基于工業廢渣改良的水泥穩定碎石基層復合料性能研究

中圖分類號：U416;TQ171.4＼*18 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）10-0094-04

Research on the performance of cement stabilized macadam base composite material based on industrial waste residue improvement

WANGYi

（Yuzhou Highway Maintenance Engineering Co.，Ltd.，Xuchang 46167o，Henan China）

Abstract：Two kinds of industrial waste slag，flyashand blast furnace slag，wereadded to cementstabilized crushed stone by single mixing and mixing.Based onlaboratory tests such as unconfined compressive strength，splitting tensile strength，dryshrinkage and fatigue，the influenceofflyash and blastfurnaceslag on the properties of cement stabilized crushed stone base material was systematically studied.The results show that the mechanical strengthofcementstabilized crushed stone increaseswiththeincreaseofcuringage，whilethedryshrinkage coefficient increases first and then decreases.Singleaddition offlyash or blastfurnace slag can improve the mechanical strength，dryshrinkage characteristics and fatigue lifeofcement stabilized crushed stone.Flyash improved cement stabilized crushed stoneonlyhas better splitting tensile strength anddryshrinkage characteristics than blast furnace slag in the later stage，while other performance indicators are worse than performance.Because the compound additionoflyashand blast furnace slagcan givefull playtothefilling，ball andsecondary pozzolanic effectsof the two，the comprehensive performance of the composite modified cement stabilized macadam is the best.By comprehensive consideration，it is recommended to use 2% fly ash and 4% blast furnace slag for compound addition and improvement，which is conducive to improving the performance and service life ofcement stabilized macadam.

KeyWords：industrial waste residue;cement stabilized crushed stone;mechanical strength;dry shrinkage characteristics;fatigue life

現階段，我國對生態環境保護力度逐漸增大，使得傳統的建筑材料已經無法滿足現有工程建設的需要，發展新型建筑材料代替傳統材料對實現可持續發展具有重要意義[1-3]。水泥穩定碎石作為典型的半剛性基層材料，被廣泛應用于高等級公路路基結構中[4-5]。如將一些工業廢渣科學摻人水泥穩定碎石中，不僅能解決礦料短缺、廢渣處理等問題，同時也對綠色可持續建筑行業的發展提供有力保障6]。近年來，國內學者在工業廢渣改良水泥穩定碎石基層材料方面進行了不少研究，如王英帥考察了鋼渣摻量對水泥穩定鋼渣碎石力學強度的影響規律，認為適宜的鋼渣有利于提升水泥穩定碎石的力學強度；秦陽研究發現適宜的磷石膏摻配比例能夠有效提升水泥穩定碎石的路用性能；張立群等研究了鐵尾礦砂對再生水泥穩定碎石路基力學性能及溫縮性能的影響規律，發現 45% 的鐵尾礦砂能夠有效提高再生水泥穩定碎石的力學強度，但對溫縮性能影響并不明顯；雷蕾等[研究發現摻入粉煤灰或聚丙烯纖維均有利于提升再生水泥穩定碎石材料的無側限抗壓強度、裂抗拉強度、干縮性能及劈裂壽命，而兩者復摻改良可使再生骨料的摻量增高約 50% 。本文將粉煤灰和高爐礦渣兩種工業廢渣單摻、混摻至水泥穩定碎石中進行改良，采用無側限抗壓強度、劈裂抗拉強度、干縮及疲勞等室內試驗，研究了粉煤灰與高爐礦渣對水泥穩定碎石基層材料性能的影響規律，旨為工業廢渣改良水泥穩定碎石材料的推廣與應用提供指導及參考。

1試驗部分

1.1 原材料

P·042.5級普通硅酸鹽水泥（某水泥有限公司）。

工業廢渣：粉煤灰（FA）和高爐礦渣（BS）兩種工業廢渣，其中FA的燒失量為 3.5% ，細度（ 45μm 方孔篩篩余）為 23% ，需水比為 102% ，活性指數為 87.5% ，細度模數為 14.6% ;BS的密度為 2.91g?cm^-3 ，比表面積為 423m²?kg^-1 ，燒失量為 1.91% ;2種活性粉末的各項技術性質均滿足JTG3432—2025《公路工程集料試驗規程》要求。

集料：粗細集料均選用天然石灰巖，其粒徑范圍為 0～31.5mm ，壓碎值為 20.3% ，軟石含量為 1.86% ，針片狀含量為 5.92%，0.075mm 以下粉塵含量為 0.77% 。

1.2 試驗方案

水泥穩定碎石的級配采用JTG/TF20—2015《公路路面基層施工技術細則》中推薦的級配中值進行設計，其級配曲線具體如圖1所示。

試驗中水泥劑量按照JTG/TF20—2015推薦范圍選擇為 4% ，FA和BS采用單摻、復摻的方式添加到水泥穩定碎石基層材料中，單摻與復摻摻量均為占混合料總質量的 6% ，具體的配比組合方案如表1所示。通過采用室內振動擊實試驗確定出水泥穩定碎石各配比的最佳含水量和最大干密度，試驗結果如表1所示。

表1水泥穩定碎石配比組合及擊實試驗結果 Tab.1Resultsofcementstabilizedgravelratio combinationandcompactiontest

由表1可知，水泥穩定碎石的最大干密度在摻入FA和BS后出現了明顯的增大，說明2種活性粉末在混合料內部起到良好的填充作用，使得結構變得更為緊密，因此需水量也隨之增大；不同組合方案下水泥穩定碎石的最大干密度從大到小依次為： 6%BSgt; 2%FA+4%BSgt;3%FA+3%BSgt;4%FA+2%BSgt;6% FAgt;PT ，表明單摻BS水泥穩定碎石的最大干密度大于單摻FA和復摻 FA+BS ，原因是BS的細度較于FA更大，能夠更加充分地填充于混合料內部孔隙中，故單摻BS的最大干密度最大。研究基于靜力壓實的方法成型水泥穩定碎石試件，并分別對其展開無側限抗壓強度、劈裂抗拉強度、干縮及疲勞試驗研究。

2 結果與分析

2.1 無側限抗壓強度

水泥穩定碎石的無側限抗壓強度試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著養護齡期的增長，不同水泥穩定碎石的無側限抗壓強度逐漸增大，在相同養護齡期下，不同類型改良水泥穩定碎石的無側限抗壓強度從大到小依次為： 6%BSgt;2%FA+4%BSgt;3%FA+ 3%BSgt;4%FA+2%BSgt;6%FAgt;PT ，說明FA與BS單摻、復摻均能一定程度提高水泥穩定碎石的無側限抗壓強度，其中單摻BS對無側限抗壓強度的提升效果表現最佳，其次為復摻FA和BS，而單摻FA則表現較差。FA與BS都屬于活性粉末狀材料，具有良好的填充和二次火山灰反應作用，因此摻入FA與BS均能提高水泥穩定碎石的抗壓強度[12-13]；相較于FA而言，BS的孔隙填充效果較優且二次火山灰反應更快，故對水泥穩定碎石抗壓強度的提升效果更為明顯；對于復摻FA和BS而言，當BS的摻加比例愈大，混合料內部孔隙填充越充分，故而水泥穩定碎石的抗壓強度的變化規律隨著BS摻量比例的增大逐漸提高。

2.2劈裂抗拉強度

水泥穩定碎石的劈裂抗拉強度試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，不同水泥穩定碎石的劈裂抗拉強度均隨著養護齡期的增長逐漸增大，其中在28d齡期前，單摻BS水泥穩定碎石的劈裂抗拉強度表現最好，而當養護齡期超過28d后，單摻BS水泥穩定碎石的劈裂抗拉強度則被復摻及單摻FA反超。FA與BS單摻、復摻均能提高水泥穩定碎石的劈裂抗拉強度，由于FA顆粒較大，使得其孔隙填充作用和二次火山灰反應速度均弱于BS，因此摻入FA不能明顯提升水泥穩定碎石的早期抗拉強度，但在28d齡期后，FA的火山灰效應和滾珠效應得到充分發揮，從而有效改善了混合料的劈裂抗拉強度；BS因比表面積較大，使得其拌和過程中需水量較多，但結合料中水分過多會在一定程度上削弱膠凝材料與集料間的粘結性，從而對劈裂抗拉強度產生不利影響[1415];FA與BS復摻可以很好的集合兩者優點，促使水泥穩定碎石具備更好的早、后期抗拉強度。

2.3干縮性能

水泥穩定碎石的干縮試驗結果如圖4所示

由圖4可知，隨著養護齡期的增長，不同復合改良水泥穩定碎石基層材料的干縮系數均呈先增大后減小變化，其中在7d養護齡期前，水泥穩定碎石的干縮系數有所增大，原因是拌合料水分散失引起體積出現干燥收縮，從而致使干縮性能降低，而當養護齡期超過7d后，水泥穩定碎石的十縮系數逐漸下降直至趨向平穩，原因是水泥穩定碎石的失水減小，加之自身強度逐漸增大，有利于提高抵抗干縮變形的能力，故干縮系數逐漸減小[16-18]。FA、BS的單摻或復摻都能一定程度改善水泥穩定碎石的干縮性能，其中復摻水泥穩定碎石的改善效果最明顯，單摻FA次之，而單摻BS則相對較微，分析原因為BS所需水量較多，在硬化時容易出現失水現象，而FA具有良好的火山灰和滾珠效應，能夠減小水分損失，促進了水泥穩定碎石抵抗干縮變形的能力；由于復摻改良水泥穩定碎石的拌和需水量同樣較小，且結構密實度及強度均較高，因此其抵抗干縮變形的能力相對最佳。

2.4 疲勞性能

水泥穩定碎石的疲勞試驗通過采用萬能試驗機對試件進行正弦波加載，加載頻率為 5Hz ，應力強度比為0.65，加載溫度為 10% ，疲勞壽命試驗結果如圖5所示。

由圖5可知，不同改良水泥穩定碎石的疲勞壽命次數從大到小依次為： 2%FA+4%BSgt;3%FA+3% BSgt;4%FA+2%BSgt;6%BSgt;6%FAgt;PT ，其中單摻FA和BS的疲勞壽命較于普通水泥穩定碎石分別增長了 27.4%.33.2% ，而三種復摻改良水泥穩定碎石則較之分別增長了 49.9%.47.6%.36.8% ，說明FA與BS單摻、復摻均能提升水泥穩定碎石的疲勞壽命，且復摻對疲勞壽命的改善效果較為明顯，原因是復摻改良水泥穩定碎石的結構密實度好且強度較高，故抵抗疲勞破壞的能力相對較優。

3結語

（1）隨著齡期的增長，改良水泥穩定碎石基層材料的無側限抗壓強度和劈裂抗拉強度均呈逐漸增大變化，而干縮系數則呈先增大后減小變化；（2）FA和BS的摻人均能改善水泥穩定碎石的力學強度，單摻BS改良水泥穩定碎石的無側限抗壓強度及早期劈裂抗拉強度表現較好，單摻FA的后期劈裂抗拉強度比單摻BS較優；（3）單摻FA與BS均能提升水泥穩定碎石的干縮特性及疲勞壽命，FA對干縮變形的改善效果要優于BS，而對疲勞壽命的改善效果則較BS略差；

（4）FA與BS復摻能夠充分發揮兩者的優勢，可大幅優化水泥穩定碎石基層材料的力學性能、干縮性能及疲勞耐久性；綜合各項性能考慮，推薦采用 2% 的FA與 4% BS復摻改良，有利于提升水泥穩定碎石的使用性能及壽命。

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