不同鋼渣砂摻量的水泥穩(wěn)定基層試驗研究

張承業(yè)，李紅明，蘭素戀,3,4

(1.廣西長興工程建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530201；2.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007；3.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；4.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023)

0 引言

近十年來，我國的交通建設(shè)飛速發(fā)展，預(yù)計到2035年，我國基本建成“交通強國”。公路工程是我國交通建設(shè)的重要組成部分，至2030年計劃建成高速公路及普通國道40.1萬km[1]。然而，公路建設(shè)需要大量的人力、物力，總建設(shè)投資中材料費占比較大，尤其需要大量的砂石，但目前砂石材料匱乏，天然河砂已經(jīng)出現(xiàn)過度開采，且部分地區(qū)出現(xiàn)了因過度開采砂石而引發(fā)的自然災(zāi)害，因此，尋找新的砂石替代資源已迫在眉睫。

鋼渣是鋼鐵冶煉過程中的副產(chǎn)品[2]。隨著需鋼量的逐漸增大，鋼渣的產(chǎn)量也越來越多。據(jù)統(tǒng)計，截止至2018年，我國的鋼渣產(chǎn)量接近1億t，堆存量已達(dá)17億t[3-4]，因此，鋼渣的處理已成為鋼鐵工業(yè)目前要解決的重大問題之一。與發(fā)達(dá)國家相比，我國的鋼渣利用率較低，綜合利用率僅為30%左右[5]，主要在道路工程中用量較大，而美國對鋼渣在公路工程建設(shè)的利用率達(dá)80%以上[6]。將鋼渣用于道路工程，一方面可將鋼渣“變廢為寶”，實現(xiàn)鋼渣的資源化利用，從而降低公路集料的消耗，減少因天然砂石開采對生態(tài)環(huán)境造成的破壞；另一方面也可以促進(jìn)交通工程綠色發(fā)展。

本文考慮在基層混合料中摻入鋼渣砂，研究鋼渣砂摻量對水泥穩(wěn)定碎石基層混合料無側(cè)限抗壓強度及水穩(wěn)定性能的影響，為鋼渣在公路基層中的設(shè)計應(yīng)用提供參考。

1 原材料及摻鋼渣砂水泥穩(wěn)定基層的配合比

1.1 水泥

水泥采用P·O42.5硅酸鹽水泥，水泥技術(shù)指標(biāo)滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)[7]。7 d抗壓強度為42 MPa，28 d抗壓強度為49 MPa，煮沸法安定性合格。

1.2 粗集料

粗集料采用10～20 mm、5～10 mm兩檔，由石灰?guī)r經(jīng)過破碎加工而成，表觀密度為2.68 g/cm3，針片狀含量<8%，壓碎值為5.5%，24 h的吸水率為0.4%，0.075 mm以下粉塵含量較低<1%，物理力學(xué)性能良好，各項指標(biāo)滿足高速公路用粗集料技術(shù)要求。

1.3 細(xì)集料

(1)機(jī)制砂

機(jī)制砂為石灰?guī)r材質(zhì)人工破碎砂，表觀密度為2.7 g/cm3，0.075 mm以下含量塑性指數(shù)為8，壓碎值為6%，堅固性為1%，含泥量<0.5%，無泥塊，物理力學(xué)性能良好，各項指標(biāo)滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG-TF20-2015)[8]對高速公路重型交通的要求。

(2)鋼渣砂

本項目所用鋼渣砂為防城港某鋼廠生產(chǎn)并在露天存放5個月后的轉(zhuǎn)爐鋼渣，主要粒徑為0～4.75 mm。經(jīng)X銀光分析顯示，該鋼渣砂主要化學(xué)成分為CaO、Fe2O3和SiO2，具體元素含量如下頁表1所示。

表1 鋼渣砂主要化學(xué)成分表(%)

參照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)[9]，取足量的鋼渣砂進(jìn)行物理力學(xué)分析，分析該鋼渣砂壓碎值為15%，堅固性為3.3%、表觀密度為3.298 g/cm3、松散堆積密度為1.84 g/cm3、空隙率為44.2%，24 h吸水率為3.4%，物理力學(xué)性能良好。參考《鋼渣穩(wěn)定性試驗方法》(GB/T 24175-2009)[10]測得鋼渣砂的浸水膨脹率為1.8%。各項指標(biāo)滿足道路用鋼渣砂應(yīng)用技術(shù)要求[11]。

1.4 鋼渣砂配合比摻量

本次試驗采用密實懸浮基層結(jié)構(gòu)，10～20 mm∶5～10 mm∶0～5 mm粗細(xì)集料按體積比0.48∶0.12∶0.4的比例混合，其中，0～5 mm細(xì)集料等體積摻入25%、50%、75%、100%的鋼渣砂替換0～5 mm機(jī)制砂集料，按比例合成后，按體積比例各篩孔級配累計通過率在C-B-2級配范圍內(nèi)。合成后的目標(biāo)配合比如表2所示。

表2 原材料級配及目標(biāo)配合比表

2 試驗結(jié)果分析

為探究摻鋼渣砂水泥穩(wěn)定基層力學(xué)特性，本文開展了不同鋼渣砂摻量的水泥穩(wěn)定基層的擊實特性、無側(cè)限抗壓強度及水穩(wěn)定性能試驗，試驗結(jié)果如下。

2.1 擊實特性

初步擬定水泥摻量為3%、4%、5%、6%這4個梯度，根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)[12]，配制不同水泥摻量下的水泥穩(wěn)定碎石混合料。如圖1所示為5%水泥劑量下?lián)?及100%鋼渣砂混合料，采用乙法進(jìn)行擊實試驗，擊實試驗相關(guān)參數(shù)如表3所示。根據(jù)擊實試驗，得到3%、4%、5%、6%的水泥摻量下不同鋼渣砂摻量的最佳含水量和最大干密度如圖2、圖3所示。

表3 擊實試驗方法及參數(shù)表

圖1 5%水泥劑量下?lián)?及100%鋼渣砂混合料示例圖

圖2 最佳含水量隨鋼渣砂摻量變化曲線圖

圖3 最大干密度隨鋼渣砂摻量變化曲線圖

圖2顯示，水泥穩(wěn)定基層混合料的最佳含水量隨水泥摻量的增加而增大，鋼渣砂摻量對水泥穩(wěn)定基層混合料的最佳含水量有較大影響，在同一水泥摻量下，最佳含水量隨著鋼渣砂摻量的增加而增大。由圖3可知，水泥穩(wěn)定基層混合料的最大干密度隨水泥摻量的增加而增大，且隨著鋼渣砂摻量的增加，最大干密度也隨之增大，鋼渣砂摻量在0～50%時的最大干密度增長速率比鋼渣砂摻量在50%～100%時的增長速率大。

2.2 無側(cè)限抗壓強度

根據(jù)上述擊實試驗結(jié)果，在最佳含水率下采用靜力壓實法分別制作不同水泥摻量下的摻鋼渣砂水泥穩(wěn)定基層混合料試件，并將試件放入溫度為20 ℃±2 ℃、相對濕度為95%以上的環(huán)境下養(yǎng)生7 d和28 d。養(yǎng)護(hù)7 d后，對0%、100%鋼渣砂摻量的6%水泥穩(wěn)定碎石試件，根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)，采用液壓式壓力機(jī)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組以13個試件檢測其無側(cè)限抗壓強度，以強度保證率系數(shù)為95%、同一組試驗變異系數(shù)<15%分別計算不同水泥摻量下的摻鋼渣砂水泥穩(wěn)定基層混合料7 d和28 d無側(cè)限抗壓強度，并將結(jié)果繪制成曲線，如圖4～5所示。

圖4 7 d無側(cè)限抗壓強度隨鋼渣砂摻量變化曲線圖

圖5 28 d無側(cè)限抗壓強度隨鋼渣砂摻量變化曲線圖

如圖4～5所示，水泥穩(wěn)定基層混合料的7 d和28 d無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量的增加而增大，鋼渣砂摻量對水泥穩(wěn)定基層混合料的7 d無側(cè)限抗壓強度影響較小，對28 d無側(cè)限抗壓強度有一定影響。在同一水泥摻量下，隨著鋼渣砂摻量的增加，水泥穩(wěn)定基層混合料的28 d無側(cè)限抗壓強度先增大后減小。在低水泥劑量(<4%)條件下，當(dāng)鋼渣砂體積摻量為50%時，水泥穩(wěn)定基層混合料的28 d無側(cè)限抗壓強度達(dá)到最大值；在較高水泥劑量(>5%)條件下，當(dāng)鋼渣砂體積摻量為75%時，水泥穩(wěn)定基層混合料的28 d無側(cè)限抗壓強度達(dá)到最大值；且在較高水泥劑量條件下的水泥穩(wěn)定基層混合料28 d無側(cè)限抗壓強度隨鋼渣砂摻量的波動幅度比低水泥劑量條件下的波動幅度大。

2.3 水穩(wěn)定性

為了進(jìn)一步研究摻鋼渣砂水泥穩(wěn)定基層混合料的水穩(wěn)定性能，定義軟化系數(shù)為同一養(yǎng)護(hù)齡期20 ℃條件下浸水48 h的無側(cè)限抗壓強度與不浸水抗壓強度的比值，來表征摻鋼渣砂水泥穩(wěn)定基層混合料在水環(huán)境下的抗壓強度穩(wěn)定性，表達(dá)式如式(1)所示。

(1)

式中：η——軟化系數(shù)；

R′a——20 ℃條件下浸水48 h無側(cè)限抗壓強度(MPa)；

Ra——水泥穩(wěn)定碎石混合料試件無側(cè)限抗壓強度(MPa)。

通過式(1)計算，得到不同養(yǎng)護(hù)齡期摻鋼渣砂水泥穩(wěn)定基層混合料的軟化系數(shù)隨鋼渣砂摻量的變化曲線如圖6～7所示。分析顯示，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的摻鋼渣砂水泥穩(wěn)定基層混合料軟化系數(shù)大于養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的軟化系數(shù)。由此可見，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，摻鋼渣砂水泥穩(wěn)定基層混合料的軟化系數(shù)越增大，水穩(wěn)定性越好。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時，3%、4%、5%水泥摻量下的基層混合料軟化系數(shù)隨著鋼渣砂摻量的增加而增大，且摻量為75%情況下的軟化系數(shù)與摻量為100%情況下的軟化系數(shù)幾乎相等。當(dāng)水泥摻量為6%時，鋼渣砂摻量為75%時，軟化系數(shù)達(dá)到最大值。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時，3%水泥摻量下的基層混合料軟化系數(shù)隨著鋼渣砂摻量的增加而增大，而4%、5%、6%水泥摻量下的基層混合料軟化系數(shù)隨著鋼渣砂摻量的增加呈先增大后減小的趨勢，鋼渣砂摻量為75%時，軟化系數(shù)達(dá)到最大值。這主要是由于摻入鋼渣砂后，鋼渣自身的活性增強了基層混合料顆粒之間的膠結(jié)，從而提高了混合料的水穩(wěn)定性，但當(dāng)鋼渣砂摻量較大時，需要更多的膠凝材料包裹，所以在相同的水泥劑量條件下，水穩(wěn)定性有所降低。因此，在考慮水穩(wěn)定性條件下，鋼渣砂的最佳摻量為50%～75%。

圖6 水泥穩(wěn)定基層混合料養(yǎng)護(hù)7 d軟化系數(shù)隨鋼渣砂 摻量變化曲線圖

圖7 水泥穩(wěn)定基層混合料養(yǎng)護(hù)28 d軟化系數(shù)隨鋼渣砂 摻量變化曲線圖

3 結(jié)語

本文選取了防城港某鋼廠鋼渣開展物理化學(xué)分析，并以此開展不同鋼渣砂摻量的水泥穩(wěn)定基層性能試驗，得到以下結(jié)論：

(1)取防城港某鋼廠陳化5個月的轉(zhuǎn)爐鋼渣砂進(jìn)行化學(xué)成分及物理力學(xué)特性分析表明：鋼渣砂主要成分含量為CaO、Fe2O3和SiO2，鋼渣砂密度大，吸水率比普通機(jī)制砂高，硬度較高，堅固性良好，浸水膨脹率為1.8%，滿足道路使用要求。

(2)擊實試驗研究顯示，鋼渣砂摻量對水泥穩(wěn)定基層混合料的最佳含水量和最大干密度都有一定影響，摻鋼渣砂水泥穩(wěn)定基層混合料的最佳含水量和最大干密度隨著鋼渣砂摻量的增加而增大。

(3)無側(cè)限抗壓強度試驗研究顯示，鋼渣砂摻量對水泥穩(wěn)定基層混合料的7 d無側(cè)限抗壓強度影響較小，對28 d無側(cè)限抗壓強度有一定影響，當(dāng)鋼渣砂體積摻量為50%時，強度最佳，在較高水泥劑量條件下，當(dāng)鋼渣砂體積摻量為75%時，強度最佳。

(4)考慮干濕循環(huán)條件下的無側(cè)限抗壓強度試驗研究顯示，其抗壓強度隨鋼渣砂摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)鋼渣砂體積摻量為50%時，其抗壓強度最大。

(5)水穩(wěn)定性研究顯示，摻入一定的鋼渣砂可提高水泥穩(wěn)定基層混合料的水穩(wěn)定性，考慮水穩(wěn)定性條件下，鋼渣砂的最佳摻量為50%～75%。