水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層抗裂性能研究

文章采用C-B-3級配，對鋼渣摻量為0、30%、45%、60%的4種配合比水泥穩(wěn)定鋼渣碎石試件進行干燥收縮和溫度收縮試驗，分析鋼渣摻量對混合料收縮特性的影響，并采用半剛性基層開裂計算模型，計算分析鋼渣摻量對基層整體抗裂性能的影響。結果表明：相較于不摻鋼渣的混合料，摻入30％、45％和60％的鋼渣分別使其29 d的干縮系數降低了19.7％、43.3％和57.3％，溫縮系數則分別增大了9.6%、21.2%和29.8%；摻入30%、45%和60%的鋼渣可以使得裂縫間距分別增大9.6%、21.2%和48.9%；裂縫寬度呈現先增大后降低的變化，分別增加10.6%，減小1.4%和5.6%；水泥穩(wěn)定碎石摻入鋼渣后，裂縫間距、寬度受干縮作用比溫縮作用顯著，鋼渣替代部分集料摻入水泥穩(wěn)定碎石混合料中能改善其抗裂性能。

水泥穩(wěn)定鋼渣碎石；抗壓強度；干縮；溫縮；抗裂性能

U416.03A030084

基金項目：

河北省交通運輸廳科技研發(fā)項目“鋼渣-橡膠瀝青混凝土路面修筑技術研究”（編號：TH1-202019）

作者簡介：

武建民（1971—），博士，副教授，主要從事路基路面工程研究工作。

0" 引言

截至2022年，我國鋼渣累計存放超過18×108t，面臨巨大的環(huán)保壓力。在我國區(qū)域性的基礎設施建設中，缺乏石料已經成為常態(tài)，特別是在道路基層施工中，對于碎石的需求量十分巨大。已有研究表明，將鋼渣用于道路工程中時，其路用性能較常規(guī)碎石有較大的提升［1］；但目前我國鋼渣的綜合利用率不到30%［2］，若將鋼渣用于公路的水泥穩(wěn)定碎石基層，不僅能深入落實國家“雙碳”戰(zhàn)略中對大宗工業(yè)固廢有效利用的政策，實現對鋼渣的大規(guī)模利用，解決鋼渣堆放占地、污染環(huán)境的問題，也有利于緩解公路建設中對石料的巨大需求，減少石料開采的能源消耗和環(huán)境破壞。

國外對鋼渣的利用研究較早且利用率高［3］，目前普遍的研究認為，在當今天然集料短缺的情況下，使用鋼渣替代瀝青混合料中的集料尤為重要，大多數情況下，這些替代集料可提高混合料的力學性能、耐久性和可持續(xù)性［4-5］。鋼渣在國外已經成為一種優(yōu)質筑路材料，多用于面層，很少用于道路基層。

從20世紀80年代到現在，國內對鋼渣在路面基層的應用研究較為廣泛，各項研究成果表明：鋼渣摻入基層材料中，使基層材料的強度得到了明顯提升，且由于鋼渣的遇水膨脹特性，使混合料的干縮性能得到明顯改善，但溫縮性能卻有所降低［6-9］。各項研究成果并沒有具體分析摻入鋼渣后對基層整體抗裂性能的影響，因此本文利用陜西龍鋼鋼渣，進行室內干縮試驗和溫縮試驗以研究水泥穩(wěn)定鋼渣碎石的收縮特性，通過計算其平均裂縫間距和寬度，具體分析鋼渣膨脹特性對水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層整體抗裂性能的影響。

1" 鋼渣性能分析

試驗采用的鋼渣來自陜西龍門鋼鐵集團，2018年以前，該集團采用熱潑工藝進行鋼渣處理，后由于環(huán)保及尾渣綜合利用要求，改為熱燜處理工藝。本文主要研究粉狀鋼渣（粒徑＜10 mm）和粒狀鋼渣（粒徑為10～25 mm）應用情況，其化學組成和礦物成分見表1，與碳巖的技術性能對比見表2，鋼渣膨脹性測試結果見圖1。

由表2可知，鋼渣物理性能符合規(guī)范技術要求［10］，同時其密度遠大于石灰?guī)r集料，且壓碎值與磨耗值均小于石灰?guī)r，說明鋼渣的物理力學性能要優(yōu)于石灰?guī)r，也更能說明鋼渣作為集料可以用于道路工程中。

鋼渣10 d的浸水膨脹量如圖1所示，通過浸水膨脹量計算分別得到粉狀鋼渣平均浸水膨脹率為1.598%，粒狀鋼渣平均浸水膨脹率為1.305%，均滿足浸水膨脹率≤2%的要求［11］，這是因為所用鋼渣均為堆放一年以上的陳化鋼渣，體積穩(wěn)定性良好，可以直接用于道路基層。

2" 混合料配合比設計

2.1" 級配設計

根據鋼渣產地所處地理位置和當地公路建設情況，考慮將鋼渣主要用于二級及以下公路建設和廠區(qū)道路建設。選用C-B-3級配、PC32.5硅酸鹽水泥，水泥劑量為3.5%、4.0%；碎石采用石灰?guī)r碎石；鋼渣摻量分別為0、30%、45%、60%，其中30%、45%摻量的鋼渣均摻加粉狀鋼渣，60%摻量的鋼渣采用45%的粉狀鋼渣和15%粒狀鋼渣組成。由此得到4種不同摻配比例下的混合料級配，見表3。

水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層抗裂性能研究/武建民，赫海濤，武宇琦

2.2" 7 d無側限抗壓強度

采用靜力壓實法成型試件，無側限抗壓強度試驗結果見表4。由于水泥劑量的增大會使基層收縮加劇，且更容易開裂［12-13］，同時考慮工程的經濟成本，在后續(xù)收縮特性研究中，選用3.5%的水泥劑量。

3" 收縮特性研究

3.1" 試驗方法

試驗采用100 mm×100 mm×400 mm的中梁進行。每個配合比成型9個試件，其中3個用于干燥收縮變形的測試，3個用于試件失水率的測試，另外3個用于溫度收縮變形的測試。將成型合格的試件放入養(yǎng)生箱中進行恒溫恒濕養(yǎng)生7 d，再進行干縮、溫縮試驗。

3.2" 干縮試驗

干縮系數測試結果見圖2。

由圖2可知：未摻加鋼渣的普通水泥穩(wěn)定碎石混合料29 d干縮系數為141.9×10-6，當摻入30%、45%、60%鋼渣時，干縮系數分別降低了19.7%、43.3%、57.3%。這是因為鋼渣中的活性成分能夠與水發(fā)生反應產生體積膨脹，這部分膨脹能夠抵消部分混合料失水而引起的干縮變形，對干縮起到一定的“補償作用”［14-15］。隨著鋼渣摻量的增加，其活性成分與水反應的量增加，可以抵消更多的干縮變形，從而使干縮系數降低，由此說明鋼渣的摻入能明顯改善水穩(wěn)碎石混合料的干縮性能。

3.3" 溫縮試驗

溫縮系數測試結果見圖3。

由圖3可知：相對于普通水穩(wěn)碎石的溫縮系數8.21×10-6，摻加鋼渣分別使得混合料溫縮系數增加9.6%、21.2%、29.8%。這是因為鋼渣屬于溫度敏感性材料，其比普通集料如石灰?guī)r有著較大的脹縮系數，同時其水化產物也具有較大的溫度敏感性，這使其在溫差一定時會產生更大的溫度收縮變形［16-17］。

3.4" 鋼渣摻量對基層整體抗裂影響分析

耿任山通過建立半剛性基層開裂計算模型，提出了裂縫間距和裂縫寬度計算公式如式（1）、式（2）［18］所示，可以用來分析不同鋼渣摻量下水穩(wěn)碎石基層裂縫間距的變化情況，研究摻入鋼渣對水泥穩(wěn)定碎石基層整體抗裂性能的影響。為進一步對比分析，引用單來等［19］的研究數據進行對比，其編號為SW4.5～SF，分別代表4.5%、5.0%和5.5%水泥劑量的水穩(wěn)碎石及二灰穩(wěn)定碎石；本研究以編號A1、A2、A3、A4分別代表鋼渣摻量0、30%、45%、60%，水泥劑量為3.5%的水穩(wěn)碎石，其回彈模量、抗拉強度均通過實測得到。同時，為了分析干縮系數和溫縮系數變化對基層整體抗裂性能的影響，在A4數據的基礎上，進一步增加20%溫縮系數計算裂縫間距和寬度，編號為WZ；增加20%干縮系數計算裂縫間距和寬度，編號為GZ，具體數據見表5。

L=1.5EHCxArchαtΔT+AαdΔω-αtΔT+AαdΔω--Xmaxζ（1）

w=2ζ（αtΔT+AαdΔω-）tanhL2ρ（2）

式中：L——裂縫平均間距（m）；

E——半剛性材料的回彈模量（MPa）；

αt——溫縮系數（10-6）；

αd——干縮系數（10-6）；

A——干縮松弛系數，一般取0.8；

ζ——可靠度水平，一般取0.95；

ΔT——溫差（℃）；

Δω-——失水率（%）；

H——基層厚度（mm）；

Cx——水平變形阻力系數，取0.06（MPa/mm）；

Xmax——半剛性基層容許應變（10-6）；

w——平均裂縫寬度（mm）。

計算得到不同混合料類型的裂縫間距和裂縫寬度見圖4。

由圖4可知：

（1）相對于普通半剛性基層而言，一定量的鋼渣摻入會使基層的裂縫間距逐漸變大，當鋼渣摻量為60%時，計算出的裂縫間距最大，因此可以認為，摻入鋼渣使水泥穩(wěn)定碎石基層裂縫數量減少，提高了其抗裂性能。通過對比A4、WZ、GZ3組數據，當溫縮系數增長20%時，裂縫間距從A4的5.42 m減小到WZ的5.26 m，減小了3.04%；當干縮系數增長20%時，裂縫間距從A4的5.42 m減小到GZ的5.21 m，減小了3.87%。由此可見，摻入鋼渣后，裂縫間距受干縮作用較溫縮作用更顯著。

（2）摻入鋼渣后基層的裂縫寬度先增大后減小。由開裂模型假設以及計算公式可知，基層裂縫寬度受回彈模量、干縮溫縮系數影響較大，因為A1（不摻鋼渣）混合料回彈模量較小，而A2（鋼渣摻量30%）混合料因摻入鋼渣比例比較小，因此摻入鋼渣對A2干縮溫縮的“補償”作用小于回彈模量增加的作用，最終表現出A2回彈模量較A1大1.46倍，導致計算出的裂縫寬度變大。而隨著鋼渣摻入的增多，鋼渣對混合料干縮溫縮的“補償作用”開始大于回彈模量增大的作用，因此當鋼渣摻入量為45%、60%時，計算出的基層裂縫寬度開始減小。對比A4、WZ、GZ 3組數據，當溫縮系數增長20%時，裂縫寬度從A4的1.34 mm增加到WZ的1.42 mm，增大了5.98%；當干縮系數增長20%時，裂縫間距從A4的1.34 mm增加到GZ的1.45 mm，增大8.21%。由此也可以看出，摻入鋼渣后，裂縫寬度受干縮作用較溫縮作用更顯著。與SW4.5～SF對比，本試驗混合料類型A1～A4計算得到的裂縫寬度更大，這與試驗所用材料溫度收縮系數關系較大，從表5可以看出，A1～A4類型的溫縮系數遠大于SW4.5～SF類型，研究表明，材料溫縮系數越大，裂縫寬度就越寬［20］。

半剛性基層是瀝青路面的主要承重層，其整體性越好，對荷載的擴散效果越好。因此，半剛性基層的裂縫間距越大、寬度越小，其整體性越好，能夠更有效地擴散荷載應力，延長路面結構的疲勞壽命。反之，其擴散荷載效果會因裂縫間距小、寬度大而減弱，從而加劇更多裂縫的產生和發(fā)展。因此根據試驗和計算結果，當鋼渣摻量為60%時，其裂縫間距最大，裂縫寬度最小，基層抗裂性最好。

4" 結語

（1）由于鋼渣的水化作用及其優(yōu)良的物理力學性能，使摻入鋼渣的水泥穩(wěn)定碎石強度有顯著的提高，采用3.5%的水泥劑量即可滿足二級公路基層的強度要求。

（2）鋼渣的摻入對水泥穩(wěn)定碎石的收縮性能有著顯著的影響，相較于不摻鋼渣的混合料，摻入30％、45％和60％的鋼渣可以使29 d的干縮系數分別降低19.7％、43.3％和57.3％，溫縮系數則分別增加9.6%、21.2%和29.8%。

（3）通過計算裂縫間距和裂縫寬度，得出相較于不摻鋼渣的水穩(wěn)碎石基層，摻入30%、45%和60%的鋼渣時，可以使裂縫間距分別增大9.6%、21.2%和48.9%；摻入鋼渣使裂縫寬度先增大后降低，分別增加10.6%，減小1.4%和5.6%；3種劑量下，60%鋼渣摻量的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層抗裂性能最好。此外，裂縫間距、寬度受干縮作用比溫縮作用影響更顯著。

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20240312