水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石鋼渣混合料作為基層配合比的研究

張軍林 任國斌 魏定邦1, 趙靜卓1, 王暉1,

（1 甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030；2 甘肅暢隴公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730203）

隨著工業(yè)的發(fā)展,工業(yè)廢渣逐漸增多，鋼渣作為煉鋼過程中產(chǎn)生的廢渣，年產(chǎn)量大且利用率低，對自然環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，怎樣綜合利用工業(yè)廢渣。已經(jīng)逐漸引起了國內(nèi)外學(xué)者的重視。隨著“一帶一路”方針政策的進(jìn)行，我國高等級(jí)公路的建設(shè)也在不斷地向前飛速發(fā)展，與此同時(shí)，新建道路對石料龐大的需求加劇了石料開采規(guī)模，給環(huán)境帶來了巨大的壓力。水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣作為主要承重層的基層具有高的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性，若能將鋼渣在公路工程中得以應(yīng)用，不但可以提高路面性能，還能夠?qū)崿F(xiàn)鋼渣的循環(huán)利用，并在一定程度上降低工程造價(jià)，具有較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。

公路工程中對石料的基本要求包括力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，由于鋼渣的不穩(wěn)定性，水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣和新石料的摻配成為該領(lǐng)域目前的主流研究方向。本文研究了不同水泥劑量、粉煤灰劑量、鋼渣摻量對基層混合料的最佳含水率、最大干密度，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，就水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石鋼渣用于高等級(jí)公路基層進(jìn)行了理論研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

本文所用原材料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTG-TF20-2015）的要求。各原材料技術(shù)指標(biāo)如下。

1.1.1 鋼渣

鋼渣取自酒泉鋼鐵集團(tuán)有限公司，僅有一種規(guī)格，即0～53mm。根據(jù)級(jí)配要求，將鋼渣斷檔為三種規(guī)格，分別為：0～4.75mm、4.75～13.2mm和13.2～26.5mm，并對鋼渣進(jìn)行泡水以除去氧化鈣，燜料處理保證其穩(wěn)定性，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.1.2 新石料

新石料取自蘭州公路管理局高養(yǎng)中心，共有七種規(guī)格。分別為：0～3mm、3～5mm、5～10mm、10～15mm、15～20mm、20～25mm和20～31.5mm，根據(jù)規(guī)范級(jí)配要求將26.5mm以上超粒徑顆粒的剔除，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表1 鋼渣的技術(shù)指標(biāo)

表2 新石料的技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 水泥

本文所選用的水泥為祁連山牌水泥，強(qiáng)度等級(jí)為32.5MPa，其具體指標(biāo)如表3所示。

表3 水泥的技術(shù)性質(zhì)

1.1.4 粉煤灰

粉煤灰是二灰穩(wěn)定碎石、水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的主要材料，本文選用蘭州西固宏大熱電有限責(zé)任公司產(chǎn)袋裝（二級(jí)）粉煤灰，其具體物理化學(xué)指標(biāo)如表4所示。

表4 粉煤灰的主要化學(xué)成分及物理性能

為增加不同半剛性基層無機(jī)結(jié)合料的可比性，本試驗(yàn)中的半剛性基層材料級(jí)配均采用《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTG-TF20-2015）中規(guī)定的水泥粉煤灰穩(wěn)定級(jí)配碎石推薦級(jí)配范圍，均通過篩分逐級(jí)回配得到，具體級(jí)配如表5所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)部分

1.2.1 最大干密度和最佳含水率

根據(jù)《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）中T0804-1994無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料擊實(shí)試驗(yàn)方法規(guī)定，采用重型擊實(shí)（丙法）確定水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石鋼渣混合料最大干密度及最佳含水率。

1.2.2 無側(cè)限試件成型

根據(jù)《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）中T0843-2009無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試件制作方法（圓柱體）中規(guī)定由最大干密度和最佳含水率計(jì)算每個(gè)無側(cè)限試件質(zhì)量，采用壓力試驗(yàn)機(jī)成型試件。

1.2.3 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)《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）中T0805-1994無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，測試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

從圖1a可以看出：在鋼渣摻量分別為0%、50%、70%的情況下，水泥鋼渣基層混合料的最佳含水率隨著水泥劑量的增加而增大，但變化并不明顯，表明水泥劑量在小范圍內(nèi)的變化對最佳含水率無顯著影響。鋼渣摻量低于50%、水泥摻量為3%～6%時(shí)，最佳含水率保持在0%～50%范圍內(nèi)且變化并不明顯，但是當(dāng)鋼渣摻量由50%增大到70%時(shí)，最佳含水率增加較為明顯（圖1b）。

表5 半剛性基層水泥粉煤灰碎石推薦級(jí)配

水泥摻量分別為3%、4%、5%、6%的情況下，水泥鋼渣基層混合料的最大干密度隨水泥摻量的增加表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，其中50%鋼渣摻量對應(yīng)的最大干密度最大（圖2a）。圖2b則表明在鋼渣摻量分別為0%、50%、70%時(shí)，最大干密度會(huì)隨著水泥劑量的增加而增大，但除了鋼渣摻量為70%時(shí)該指標(biāo)發(fā)生較大變化外，其余摻量下最大干密度的變化并不明顯。

在水泥劑量分別為3%、4%的情況下，隨著鋼渣摻量的增加，水泥鋼渣基層混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低，當(dāng)水泥摻量為5%、6%時(shí)，隨著鋼渣摻量的增加，水泥鋼渣基層混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，且50%鋼渣摻量，6%水泥摻量下對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值最大（圖5a）。從圖5b可以看出，在鋼渣摻量分別為0%、50%、70%的情況下，隨著水泥劑量的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所增大。當(dāng)水泥劑量大于4%以后，0%、70%鋼渣摻量下的混合料隨著水泥劑量的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長速度有所減慢，而50%鋼渣摻量對應(yīng)的混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對水泥劑量的變化則比較敏感。

表6 二灰穩(wěn)定鋼渣基層混合料的最佳含水率、最大干密度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖1 a)鋼渣摻量對最佳含水率的影響 b)水泥摻量對最佳含水率的影響

圖2 a)鋼渣摻量對最大干密度的影響 b)水泥摻量對最大干密度的影響

圖3 a) 鋼渣摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響 b) 水泥摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

在二灰劑量為4%、鋼渣摻量為50%的配比下，隨著粉煤灰占水泥比例的增大，二灰穩(wěn)定鋼渣基層混合料的最佳含水率增大，最大干密度減小，其中水泥與粉煤灰配比為1:3時(shí)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大（表6）。

3 結(jié)語

本文通過不同水泥劑量、粉煤灰劑量、鋼渣摻量對基層混合料的最佳含水率、最大干密度，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究，得到了以下結(jié)論：

1）相比鋼渣摻量變化對最佳含水率的影響，水泥摻量的變化對最佳含水率的影響并不明顯。

2）鋼渣摻量增加會(huì)降低水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，尤其當(dāng)鋼渣摻量為50%表現(xiàn)的更為明顯，而水泥劑量增大可以提升無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。從使用性能和經(jīng)濟(jì)性兩方面綜合考慮，采用鋼渣摻量為50%，水泥劑量為4%或鋼渣摻量為70%，水泥劑量為5%這兩種配比，均可滿足規(guī)范基層用無側(cè)限強(qiáng)度為4.0～6.0MPa的要求。

3）當(dāng)水泥劑量4%、鋼渣摻量為50%、水泥與粉煤灰的比例為1∶3時(shí)，可以達(dá)到7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為5.7MPa、最佳含水率為6.4%、最大干密度為2.566 g/cm3，滿足基層用無側(cè)限強(qiáng)度為4.0～6.0MPa的要求。

4）酒鋼鋼渣在路面基層中研究，為鋼渣的利用開辟了新的道路。