗。

2 試驗結(jié)果

采用多功能路面材料強度試驗機測定無側(cè)限抗壓強度，測試時將試件放置在試驗機底座上，保持1mm/min的加載速度對試件進行加壓，記錄試件被壓壞時的最大壓力P。

試件的無側(cè)限抗壓強度按式（1）計算：

式（1）中：Rc為無側(cè)限抗壓強度（MPa）；P為試件破壞時的最大壓力（N）；A為試件的截面積（mm2）。

試驗采用大試件，可以出現(xiàn)2～3個異常值，同一組試件的變異系數(shù)Cv≤15%。不能滿足要求的，則增加試件數(shù)量，重新計算變異系數(shù)，直至滿足要求。

最終的試驗結(jié)果以試件的抗壓強度代表值為準，即滿足95%保證率的值?？箟簭姸却碇蛋词剑?）計算：

式（2）中：Rr為抗壓強度代表值（MPa）；為抗壓強度平均值（MPa）；S為抗壓強度標準差（MPa）。

2.1 抗凍性

抗凍性已成為檢驗?zāi)途眯缘闹匾笜恕鋈谘h(huán)是凍脹力作用下孔隙擴展、貫通引起基層混合料內(nèi)部損傷，并造成試件質(zhì)量損失的過程。經(jīng)過凍融循環(huán)作用，試件的無側(cè)限抗壓強度會有一定的損失，通過表征這種損失來說明凍融循環(huán)作用對于摻入鋼渣和粉煤灰的基層混合料試件無側(cè)限抗壓強度的影響。

本文采用規(guī)定養(yǎng)護齡期為28d的基層混合料試件，以經(jīng)過5次凍融循環(huán)后的飽水無側(cè)限抗壓強度與凍融循環(huán)前飽水無側(cè)限抗壓強度之比來評價水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣碎石基層混合料的抗凍性能，并以凍融組試件的無側(cè)限抗壓強度和對照組無側(cè)限抗壓強度的比值作為凍融系數(shù)。

根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009），對試件進行抗凍性評價。將試件在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28d，最后一天浸水，在-18℃的冷凍箱中放置16h，然后放入20℃的水中浸泡8h，循環(huán)5次后測量試件的抗壓強度。

經(jīng)過凍融循環(huán)的試件與對照組試件的無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果如表8和圖1所示。

表8 試件的無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果（凍融循環(huán)作用下）

圖1 凍融循環(huán)

由表8和圖1可知，經(jīng)過5次凍融循環(huán)的試件無側(cè)限抗壓強度比對照組的強度下降10%左右。水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣碎石基層的凍融系數(shù)均大于0.9，滿足規(guī)范所要求的試件抗凍系數(shù)大于0.75，說明其抗凍性能較好。

2.2 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性是指基層混合料抵抗水損傷的能力。水穩(wěn)定性不足會造成基層混合料的剝落、強度降低，并影響路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，縮短路面的使用壽命。本文采用不同浸水時間的試件無側(cè)限抗壓強度來表征基層混合料的水穩(wěn)定性。參照無側(cè)限抗壓強度測試方法，先將試件按標準養(yǎng)護方式養(yǎng)護7d，然后浸水不同的時間（分別為3d,7d,14d和28d），測量試件的無側(cè)限抗壓強度，試驗結(jié)果如表9、圖2所示。

圖2 浸水時間對強度的影響

表9 （續(xù)）

表9 不同浸水時間下混合料的無側(cè)限抗壓強度

從圖2可以看出，基層混合料的無側(cè)限抗壓強度隨著浸水時間的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。隨著浸水時間的增加，基層混合料中的活性物質(zhì)不斷發(fā)生水化反應(yīng)，使試件的無側(cè)限抗壓強度不斷增大，同時試件周圍大量的水會降低試件的無側(cè)限抗壓強度，水化反應(yīng)和水對試件的破壞作用會達到一個平衡，此時試件的強度達到最大。當浸水時間達到7d時，摻入原灰的試件強度達到最大，而摻入一級灰的試件達到最大強度時的浸水時間更長，為14d，說明水對摻入原灰的基層混合料的強度影響更大。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過凍融循環(huán)試驗發(fā)現(xiàn)，水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣碎石基層經(jīng)過5次凍融循環(huán)的無側(cè)限抗壓強度比正常情況下下降10%左右，即抗凍系數(shù)均在0.9以上，滿足規(guī)范所要求的大于0.75，摻入原灰的基層混合料的抗凍系數(shù)較摻入一級灰的更大，說明摻入原灰的水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣碎石基層混合料的抗凍性更好。

（2）水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣碎石基層混合料的無側(cè)限抗壓強度隨浸水時間的增加呈先增大后減小的趨勢。隨著浸水時間的增加，試件中的水泥不斷發(fā)生水化，粉煤灰與鋼渣之間的火山灰效應(yīng)不斷增強，同時水對試件結(jié)構(gòu)的破壞作用也在不斷增強，前期的水化作用較為強烈，隨著活性物質(zhì)的減少，水化作用減弱，水對試件的破壞作用占主導(dǎo)，此時試件強度開始降低。浸水破壞對摻入原灰的基層混合料影響較大。