水泥穩定爐渣基層的組成及路用性能的研究

劉洋章 劉 洋 劉斯奇 姚旭亮 呂國棟

（1.屯留區交通建設工程質量監督站，山西 長治 046100 ；2.屯留區土地整理中心，山西 長治 046100 ；3.屯留區農村公路養護中心，山西 長治 046100 ；4.林州譽峰建筑工程有限公司，河南 安陽 456550 ）

0 引言

隨著環保形勢的日益嚴峻，傳統的砂石骨料禁止亂采，導致形成不同區域范圍內砂石價格上漲，供不應求，對我國土木工程領域基礎設施建設造成很大的沖擊。與此同時，山西省“一煤獨大”的產業結構造成廢棄的爐渣、煤矸石等材料隨意傾倒，造成環境污染。解決爐渣隨意傾倒的問題迫在眉睫。

1 煤基油爐渣特性

根據以上實驗數據可得：爐渣經高溫燒結而成，物理化學性能較穩定，最大粒徑小于50mm,通過破碎整形、篩分可制成滿足路面基層要求的連續級配料。但是該爐渣的壓碎值僅為40%，達到了三級路路面基層用集料對壓碎值要求的上限。

2 水泥穩定爐渣組成設計與性能研究

2.1 爐渣集料級配設計

用水泥穩定三種級配爐渣，水泥用量為96kg/m,其擊實曲線與7d 無側限抗壓強度見圖1 和表2。

圖1 不同級配爐渣混合料擊實曲線

表2 不同爐渣級配混合料強度結果（R7）

備注：成型壓實度為97%

試驗結果表明：

(1) 由于爐渣輕質、且吸水量大，使得水泥穩定爐渣的最大干密度僅1.6kg/m,最佳含水量接近11%-14%;

(2) 隨著爐渣級配細化，最佳含水量升高，而最大干密度與7d 強度以水泥穩定中級配為好。但整體而言，級配變化對最大干密度與最佳含水量影響較小，而對7d 強度影響較大。水穩中級配爐(水泥用量96kg/m,相當于4%水泥穩定碎石的用量)，其7d 強度達到4MPa,比水穩粗級配爐渣提高23%，比水穩細級配爐渣提高33%，可見選擇適中的懸浮密實結構有利于提高強度。

2.2 水泥劑量對水穩爐渣性能的影響研究

保持爐渣集料級配不變，改變水泥劑量，探究水泥劑量對水穩爐渣的性能影響，實驗結果見表3。

表3 不同水泥劑量水穩爐渣性能比較

圖2 水穩爐渣強度隨水泥劑量變化趨勢圖

實驗結果表明，隨著水泥劑量不斷增加，混合料最佳含水量和最大干密度逐漸增大，抗壓強度也隨之增大?；旌狭?d 無側限抗壓強度與水泥劑量呈線性相關，而且增長速率較快，這是因為爐渣集料本身粘結性較差，在水泥劑量較低時，試件粘結性較差甚至難以成型使得強度很低，而當水泥劑量増加到一定值時，水泥在物理粘結和化學粘結兩方面聯合作用，使強度呈快速增長趨勢。

2.3 延遲時間對水穩爐渣性能的影響研究

現拌混合料從拌合站運往施工現場需要一定時間，而水泥一旦初凝將會影響碾壓后的強度，為探究水穩爐渣的允許延遲時間，測定了水泥劑量6.5%時，混合料現拌、延遲2h、延遲3h 的強度變化(見表4）

表4 不同延長時間成型試件R7強度

從實驗結果來看，延遲2h 會使試件強度略有降低，但降低幅度較??；若延遲時間超過3h,水泥部分已經水化使得骨料顆粒之間的膠結不緊密，試件成型的完整度降低，從而導致抗壓強度降低約1MPa。因此施工過程中選擇了離試驗路較近的拌合站，控制混合料在出廠后3h 以內運往施工現場并馬上進行碾壓。

2.4 成型壓實度對水穩爐渣性能的影響研究

為探究成型壓實度對水穩爐渣的影響，在含水量和干密度相同的條件下，分別按照96%、97%、98%的壓實度成型試件并測定了強度，實驗結果見表5。

表5 不同壓實度無側限抗壓強度比較（R7 ）

可以看出，隨著壓實度的提高，壓實所需的最大壓力不斷增加，壓實度98%時，試件難以壓成標準高度試件；而且隨壓實度增加，材料強度呈輕微下降趨勢。

3 水泥穩定爐渣路面基層路用性能研究

2018年11 月24 日，在屯留城區-老爺山-屯絳水庫旅游路K7+950-K8+050修筑了100 米試驗段。7 天后進行轉芯取樣，其強度均達到6-7MPa。

3.1 水泥穩定爐渣目標配合比的確定

將取自屯留區潞安煤制油的爐渣通過破碎篩分工藝篩分成0-5mm;5-15mm;15-25mm 三檔粒料，各檔粒料級配見表6。

表6 爐渣集料合成配比

水泥穩定爐渣配合比為：水泥劑量為8%（外摻），實際水泥用量125kg/m 3 ，爐渣集料比例為0-5mm；5-15mm；15-20mm=50%；25%；25%，混合料級配基本滿足《細則》C-C-3 水穩基層要求的碎石級配。

3.2 水泥穩定爐渣混合料攪拌

水泥穩定爐渣混合料委托當地某拌合站加工。在拌合站測定了爐渣集料的含水量13%，計算出實際外加水量2%，較最佳含水量提高1%。

為了檢測拌合站拌合料含水率、水泥劑量以及拌合的均勻性，取2 個混合料樣本對上述指標進行檢測，并通過單點擊實確定干密度后成型試件測定無側限抗壓強度，壓實度97%，試驗結果見表7。

表7 混合料含水量、水泥劑量及強度目標值與實測值

試驗結果表明：

（1）混合料攪拌均勻，生產樣水泥劑量與含水量與目標值接近，均在控制范圍內，符合要求。

（2）混合料90%保證率下7d 強度最低值6.1Mpa，大于實驗室制樣達到最大值5.4MPa，完全滿足《細則》高等級路面對基層材料的要求。

3.3 運輸與攤鋪、碾壓

運輸采用傳統的自卸車加蓋篷布，由于運距較遠，實際運輸時間約為3小時，混合料到達現場時已有結塊現象，但未影響攤鋪和碾壓。

經觀測表面粗粒爐渣有壓碎現象，但由于采用了懸浮密實結構，內部粗顆粒爐渣形態完好。為了避免過壓，在右半幅施工時，減少了一遍振壓。碾壓完成后基層表面有部分被壓碎的白色顆粒，但表面粗糙平整，沒有泛漿現象。

3.4 養生與檢測

養生采用專用養生膜覆蓋養生，養生期間沒有灑水，但養生膜內明顯可見掛滿水珠。碾壓完成后采用灌砂法檢測壓實度，養生期達到7 天進行轉芯取樣測定強度。

表8 不同碾壓工藝壓實度及取芯強度結果

試驗結果表明：

（1）基層含水量與目標值接近，左幅振壓4 遍的壓實度達到99%，右幅振壓3 遍壓實度達到97.5%。

（2）7d 轉芯（平均氣溫10℃）的芯樣完整，內部爐渣未見壓碎現象。左幅強度為6.2MPa，右幅強度為7.3MPa,基本與實驗室成型標準養護一致。

（3）90d 轉芯（最低氣溫17℃）的芯樣無凍裂現象出現。左幅強度11.9MPa，右幅強度11.9MPa,較7d 強度增長近一倍。

4 結語

在經過實驗室系統的研究后，水泥穩定爐渣路面基層試驗路已順利鋪筑。從攤鋪碾壓工藝方面來看，水泥爐渣與現有施工工藝適應性良好，無需增加額外工藝；在覆膜養生期間，由于爐渣吸水特性，養生效果明顯；而從性能指標上來看，拌合站混合料現場取樣送檢報告顯示，兩樣品90%保證率下的7d 無側限抗壓強度為6-7MPa，而7d 轉芯取樣強度最低值6.1MPa,完全滿足高等級公路基層強度的要求。由此可見，水泥穩定爐渣路面基層材料可以在公路建設領域大面積推廣使用。