干旱寒冷地區水泥穩定鋼渣碎石基層特性研究

辛德軍，劉志強，冀 欣，盛燕萍，龍云飛，陳華鑫

(1.包頭交通投資集團有限公司，內蒙古 包頭 014030；2.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710064；3.交通鋪面材料教育部工程研究中心，陜西 西安 710064；4.包頭市公路規劃勘察設計有限公司，內蒙古 包頭 014040)

0 引 言

新渣排放和老渣堆積等問題已困擾中國鋼鐵廠多年，不僅占用土地還污染環境，給企業的生產發展帶來很大困難，如何合理高效處理廢渣成為當今關注的突出問題[1-3]。中國90%以上的高速公路采用以水泥為代表的無機結合料穩定材料作為基層，但是隨著國家基建規模不斷擴大，加之道路養護和建設任務需要大量石料，而今石料短缺現象嚴重[4-5]。中國內蒙古地區因干旱寒冷、日溫差大等不良氣候條件，半剛性基層施工困難及傳統基層已不能滿足交通荷載對其強度、剛度和承載能力的要求[6-7]。在國家“交通強國”建設重大戰略和“十四五”發展規劃中明確提出提升道路品質的大背景下，如何解決上述問題是目前研究的熱點之一。

針對半剛性鋼渣基層性能的影響，國內外學者進行了大量研究。馮英群等研究了昆鋼陳化轉爐渣在昆明繞城高速公路工程中的應用，結果表明施工現場基層試件最佳含水量率為8.3%，7d無側限抗壓強度值為3.4 MPa，鋼渣可改善基層的抗干縮性能[8]；鄭武西等研究了日鋼鋼渣半剛性基層的力學性能，60%鋼渣摻量(質量比)的基層其無側限抗壓強度、劈裂強度和抗壓回彈模量得到極大提升，鋼渣不利于基層溫縮性能的改善[9]；黃浩等研究了浙鋼未陳化的新渣在基層中的應用，得出鋼渣中摻入0.5%硅灰后，浸水膨脹率從2.69%降低到0.2%，且75%鋼渣摻量(質量比)的基層混合料較普通水穩碎石基層抗凍系數提高約5.9%[10]。對特殊寒冷地區的半剛性基層研究，多數學者大都研究了傳統碎石水穩基層在低溫養護環境下的路用性能。盛燕萍等研究了不同養護溫度下早強型水穩碎石的早強低收縮特性，-5 ℃養護環境下早強型水泥碎石基層比傳統基層早期抗壓強度和劈裂強度分別提高33%和49%，15～-5 ℃變溫養護環境下分別提高32%和28%[11]。徐安花研究了高寒地區水穩砂礫的抗凍性能，細級配水穩砂礫材料較粗級配表現出更優的抗凍性能，且振動成型的基層材料抗凍性能更好，抗凍性能因素的影響程度依次為成型方法>水泥劑量>級配類型[12]。LI等研究了水穩鋼渣碎石的干縮和溫縮特性，發現鋼渣摻入會減小基層干縮應變，且不會產生較大溫縮應變[13]。水穩鋼渣基層的性能研究已經很多，但大多是針對常溫環境條件，針對干燥寒冷環境下鋼渣基層強度的形成和收縮性能研究很少，且多數學者忽略了鋼渣密度大導致設計級配與目標級配不符的問題。在《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)[14]中指出：水泥穩定粗粒土作基層時，水泥劑量不宜超過6%，且施工日期最低氣溫應在5 ℃以上，冰凍地區應在第1次重冰凍(-3 ～-5 ℃)到來之前半個月到一個月完成施工。以內蒙古地區為例，氣溫大致可分為4個區[15]，即第1區為西部，第2區為中部，第3區為東南部，第4區為北部，各區各季節1951—1995年氣溫變化平均值見表1，從中可以看出內蒙各區年平均溫度在0～6 ℃，而最適合基層施工的春秋季溫度在0～10 ℃。當在低溫、降溫及干燥地區施工時，基層強度形成困難且易產生裂縫，裂縫反射到路面時形成反射裂縫，會嚴重影響路面使用質量和壽命[16]。

表1 內蒙古各區氣溫平均值 ℃

根據內蒙全季氣候條件以及基層最低施工溫度，針對內蒙干旱寒冷地區鋼渣基層的力學和收縮特性展開系統研究。采用體積設計方法將不同水泥劑量和不同比例的鋼渣與碎石摻配，根據無側限抗壓強度值對配比進行了優選。對優選的水泥穩定鋼渣碎石基層在低溫和變溫養護條件下的無側限抗壓強度、間接抗拉強度和收縮性能進行了研究(圖1)。

1 材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥

采用陜西咸陽冀東水泥廠生產的P·C 32.5級硅酸鹽水泥，密度為3.14 g/cm3(表2)。

表2 水泥技術指標

1.1.2 集料

集料選用鋼渣和石灰巖碎石2種，其中鋼渣來自內蒙古包頭鋼廠的熱悶鋼渣，碎石來自陜西禮泉所產的石灰巖。鋼渣表面多孔粗糙，一定程度上提高了骨料間的嵌擠能力(圖1)。礦物組成和化學組成如圖2和圖3，從礦物組成來看鋼渣中含有C3S和C2S，這使得其具有一定的水化潛力。另外還含有鐵氧體及難溶的RO相；化學成分上，CaO,SiO2和Al2O3含量較高，一定程度上有助于體系中鋁硅酸鹽凝膠的形成(表3)。

表3 集料技術性質

圖1 鋼渣及表面微觀構造

圖2 鋼渣礦物組成

圖3 鋼渣化學組成

1.2 試驗方案

研究設水泥劑量為4%，5%和6%，鋼渣摻量為0%，45%，65%和85%(體積比)。將水泥和鋼渣組成的水泥穩定鋼渣碎石基層試件按照《無機結合料穩定材料試驗規程》[17]分別進行擊實試驗并測試7 d標準養護齡期下的無側限抗壓強度，根據試驗結果優選出水泥劑量和鋼渣摻量。

在優選的水泥劑量和鋼渣摻量下，將靜壓成型的φ150 mm×150 mm圓柱體基層試件在3種不同養護條件下養護，既標準養護(溫度為20±2 ℃，濕度為95%)，-5 ℃低溫養護和15～-5 ℃變溫環境箱養護。變溫養護時，設置15，10，5，0和-5 ℃共4個溫度梯度，環境箱初始溫度設為15 ℃，每個溫度梯度保溫2 h，降溫速率為0.5 ℃/min。低溫養護時，濕度難以控制固不嚴格要求。每種養護條件下設試驗組(摻鋼渣)與對照組(不摻鋼渣)，按照《無機結合料穩定材料試驗規程》進行1，3，7和28 d無側限抗壓強度及7，14，28和60 d間接抗拉強度測試。

將在20 ℃、5 ℃和0 ℃養護規定齡期的(環境濕度設置為50%，0 ℃時濕度不作嚴格要求)100 mm×100 mm×400 mm中梁基層試件按照《無機結合料穩定材料試驗規程》進行收縮試驗。試驗時將梁式試件兩端固定千分表，在對應齡期下讀取千分表讀數，以收縮應變作為控制指標(圖4)。

2 配合比設計

2.1 級配設計

根據《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)[14]中水泥穩定碎石級配的相關要求，選用能夠發揮骨架嵌擠作用的C-B-3型骨架密實級配。因鋼渣密度較大，若按質量比作為體積比，會造成合成級配與目標級配的誤差，固本研究在級配設計中使用體積法設計。四檔鋼渣1#鋼渣(0～4.75 mm)，2#鋼渣(0～9.5 mm)，3#鋼渣(5～16 mm)，4#鋼渣(9.5～31.5 mm)和三檔石灰巖1#石灰巖(0～9.5mm)，2#石灰巖(9.5～19 mm)，3#石灰巖(19～31.5 mm)摻配成符合基層級配要求的混合料。各檔骨料篩分情況見表4，0%,45%,65%及85%(體積法)鋼渣摻量的基層級配設計見表5。

表4 每檔骨料級配

表5 基層材料骨架密實型級配設計

采用重型擊實試驗，分3層且每層擊實98次，3種水泥劑量(4%、5%和6%)和4種鋼渣摻量(0%，45%，65%和85%)組成的基層混合料及實試驗結果見表6。

表6 鋼渣基層混合料的最佳含水率和最大干密度

2.2 配合比優選

基于擊實試驗結果，將不同配比混合料靜壓成型圓柱體試件，并在標準養護條件下測試7 d無側限抗壓強度(表7)。

由表7可見，水泥摻量增加，鋼渣基層試件7 d無側限抗壓強度均有所提高；基層7 d抗壓強度隨鋼渣摻量增加呈現先增大后減小的趨勢，65%鋼渣摻量的基層試件抗壓強度最高，鋼渣表面孔隙富集，孔隙增多會吸附水泥阻礙其水化，即使鋼渣自身水化會提高基層強度，但水泥是混合料增強的主要途徑。根據《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)[18]要求，4%水泥劑量的鋼渣基層只滿足高等級公路的中、輕交通量需求，與極重、特重交通量所需的7 d無側限抗壓強度還相差甚遠，固本研究選取5%和6%水泥劑量，45%和65%鋼渣摻量的基層配比進行不同養護溫度下力學和收縮特性的研究。

表7 7 d無側限抗壓強度

3 干旱寒冷地區鋼渣基層特性

針對內蒙古地區溫度特點，模擬干旱寒冷氣候下鋼渣基層養護條件，設計了20 ℃(常溫)、-5 ℃(低溫)和15～-5 ℃(變溫)養護環境，研究特定養護條件下鋼渣基層試件的強度特性和收縮特性。

3.1 無側限抗壓強度

無側限抗壓強度為軸向施加壓力與試驗接觸面積的比值，為各等級公路設計的最重要指標[19]。圖4為不同養護條件下5%和6%水泥劑量的鋼渣基層無側限抗壓強度，增加水泥劑量或鋼渣摻量均能提高鋼渣基層的抗壓強度，水泥劑量對增強的提升效果更加明顯；無論何種水泥摻量，不同養護溫度下鋼渣基層抗壓強度均隨養護齡期的增加而增大，且后期強度提升幅度較大；鋼渣基層抗壓強度隨養護溫度的降低而減小，20 ℃養護溫度下強度最高，-5 ℃下強度最低。當水泥劑量為5%且養護溫度分別為20 ℃、-5 ℃和15～-5 ℃時，鋼渣基層(65%鋼渣摻量)較普通碎石基層1，3，7和28 d強度分別提高了80%，66.7%，25%和15.2%，75.7%，66.7%，62.5%和35.7%，87.5%，57.9%，25%和24.4%；65%鋼渣摻量較45%鋼渣摻量混合料在20 ℃，-5 ℃和15～-5 ℃養護下7 d抗壓強度分別提高20%，56.3%和25%。當水泥劑量為6%時，65%鋼渣摻量基層較同鋼渣摻量的5%水泥劑量基層在20℃，-5℃和15～-5 ℃條件下的7 d抗壓強度提高18.2%，18.5%和20%，并且-5 ℃養護條件下65%鋼渣摻量基層7 d抗壓強度可達3.2 MPa。養護前期，在水泥和鋼渣共同水化的作用下，水化產物迅速填充并與骨料緊密粘結形成致密結構，鋼渣基層1和3 d抗壓強度提高明顯。養護中后期，水泥和鋼渣水化趨于完全，基層強度增幅較小。在低溫及變溫養護時，鋼渣基層抗壓強度低于標準養護強度，說明溫度仍然是影響抗壓強度的主導因素。另外，變溫養護鋼渣基層抗壓強度增幅最低，這與鋼渣水化產物和次生礦物對溫度較碎石敏感有關。鋼渣基層在低溫養護下強度增幅高于標準養護，說明相比于碎石，鋼渣在低溫環境下對基層抗壓強度的改善更有效。

圖4 不同養護條件下5%和6%水泥劑量鋼渣基層無側限抗壓強度

3.2 間接抗拉強度

間接抗拉強度又稱劈裂強度，可反映材料的內部的破壞，即彎拉破壞[20]。圖5為不同養護條件下5%和6%水泥基層的間接抗拉強度，劈裂強度與抗壓強度各齡期變化規律類似。同一養護溫度下，劈裂強度隨水泥劑量或鋼渣摻量的增加而增大，且均隨養護齡期的增長而增加，養護前期強度增長速率較快，后期趨于平緩；同溫度、齡期、水泥劑量和鋼渣摻量下，鋼渣基層劈裂強度始終優于普通水穩碎石基層；劈裂強度隨養護溫度的降低而逐漸減小。5%水泥劑量下，20 ℃，-5 ℃和15～-5 ℃養護28 d時65%鋼渣摻量基層較普通水穩基層劈裂強度均值提高20.9%，30.7%和25.7%，而6%水泥劑量分別提高18.7%，29.9%和25.9%，-5 ℃時鋼渣基層劈裂強度增幅最大，但與其他養護溫度下的強度值相比還低很多。另外，5%水泥劑量下，20 ℃，-5 ℃和15～-5 ℃養護28 d時65%鋼渣摻量基層劈裂強度較45%鋼渣摻量基層分別提高8.5%，11.8%和10.7%，6%水泥劑量下則為7.7%，10.1%和8.6%。低溫和變溫養護環境下尤其是-5 ℃時，劈裂強度隨鋼渣中鐵鋁酸四鈣(C4AF)含量的增加而明顯增大，而變溫下鋼渣中溫度敏感礦物會阻礙其水化進程。以上說明，鋼渣確實可以提高基層低溫下的劈裂強度，同時，鋼渣水硬性在養護14～28 d時才被激發使基層劈裂強度增加迅速。

圖5 不同養護條件下5%和6%水泥劑量鋼渣基層間接抗拉強度

3.3 收縮性能

圖6為不同養護條件鋼渣基層收縮應變與養護齡期的關系。鋼渣基層收縮應變隨養護齡期的增加呈上升趨勢，開始增速較快，后期趨于平緩；5%水泥劑量的鋼渣基層試件收縮應變總體上小于6%水泥劑量的鋼渣基層試件；同養護條件和水泥劑量，鋼渣基層的收縮應變隨養護溫度的降低而增加，并且鋼渣基層抗收縮性的能力隨溫度降低而逐漸減弱。以65%鋼渣摻量為例，6%水泥劑量的鋼渣基層在20，5和0 ℃養護溫度下的收縮應變較5%水泥劑量鋼渣基層相比，分別提高22%，21.4%，22.7%，而較普通水穩碎石基層分別減小63.6%，38.7%和24.5%。當水泥劑量為5%時，65%鋼渣摻量基層在20，5和0 ℃養護溫度下的收縮應變較水穩普通碎石基層減小77.1%，46.8%和29.9%，較45%鋼渣摻量基層減小50.5%，27.7%和14.3%。水泥越多其水化需水量越大，劇烈的水反應過程會引起以毛細管收縮為主的體積收縮，而鋼渣中所含有的f～CaO和f～MgO遇水生成Ca(OH)2和Mg(OH)2致使體積膨脹，在一定程度上限制了基層的收縮。另外，水泥水化產物與鋼渣粗糙表面的結合效果優于碎石，其次鋼渣集料微弱水化所形成的產物也會與水泥水化產物交織在一起，這有利于抗收縮。隨著養護溫度的降低，鋼渣改善基層抗收縮的能力減弱，鋼渣改善基層抗收縮的能力減弱，這與低溫環境濕度不足以及混合料缺乏為鋼渣膨脹所提供的自由水有關。溫度和濕度降低，混合料水化速率減緩且層間水開始蒸發，晶格間距變小，導致其宏觀體積收縮。綜上可知，增大水泥劑量更容易導致基層收縮開裂，基層中摻入鋼渣可以改善基層的抗收縮性能，尤其是在20和5 ℃養護溫度更為明顯。

圖6 不同養護條件下5%和6%水泥劑量鋼渣基層收縮應變

4 結 論

1)鋼渣對基層整體強度尤其是早期強度有所改善。在-5 ℃養護環境下，鋼渣基層強度提升幅度最大，且6%水泥劑量與65%鋼渣摻量組成的基層材料7 d無側限抗壓強度可達3.2 MPa，即使是按規范中最低施工溫度養護，強度仍滿足要求。

2)鋼渣水化及C4AF礦物對基層劈裂強度提升作用明顯。由于鋼渣水化產物和次生礦物對溫度較為敏感，所以相比較于其他養護條件，變溫養護條件下鋼渣基層劈裂強度較普通水穩碎石基層提高幅度較小。

3)基層中摻入鋼渣可減小因其收縮而引起的開裂問題。鋼渣遇水產生的微膨脹一定程度上可改善基層的抗收縮性能，在20和5 ℃養護溫度下最為明顯。

4)通過對不同養護溫度下水泥穩定鋼渣碎石基層特性分析，建議水泥劑量5%，鋼渣摻量65%。為進一步研究基層特性，建議增加相關鋼渣基層膨脹特性研究。可結合SEM和XRD等微觀測試手段，揭示鋼渣水化對基層特性影響的作用機理。