水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層的性能及應(yīng)用研究

聶文君

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司 太原市 030032)

煉鋼廠在煉鋼過程中將會產(chǎn)生大量的鋼渣廢料,國外對于這些鋼渣廢料的回收利用率已近100%[1]。而國內(nèi)對于鋼渣廢料的處理多采取堆積、掩埋的方式進(jìn)行處理,回收利用率僅為50%左右,不僅浪費(fèi)了資源,也污染了環(huán)境[2]。

相關(guān)研究表明,鋼渣集料強(qiáng)度大、孔隙多、摩擦系數(shù)大,在瀝青路面基層材料中,部分替代天然集料后,可以提高道路基層強(qiáng)度[3]。但由于鋼渣浸水后會發(fā)生膨脹,從而產(chǎn)生收縮裂縫并反射至路面,影響道路基層及面層的整體穩(wěn)定性[4]。為了提高鋼渣作路面基層材料的性能,采用水泥作為改良材料,對水泥穩(wěn)定鋼渣碎石路面基層材料的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,通過工程應(yīng)用對實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

(1)鋼渣:鋼渣選用某鋼鐵廠生產(chǎn)的電爐鋼渣,組成成分如表1所示。

表1 鋼渣化學(xué)組成 (單位:%)

鋼渣的篩分結(jié)果見表2,同時測得鋼渣的10d膨脹率均值為1.28%,滿足《鋼渣集料混合料路面基層施工技術(shù)規(guī)程》中≤2%的要求。

(2)水泥:選用CONCH牌普通硅酸鹽水泥(強(qiáng)度等級32.5),主要性能指標(biāo)見表3。

(3)天然集料:集料選用石灰?guī)r碎石,粗、細(xì)集料主要性能分別見表4、表5。

表4 天然粗集料主要性能檢測指標(biāo)

表5 天然細(xì)集料性能檢測指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

參照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)中的骨架密實(shí)型級配范圍,進(jìn)行水泥穩(wěn)定鋼渣的級配設(shè)計(jì),如表6所示,鋼渣按不同粒徑等級等比例替代天然集料。

表6 水泥穩(wěn)定鋼渣級配設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方案

為確定鋼渣替代量、水泥摻量對路面碎石基層材料性能的影響,按表6進(jìn)行級配設(shè)計(jì),參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)的相關(guān)試驗(yàn)規(guī)定,以鋼渣替代量(0%、20%、40%、60%、80%)及水泥摻量(3%、4%、5%、6%)作為變量,制備試件進(jìn)行試驗(yàn)測定相關(guān)工程性能,具體試驗(yàn)方案如表7所示。

表7 室內(nèi)試驗(yàn)方案及條件

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同水泥摻量下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知,隨著鋼渣替代量的增加,不同水泥摻量穩(wěn)定路面基層材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均先增后減,在鋼渣替代量為60%時達(dá)到最大值;當(dāng)水泥穩(wěn)定劑摻量≤4%時,不同鋼渣替代量下基層材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度雖有較好的提升,但均不滿足《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 034—2000)要求的一級公路及高速公路在重交通情況下路面基層材料抗壓強(qiáng)度≥4MPa的要求;無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量增加而增加,但增長幅度先增后降,以鋼渣替代量為60%進(jìn)行分析,如圖2所示,水泥穩(wěn)定劑摻量由3%增加到4%、4%增加到5%、5%增加到6%的過程中,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別增加了11.82%、28.96%、14.21%,在水泥穩(wěn)定劑摻量由4%增加到5%時,增長幅度最大,此時無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到了4.78MPa,滿足前述規(guī)范≥4MPa的工況要求,適用范圍較廣。

圖2 鋼渣替代量60%時無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知,隨著鋼渣替代量的增加,不同水泥摻量下基層材料的劈裂抗拉強(qiáng)度均先增后減,均在鋼渣替代量為60%時達(dá)到最大值,且當(dāng)鋼渣替代量≤60%時,鋼渣替代量與劈裂強(qiáng)度存在較好的線性相關(guān)關(guān)系。

鋼渣替代量為60%時,如圖4所示,由劈裂抗拉強(qiáng)度與水泥摻量關(guān)系可知,水泥穩(wěn)定劑摻量由3%增加到4%、4%增加到5%、5%增加到6%的過程中,劈裂抗拉強(qiáng)度分別增加了15.76%、17.66%、6.25%,當(dāng)水泥穩(wěn)定劑摻量大于5%后,劈裂抗拉強(qiáng)度增長幅度開始明顯減緩,這是因?yàn)榛鶎硬牧显谒喾€(wěn)定劑過量摻入后材料的整體收縮量加大,劈裂抗拉強(qiáng)度的增長隨之受到了限制。

圖4 鋼渣替代量60%時劈裂抗拉強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系

2.3 抗壓回彈模量試驗(yàn)

抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知,基層材料的抗壓回彈模量與鋼渣替代量兩者的相互變化關(guān)系同劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)果基本一致,回彈模量與鋼渣替代量有較好的相關(guān)性,鋼渣替代量每增長10%,回彈模量約增加3.85%,提升幅度不大,表明鋼渣摻入對基層材料剛度提升不大,在鋼渣替代量為60%時,回彈模量達(dá)到最大值。

綜合前述三種力學(xué)性能試驗(yàn)檢測結(jié)果可知,水泥穩(wěn)定鋼渣基層材料中,鋼渣的最佳摻量為60%,水泥穩(wěn)定劑的最佳摻量為5%。

2.4 干縮試驗(yàn)

干縮試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示,由圖6可知,0鋼渣替代量與60%鋼渣替代量水泥穩(wěn)定基層材料失水率變化趨勢一致,均在前9d內(nèi)失去了絕大部分水分;另一方面,對比同一時間0鋼渣替代量與60%鋼渣替代量水泥穩(wěn)定基層材料失水率可知,前者的失水率要低于后者,這是由于鋼渣集料表面孔隙多且含有CaO等活性物質(zhì),消耗水分較多。

圖6 失水率與干縮時間的關(guān)系

圖7 干縮系數(shù)與干縮時間的關(guān)系

由圖7可知,0鋼渣替代量與60%鋼渣替代量水泥穩(wěn)定基層材料的干縮系數(shù)均隨時間增加呈增加趨勢,當(dāng)時間達(dá)到9d后,增加速度開始趨于平緩;對比同一時間0鋼渣替代量與60%鋼渣替代量水泥穩(wěn)定基層材料干縮系數(shù)可知,后者的干縮系數(shù)要顯著低于前者,表明鋼渣的摻入有效提高了水泥穩(wěn)定基層材料的抗裂性能。

2.5 溫縮試驗(yàn)

溫縮試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示,由圖8可知,0鋼渣替代量與60%鋼渣替代量水泥穩(wěn)定基層材料的溫度系數(shù)的變化趨勢基本一致,均隨溫度的降低呈先降后增的趨勢,溫度系數(shù)均在-10℃時達(dá)到最小值,溫縮系數(shù)在溫度由40℃降低至30℃的過程中降低幅度最大;對比同一溫度0鋼渣替代量與60%鋼渣替代量水泥穩(wěn)定基層材料溫縮系數(shù)可知,后者要大于前者,但相關(guān)研究表明水泥穩(wěn)定鋼渣基層材料的開裂主要由干縮原因引起[5-6],且本次試驗(yàn)得到水泥穩(wěn)定鋼渣基層材料的干縮系數(shù)降低量遠(yuǎn)大于溫縮系數(shù)增加量,因此鋼渣的摻入可以提高水泥穩(wěn)定基層材料的抗裂性能。

圖8 溫縮系數(shù)與溫度的關(guān)系

3 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

某新建高速公路全長253.54km,采用瀝青路面結(jié)構(gòu),K60+100～K62+100段作為試驗(yàn)段,其上基層采用了水泥穩(wěn)定鋼渣集料進(jìn)行鋪筑。施工現(xiàn)場鋼渣的替代量取60%,水泥穩(wěn)定劑的摻量取5%,施工現(xiàn)場材料的性能檢測、配合比設(shè)計(jì)均同室內(nèi)試驗(yàn)。

3.2 壓實(shí)度與平整度檢測

K60+100～K62+100試驗(yàn)段路面上基層完成施工后,分別采用灌砂法及平整度測量儀對壓實(shí)度與平整度進(jìn)行了檢測,試驗(yàn)路段上基層最低壓實(shí)度為98.3%,最高壓實(shí)度達(dá)到99.8%,平均壓實(shí)度為98.7%,現(xiàn)場檢測得到平整度平均值均<2mm,兩者均滿足《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80/1—2004)中的要求。

3.3 彎沉檢測

采用貝克曼梁法對路面上基層彎沉值進(jìn)行檢測,檢測結(jié)果見表8。

表8 試驗(yàn)路段基層彎沉檢測結(jié)果

表8所示彎沉檢測結(jié)果較好的符合設(shè)計(jì)彎沉值的要求,表明在水泥穩(wěn)定碎石基層中摻入一定量的鋼渣后,可以有效提高基層材料的抗變形能力。

3.4 長期監(jiān)測

該新建高速公路在建成通車后的三年內(nèi)車流量較大,并且承受了復(fù)雜的行車荷載。K60+100～K62+100試驗(yàn)路段路基未出現(xiàn)沉陷、位移等病害,瀝青路面無反射裂縫出現(xiàn),表明在水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層實(shí)際應(yīng)用效果優(yōu)異。

4 結(jié)論

(1)摻入鋼渣后,水泥穩(wěn)定碎石基層材料的力學(xué)性能得到了較好的提升,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、回彈模量隨鋼渣替代量的增加均呈先增后減的趨勢,均在鋼渣替代量為60%時達(dá)到最大值。

(2)綜合力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果,建議水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料中,鋼渣、水泥穩(wěn)定劑的最佳摻量分別取60%、5%。

(3)在水泥穩(wěn)定碎石基層材料中摻入鋼渣后,材料的失水率增加,干縮系數(shù)明顯降低,溫縮系數(shù)一定程度增加,但溫縮系數(shù)增加量要明顯小于干縮系數(shù)降低量,表明基層材料的抗裂性能得到了有效的提升。

(4)工程實(shí)例表明:水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料作為路面基層進(jìn)行鋪筑后,實(shí)際應(yīng)用效果及性能優(yōu)異。