二灰穩定鋼渣路用性能試驗研究

張景春

（廊坊市交通公路工程有限公司二公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

冶金廢渣在道路方面的綜合利用，國內外已有一定的研究成果。大多都是將其用作路基回填材料，廢渣作為混合料中的骨料也有一定數量的研究，一般是簡單地取代道路混合料中的碎石，對廢渣本身的活性、膨脹性考慮很少，將鋼渣作為二灰穩定類材料使用的研究更少甚至根本沒有考慮。研究針對冶金廢渣的代表——鋼渣作為路用材料的可行性和二灰穩定鋼渣混合料的路用性能進行了較為系統的試驗研究，對減少鋼渣的堆放場地和環境污染，降低工程造價、指導工程實踐、變廢為寶，促進邯鄲市環境保護工作，有著極其重要的意義。

1 原材料性能

鋼渣是山東某鋼廠采用堤式法生產得到的，其主要礦物為：C2S、C3S、橄欖石CRS、薔薇輝石C3RS2和納蓋斯密特石C7PS2，經大量試驗研究可知，鋼渣慢冷或急冷其結構均為晶體結構，不出現玻璃體，鋼渣的物理力學性能見表1。由于該鋼渣堿度M＞1，所以可以判斷該鋼渣為堿性。粉煤灰、石灰性能均滿足高速公路、一級公路有關技術要求。

表1 鋼渣物理力學性能

2 二灰穩定鋼渣配合比設計

2.1 二灰穩定鋼渣混合料的最佳含水量

每個配比取估計最佳含水量左右的5個含水量進行擊實試驗，間隔2%，繪制成曲線，通過含水量與干密度曲線獲得最大干密度與最佳含水量。

2.2 鋼渣用量

二灰穩定鋼渣試件的強度不是混合料干密度最大時達到最大值，而是在中間某一密度時達到極值，這主要是因為二灰穩定鋼渣混合料強度主要來源于鋼渣間的摩阻力和結合料間的粘結力，結合料過多則鋼渣間的嵌擠作用差，反之，結合料不足，則鋼渣過于松散，同樣達不到最佳強度。

2.3 二灰比例

通常石灰與粉煤灰之比，一般在1:2～1:4之間，這個比例不是固定不變的，它是集料性質、粉煤灰性質和要求的混合料增長率的函數。

3 試驗結果與分析

3.1 無側限抗壓試驗試驗結果與分析

無側限抗壓強度試驗方法：試驗前一天將養生至規定的齡期的試件飽水24h，水覆蓋深度不宜超過試件高度1/3。擦去表面水后，稱重、量高，然后平放在路面強度試驗儀的升降臺上，以1mm/min的加載速率進行抗壓強度試驗。重點分析石灰/粉煤灰比例、二灰結合料/鋼渣、鋼渣級配以及齡期對混合料強度的影響。

3.1.1 不同石灰/粉煤灰比例二灰穩定鋼渣混合料強度結果

在此試驗中，保持集料鋼渣含量不變，變化石灰與粉煤灰摻配比例，以研究石灰與粉煤灰比例對二灰穩定鋼渣混合料強度影響規律。石灰與粉煤灰比例從0∶20～7∶13，鋼渣含量保持80%不變，抗壓強度如表2所示，抗壓強度隨粉煤灰/石灰比例關系變化規律如圖1所示。

表2 不同石灰與粉煤灰比例無側限抗壓強度

圖1 抗壓強度隨粉煤灰/石灰比例關系變化規律

從圖1可以看出粉煤灰與石灰比在2∶1～4∶1間強度較好。石灰過少，將不能充分激發粉煤灰活性，致使火山灰等反應發生較慢，早期強度較低；石灰含量過多，雖有利于激發粉煤灰活性，但石灰過量將產生剩余，這些過量石灰雖可在潮濕的空氣中產生碳化和結晶強度，但強度有限，因此強度也不會很高。另一不采用過多石灰原因是過量石灰會產生膨脹，且不經濟。

3.1.2 二灰結合料/鋼渣比例對強度影響

試驗中石灰與粉煤灰比例固定為1∶3，而變化集料鋼渣的含量，來分析鋼渣含量對混合料強度的影響。鋼渣含量按占混合料質量百分比從70%～85%。結果如表3所示，抗壓強度隨鋼渣含量變化圖如圖2所示。

表3 不同鋼渣含量抗壓強度

圖2 抗壓強度隨鋼渣含量變化圖

從圖2可以看出看，鋼渣含量在總重的75%～80%間，二灰穩定鋼渣混合料7d強度較好，達0.98～1.23。鋼渣含量過多時，二灰結合料將不能充分填充空隙和有效粘結骨料，因此強度下降，二灰含量過多時，集料鋼渣在混合料中處于懸浮狀態，強度將主要由細料和二灰部分來承擔，無法發揮鋼渣骨架支撐作用，因此強度也高。綜合考慮細料多時收縮大，穩定性差等原因，二灰穩定鋼渣比例宜為4∶16∶80～5∶15∶80之間。 研究結果表明，鋼渣含量小于總量80%時，各配比強度相差不大，分析認為這時二灰強度已形成很多，這時混合料的強度主要受控于二灰強度。然而鋼渣含量大于90%時，強度急速下降，這是因為結合料太少不足以填充穩定集料。

3.1.3 鋼渣不同級配對強度的影響

二灰穩定鋼渣混合料材料組成設計參數中可變因素除二灰比例和二灰含量外，還有一個可變因素就是集料的級配。取我國現行《公路路面基層施工技術規范》（JTJ 034—2000）二灰級配碎石中碎石級配上、中、下限和本文按k＝0.75計算的級配以及鋼渣天然破碎級配，結果見表4。

表4 不同鋼渣級配的抗壓強度

根據我國《公路路面基層施工技術規范》無側限抗壓強度設計標準，可以看出研究制備的二灰穩定鋼渣均滿足一級和高速公路基層材料強度的要求。

3.1.4 不同齡期下強度結果

選強度較好的兩種配比4∶16∶80和5∶15∶80進行試驗研究時間對強度的影響關系，養生時間分7d、28d、90d、180d和360d。不同齡期下抗壓強度如表5所示。抗壓強度隨養護齡期的變化圖如圖3所示。

表5 不同齡期下抗壓強度

圖3 抗壓強度隨養護齡期的變化圖

說明以上兩條曲線差別是由于配比1（4∶16∶80）在工地標準養生28d后斷電氣溫一直在10℃以下，所以強度增長緩慢，而配比2（5:15:80）一直處于實驗室標養狀態，因此后期強度仍然增長很快?，F推薦二灰穩定鋼渣混合料抗壓強度隨時間增長應用關系如表6所示。

表6 抗壓強度隨時間增長關系

3.2 抗壓回彈模量試驗及影響因素分析

彈性模量是表征彈性材料或彈性體在受力時應力—應變關系的比例常數，模量結果與試驗方法有關，因此不同的試驗方法測得的模量會有所差別，為便于分析本文統一采用頂面法，試驗結果如表7所示，模量—時間關系圖如圖4所示。

表7 28d標養抗壓回彈模量

圖4 模量-時間關系圖

大量試驗路觀測和室內試驗結果表明，少量水泥或石灰粉煤灰穩定級配碎石后，其抗壓回彈模量在1000MPa以上；用少量水泥或石灰粉煤灰穩定級配砂礫后，其抗壓回彈模量也常達到1000MPa；一些細粒土用水泥或石灰粉煤灰穩定后，其抗壓回彈模量也達到400～500MPa。配比（4∶16∶80）二灰穩定鋼渣28d抗壓回彈模量為1040MPa，配比（5∶15∶80）為1080MPa，普遍大于建議值20%左右。而現行瀝青規范基層設計模量齡期，二灰穩定類取6個月，因此建議值為：二灰穩定鋼渣3個月模量配比4∶16∶80為1530MPa，5∶15∶80為1452MPa，而6個月模量4∶16∶80已經超過2000MPa。 路面結構設計時可根據實際情況取合適值，基層一般應略大于底基層。

3.3 彎拉試驗結果

試驗方法采用美國MTS810材料試驗機，采用3分點加荷，加載速率1mm/min。梁尺寸：10×10×40cm。試驗結果顯示三種配比梁的彎拉破壞時兩三分點平均豎向位移在0.3～0.5mm之間，彎拉強度見表8。

表8 不同配比彎拉強度

上表中方案配比6∶19∶75圓柱形試件抗壓強度為1.20MPa，彎拉強度與抗壓強度比值為0.242；配比5∶15∶80圓柱形試件抗壓強度1.23MPa，彎拉強度與抗壓強度比值為0.244；配比4∶11∶85圓柱形試件抗壓強度0.70MPa，彎拉強度與抗壓強度比值為0.4。據有關資料，美國得出石灰粉煤灰集料混合料的彎拉強度與抗壓強度比值為0.18～0.25，一般以0.2來估計抗彎拉強度。交通部公路科學研究所沙慶林院士等在為京津塘高速公路進行路面結構設計過程中的對比試驗資料表明[4，5]，石灰粉煤灰粒料（砂礫、碎石和廢渣占混合料70%以上）的彎拉強度與抗壓強度（90d齡期）比值為0.182～0.273。

4 結論

4.1 二灰穩定鋼渣混合料強度宏觀上主要來源于鋼渣集料顆粒的內摩阻力和二灰結合料的粘結力，微觀上粘結力主要產生于二灰間的火山灰反應、顆粒的碳化結晶和固結等作用。因此強度影響因素主要就是影響上述作用發生程度的因素，主要包括鋼渣顆粒的級配組成情況、石灰粉煤灰有效含量、石灰粉煤灰比例等因素。

4.2 試驗時發現石灰粉煤灰有一最佳混合比例，在石灰含量過多和過少時效果都不好，石灰較多時雖不經濟但初期強度較高，石灰含量較少，粉煤灰較多時后期強度卻較高。試驗結果表明：石灰粉煤灰比例在1∶2～1∶4之間，二灰含量在20%左右時二灰穩定鋼渣混合料無論是初期還是后期都具有較高的強度。

4.3 回彈模量試驗采用頂面法，并考慮層位工作條件設定試驗條件。模量和強度一般呈同向變化規律，設計時可參照瀝青規范基層設計模量，取二灰穩定類1300～1700MPa的高限，必要時要進行試驗修正。

4.4 通過一定數量小梁彎曲試驗確定二灰穩定鋼渣混合料的彎拉強度可取抗壓強度的10%～20%，也可試驗確定。

[1]姜愛峰，等.二灰碎石組成配合比設計[J].同濟大學學報，1999，（3）：309-313.

[2]JGJ 28—86，粉煤灰在混凝土和砂漿中應用技術規程[S].

[3]劉紅瑛.骨駕密實型二灰穩定碎石基層配合比設計方法及路用性能研究[D].西安：長安大學，2001.

[4]吳傳海.高等級公路二灰碎石基層材料路用性能綜合評定及合理配合比研究[D].西安：長安大學，2001.

[5]沙慶林.高等級公路半剛性基層瀝青路面[M].北京：人民交通出版社，1998.