表面改性鋼渣基層混合料路用性能分析

李冷雪 蔡燕霞

（1.中建路橋集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050001；2.中路高科交通科技集團(tuán)有限公司，北京 100088；3.中路高科（北京）公路技術(shù)有限公司，北京 100088；4.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)新材料技術(shù)應(yīng)用交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，北京 100088）

一、引言

鋼渣因具有良好的物理力學(xué)性能，應(yīng)用于公路基層中可大幅度提高其性能[1]。通過研究，諸多學(xué)者證實(shí)了鋼渣在公路工程應(yīng)用的可行性。長(zhǎng)安大學(xué)黃浩[2]將期齡14d左右的新鋼渣摻入0.5%的微硅灰到水穩(wěn)碎石基層中，發(fā)現(xiàn)鋼渣的摻入可提高其力學(xué)性能，但摻量過高會(huì)使水穩(wěn)基層的壓實(shí)性變差，另外加入微硅灰也能明顯降低鋼渣的體積膨脹率，提高基層的耐久性。George[3]等提出水泥劑量、集料成分、土的種類、養(yǎng)護(hù)齡期是影響水泥穩(wěn)定類基層性能的主要因素。喻平[4]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石的彎拉強(qiáng)度是其疲勞壽命的主要影響因素，且主要受鋼渣摻量和水泥劑量的影響。因鋼渣含有f-CaO、f-MgO等活性成分，遇水體積易膨脹，未經(jīng)處理的鋼渣直接用于路面時(shí)，易造成結(jié)構(gòu)損壞，影響使用壽命。因此，本文將鋼渣改性處理，代替天然碎石用于水穩(wěn)基層，研究水穩(wěn)碎石、水穩(wěn)鋼渣、水穩(wěn)改性鋼渣混合料的路用性能，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)廢物利用、維護(hù)生態(tài)平衡、提高鋼渣綜合利用率提供參考。

二、原材料性能

（一）改性劑

選用甲基硅酸鉀溶液（PM）和硅丙乳液（SAE）作為改性劑，二者均具有良好的斥水性，其材料性能如表1所示。

表1 改性劑性能

（二）鋼渣理化性質(zhì)

鋼渣物理力學(xué)性能結(jié)果如表2所示。鋼渣的主要化學(xué)成分為CaO、SiO2、P2O5，含量分別為54.3%、12.20%和1.65%，堿度為3.9，屬于高堿度范圍。兩種粒徑范圍的鋼渣膨脹率分別為2.3%、2.1%，因?yàn)殇撛砻娲植诙嗫浊覂?nèi)部水化活性成分較高，導(dǎo)致膨脹率不滿足規(guī)范要求。

表2 鋼渣的物理力學(xué)性能

三、改性鋼渣的制備

（一）鋼渣改性方案

采用浸漬法對(duì)鋼渣進(jìn)行表面改性處理，每2h攪拌一次溶液，保證鋼渣充分浸泡，達(dá)到改性處理時(shí)間后撈出，自然風(fēng)干5h～7h得到改性鋼渣。然后分析不同濃度、不同處理時(shí)間對(duì)不同粒徑鋼渣吸水率、膨脹性的影響，確定改性劑的濃度和改性處理時(shí)間。具體方案如表3所示。

表3 鋼渣改性方案

（二）改性鋼渣性能

1.吸水率

吸水率試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，改性劑PM和SAE在濃度分別為3wt%、12wt%，改性處理時(shí)間為12h時(shí)，對(duì)鋼渣吸水率具有較好的改善效果，因此研究鋼渣浸水膨脹性能時(shí)，應(yīng)采用此濃度下的兩種改性劑和改性處理時(shí)間。

表4 吸水率試驗(yàn)結(jié)果

2.浸水膨脹率

浸水膨脹率結(jié)果如圖1所示，以此評(píng)價(jià)表面改性對(duì)鋼渣體積膨脹的抑制效果。相同粒徑下不同改性劑對(duì)鋼渣體積抑制效果也存在差異，4.75mm～9.5mm、9.5mm～13.2mm粒徑的PMSSA膨脹率與未改性鋼渣相比降低了28.7%、25.7%，SAESSA降低了20%、23.3%。這是由鋼渣本身性質(zhì)、改性工藝和鋼渣試件密實(shí)程度決定的，可知鋼渣表面改性在富水情況下，可延緩鋼渣內(nèi)部活性成分的水化反應(yīng)速率，進(jìn)而達(dá)到降低鋼渣體積膨脹率的目的。

圖1 不同粒徑不同改性鋼渣的浸水膨脹率

根據(jù)改性鋼渣室內(nèi)試驗(yàn)研究，兩種粒徑范圍的鋼渣吸水率在改性劑PM和SAE濃度分別為3wt%、12wt%，處理時(shí)間為12h時(shí)降至最低，并且4.75mm～9.5mm的鋼渣改性效果較為顯著，PM的改性效果優(yōu)于SAE，后續(xù)采用改性劑PM對(duì)基層混合料進(jìn)行路用性能研究。

四、改性鋼渣混合料性能

（一）配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）要求，選用骨架密實(shí)型級(jí)配的級(jí)配中值作為水泥穩(wěn)定類基層的設(shè)計(jì)級(jí)配，根據(jù)體積-質(zhì)量換算法[6]，調(diào)整鋼渣級(jí)配。將不同粒徑改性鋼渣代替同粒徑碎石，選擇4%、5%兩種水泥劑量，組成8種配合比，如表5所示。其中NAM代表水穩(wěn)碎石混合料；SSAM代表普通鋼渣全部代替4.75mm～13.2mm粒徑水穩(wěn)碎石鋼渣混合料；IPMSSAM、IIPMSSAM分別代表改性鋼渣單檔代替4.75mm～9.5mm、9.5mm～13.2mm粒徑范圍的水穩(wěn)碎石改性鋼渣混合料。水穩(wěn)碎石改性鋼渣混合料的級(jí)配受鋼渣替代方式的影響較小，各個(gè)篩孔的通過率較為接近，不同類型混合料的級(jí)配結(jié)果如圖2所示。

圖2 級(jí)配曲線

表5 配合比設(shè)計(jì)

（二）擊實(shí)特性

各配合比混合料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，改性鋼渣代替未改性鋼渣粗集料后，不同配比下混合料的最佳含水量呈先增長(zhǎng)后下降再增長(zhǎng)的趨勢(shì)，是由于未改性的小粒徑鋼渣吸水能力較強(qiáng)，在悶料過程中會(huì)吸取更多水分，因此會(huì)提高混合料的含水量。各配比下混合料的最大干密度不盡相同，這是由于鋼渣經(jīng)改性處理后，材料表觀密度有所變化，導(dǎo)致混合料的干密度有所不同。

圖3 各配合比下混合料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

（三）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

各配比混合料的抗壓強(qiáng)度如圖4所示。當(dāng)水泥劑量為4%時(shí)，A3的強(qiáng)度最高，比A1、A2分別高出了55.6%、14.3%，說明水泥穩(wěn)定碎石-改性鋼渣混合料具有良好的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)水泥摻量為5%時(shí)，B3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別比B1、B2高出了37%、3.3%，說明水泥劑量也影響混合料的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)改性鋼渣代替不同規(guī)格的普通鋼渣時(shí)，其混合料強(qiáng)度也存在差異，這是因?yàn)椴煌瑱n位改性鋼渣在成型試件時(shí)所需的質(zhì)量占比不同，其中質(zhì)量占比較高的改性鋼渣對(duì)水泥顆粒的吸附作用較少，反之則受吸附作用影響，導(dǎo)致混合料的抗壓強(qiáng)度降低。通過對(duì)比分析不同配比下混合料的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可知，采用改性鋼渣部分替代同粒徑規(guī)格的鋼渣粗集料與全部替代天然碎石粗集料相比，前者對(duì)提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度更加有效，其中4.75mm～9.5mm改性鋼渣對(duì)混合料抗壓性能的改善效果更好。

圖4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

五、結(jié)語(yǔ)

本文通過浸水膨脹率試驗(yàn)測(cè)試不同粒徑鋼渣的體積穩(wěn)定性，4.75mm～9.5mm、9.5mm～13.2mm粒徑范圍內(nèi)的鋼渣膨脹率分別為2.3%、2.1%，不滿足相關(guān)規(guī)范要求，須進(jìn)行進(jìn)一步處理；經(jīng)改性劑PM和SAE處理后，鋼渣吸水率明顯降低，在兩種粒徑范圍內(nèi)鋼渣吸水率分別在濃度為3wt%、12wt%，處理時(shí)間為12h時(shí)，鋼渣吸水率降至最低，PM的改性效果優(yōu)于SAE；對(duì)比分析不同配比混合料的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，采用部分替代同粒徑規(guī)格的鋼渣粗集料對(duì)提高基層混合料的抗壓強(qiáng)度非常有效，其中4.75mm～9.5mm改性鋼渣對(duì)混合料抗壓性能的改善效果更好。