適用于底基層與水穩(wěn)路面基層的鋼渣材料性能研究

閆永亮，郝文義

（1.河南省鶴新高速公路有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453100；2.中交二公局第四工程有限公司，河南 洛陽 471000）

工業(yè)固體廢棄物的循環(huán)利用是全球?qū)W者關(guān)注的焦點[1]。當(dāng)前我國很多地區(qū)的公路建設(shè)中都存在嚴(yán)重的集料缺乏情況，這種問題會導(dǎo)致公路基層建設(shè)受到影響。鋼渣材料的排放量比較大，在工業(yè)生產(chǎn)中的利用效率比較低，并且會對環(huán)境造成污染。將鋼渣材料運用到公路路面建設(shè)中，能夠有效地解決這種材料污染環(huán)境、路用砂石缺乏而導(dǎo)致的工程成本高昂的問題，并且可以發(fā)揮這種材料的性能，達到鞏固基層建設(shè)的要求。但是這種材料的性能尚不確定，這就需要對該材料的體積穩(wěn)定性進行分析，研究其代替砂、石等天然材料應(yīng)用于底基層與水穩(wěn)路面基層的適用性，確定其在公路建設(shè)中的運用價值，通過運用科學(xué)技術(shù)提高鋼渣在道路工程中的利用率。

1 試驗原材料

1.1 鋼渣材料

鋼渣材料的選擇需要進行試驗，充分考慮原材料的使用性能，使之滿足工程實際要求。試驗中，鋼渣材料選擇某鋼生產(chǎn)集團生產(chǎn)的廢棄物鋼渣，并進行洗滌和干燥處理，經(jīng)處理后鋼渣的顏色為黑灰色，鋼渣化學(xué)成分組成見表1。從鋼渣的化學(xué)成分檢測結(jié)果中可以看出，堿度為3.60 屬于高堿度鋼渣，這種鋼渣有較強的活性，要想使用這種鋼渣還要進行再處理，以達到使用要求。

表1 鋼渣化學(xué)成分組成

由于鋼渣材料堿度比較高，需要使用破碎機進行破碎處理，破碎后再進行工藝處理。破碎后的鋼渣應(yīng)用滾筒水洗工藝技術(shù)進行處理，對于其性能進行檢測，確定這種鋼渣的性能具體情況，在滿足使用要求后將其運用到公路基層施工中。

鋼渣粗集料性能檢測見表2。由表2 可知，鋼渣在破碎、水洗處理后的集料性能符合具體要求，各項技術(shù)指標(biāo)都已經(jīng)達到，可以將這種鋼渣材料運用到公路基層和底基層建設(shè)中，具有施工應(yīng)用的價值。

表2 鋼渣粗集料性能檢測

1.2 水泥

水泥材料選擇河南省豫南水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，按照公路水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程進行檢驗，所得結(jié)果見表3。這種水泥符合公路建設(shè)要求，可以將其運用在公路建設(shè)中，與鋼渣材料一起使用，能夠滿足設(shè)計要求[2]。

表3 鋼渣化學(xué)成分組成

2 材料組成設(shè)計

水泥鋼渣的材料配比通常是根據(jù)其顆粒及組成加水量、水泥類型和所用劑量進行確定，按照公路路面基層施工要求進行配比設(shè)計，可以分為兩種形式：一是粗細集料全部采用鋼渣；二是顆粒小于4.75 mm 的鋼渣細集料由玄武巖代替。根據(jù)公路工程建設(shè)中穩(wěn)定材料試驗要求可以發(fā)現(xiàn)，這兩種施工材料組成相似[3]。施工中含水量大，從干密度指標(biāo)看，使用純鋼渣的效果更理想，主要是這種材料的吸水率和密度比較大，符合公路施工技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和要求，并且在具體使用中可以充分地發(fā)揮其價值。同時，鋼渣混合材料的參數(shù)比較穩(wěn)定，使用靜壓法對其進行試驗，發(fā)現(xiàn)其無側(cè)限抗壓強度比較高，符合公路路面建設(shè)使用要求。

3 鋼渣材料在底基層與水穩(wěn)路面基層的性能評價

鋼渣材料運用于公路路面建設(shè)，應(yīng)從其強度、回彈模量和膨脹性能方面進行分析，了解具體使用要求和結(jié)果，這樣能夠保證其合理運用到公路建設(shè)中以提高公路建設(shè)質(zhì)量。

3.1 無側(cè)限抗壓強度

無側(cè)限抗壓強度是半剛性基層材料設(shè)計的基本指標(biāo)，這種強度與施工中的骨料之間的嵌鎖型結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)料的粘結(jié)力有較大的關(guān)系[4]，需要按照公路工程建設(shè)中穩(wěn)定材料試驗規(guī)范進行設(shè)計，并且要制備符合成型要求的基面，在養(yǎng)生的過程中分別養(yǎng)生7 d、28 d 和60 d，最后一天進水，24 h 之后使用萬能試驗機進行測試，在加載速度1 mm/min 的狀態(tài)下，得出試件無側(cè)限抗壓強度數(shù)值。級配1 鋼渣在齡期7 d、28 d、60 d，其無側(cè)限抗壓強度分別為4.41 MPa、5.91 MPa、6.62 MPa。級配2 鋼渣在齡期7 d、28 d、60 d，其無側(cè)限抗壓強度分別為4.54 MPa、5.83 MPa、6.22 MPa。據(jù)此可知，兩個級配鋼渣的抗壓強度均隨著齡期遞增增長，并且兩者增長趨勢較為近似。齡期不超過28 d 時，兩個級配鋼渣的強度增長數(shù)值，大于28 d 后的強度增幅數(shù)值。對比發(fā)現(xiàn)，級配2 鋼渣7 d 的抗壓強度大于級配1 鋼渣，而經(jīng)過28 d 和60 d 的養(yǎng)生，其強度數(shù)值均小于級配1 鋼渣。由此可知，在反應(yīng)初期，鋼渣細集料受抑制作用影響，水化反應(yīng)延緩，經(jīng)過一段時間反應(yīng)后，鋼渣反應(yīng)活性顯現(xiàn)，由此純鋼渣級配1 的抗壓強度要優(yōu)于鋼渣與玄武巖級配2。

3.2 回彈模量

鋼渣運用在公路基層建設(shè)中，需要對其回彈模量進行評估，基層的回彈模量對于公路質(zhì)量有較大的影響。若回彈模量比較小，瀝青面底部會產(chǎn)生比較大的拉應(yīng)變，并且早期出現(xiàn)開裂的概率會比較高?；鶎硬牧匣貜椖Ａ勘容^大，容易出現(xiàn)干縮和溫度裂紋等現(xiàn)象，這就導(dǎo)致瀝青層面容易出現(xiàn)反射裂紋，影響道路整體結(jié)構(gòu)，并且其使用壽命還會降低[5]。因此，要充分地考慮公路工程建設(shè)材料規(guī)范，針對不同時間的鋼渣混合材料使用情況，進行回彈模量測試分析。根據(jù)JTG E51-2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[6]試驗后，其結(jié)果為：級配1 鋼渣，經(jīng)過28 d 和60 d 的齡期后，其抗壓回彈模量為2 395.2 MPa、2 585.1 MPa；級配2 鋼渣，在經(jīng)過28 d 和60d 的齡期后，其抗壓回彈模量為2275.3MPa、2 460.4 MPa。由此可知，純鋼渣級配1 比鋼渣與玄武巖級配2 回彈模量大，對應(yīng)抗壓強度比較大，這種材料在公路建設(shè)中運用比較合理，相比于鋼渣粗料與玄武巖細料結(jié)合的強度更大，更符合適用性能要求。

3.3 膨脹性能

鋼渣運用在公路工程集料試驗中，需要對其膨脹性能進行分析，尤其是溫度變化可能會導(dǎo)致公路的膨脹系數(shù)改變，因此要對純鋼渣和鋼渣粗集料加玄武巖細集料的膨脹系數(shù)進行分析，其具體數(shù)據(jù)為1.65%和1.42%，滿足技術(shù)應(yīng)用要求[7]。而鋼渣作為水泥穩(wěn)定類基層材料，其膨脹性能更良好，更符合公路建設(shè)要求。

4 鋼渣材料在底基層與水穩(wěn)路面基層的應(yīng)用實例

4.1 工程實例

某工業(yè)園區(qū)起樁號GYYQ 公路，規(guī)劃全長403 km，路面標(biāo)準(zhǔn)寬為44 m，雙向8 車道，路面基層采用墊層，底基層3 層，每層23 cm 設(shè)計。路用試件分別為摻鋼渣粉煤灰AC-16 混合料、常規(guī)AC-16 混合料、摻鋼渣粉煤灰AC-13 混合料、常規(guī)AC-13 混合料，4 組試件采用馬歇爾擊實法成型共同置于25 ℃水槽內(nèi)2 h。按照劈裂強度和劈裂強度比（Tensile Strength Ratio，TSR）進行試驗，凍融劈裂試驗結(jié)果對比見表4。

表4 鋼渣瀝青混合料凍融劈裂試驗結(jié)果對比表

由表4 的試驗結(jié)果可知，摻鋼渣粉煤灰AC-16 的凍融后劈裂強度高于AC-13 瀝青混合料，且大于規(guī)范要求的75%，說明其抗凍性能優(yōu)于常規(guī)AC-16 與AC-13 瀝青混合料[8]。鋼渣作為道路施工的底層和基底層，其強度回彈模量和抗凍性能均符合要求。

從具體施工中運用可以看出，其相比于傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)更合理，鋼渣作為道路半剛性基層材料的造價比較低，這種材料使用一段時間后，試驗路段沒有出現(xiàn)車轍裂縫等現(xiàn)象，說明這種設(shè)計方法是合理的。將鋼渣材料作為公路建設(shè)的基料，鋼渣復(fù)合摻合料只要配比合理就能夠取代天然砂作為細骨料，達到既經(jīng)濟又環(huán)保的施工要求。

4.2 施工工藝

含鋼渣復(fù)合摻合料對混凝土耐久性能有明顯提高[9]。第一鋼渣材料在使用前需要做好準(zhǔn)備工作，保證鋼渣材料來源和質(zhì)量符合要求，同時要經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)招標(biāo)程序?qū)︿撛退嗖牧线M行采購，要提交最新的檢驗報告。首次使用的鋼渣需要進行檢查，對其生產(chǎn)條件加工機械覆蓋層的清理情況進行分析，并且材料運送到現(xiàn)場后需要進行檢查，符合要求后方能使用。其次，材料需要有專門的場地存放，保證其符合具體應(yīng)用要求，要對材料來源進行再次核對。最后，施工前要對相關(guān)設(shè)備等進行調(diào)試，并且對其配套情況、技術(shù)性能進行分析，保證符合底基層與水穩(wěn)路面基層適用性能要求。通過將粗粒度10～16.5 mm 的鋼渣和細粒度5～10 mm 的礦渣與商品硅酸鹽水泥進行配伍[10]，制備出的鋼渣礦渣復(fù)合摻合料7 d 抗壓活性指數(shù)可達到93.99%，28 d 抗壓活性指數(shù)可達到100.95%。

5 結(jié)束語

鋼渣材料在GYYQ 公路建設(shè)中運用，要對基層材料的強度和性能及材料價值進行分析，還要結(jié)合公路建設(shè)相關(guān)要求開展具體工作。鋼渣材料運用于公路建設(shè)，要充分考慮結(jié)合料的膠凝性，這樣可以提高基層材料的強度。同時，鋼渣材料在公路基層建設(shè)中運用，還要達到工程建設(shè)底基層與水穩(wěn)路面基層適用性能要求。鋼渣材料的運用，可以有效降低公路工程建設(shè)的造價，有利于節(jié)能環(huán)保，具有較高的經(jīng)濟價值和社會價值，在未來發(fā)展中也有良好的應(yīng)用前景。