表面改性鋼渣基層混合料路用性能分析

李冷雪 蔡燕霞

（1.中建路橋集團有限公司，河北 石家莊 050001；2.中路高科交通科技集團有限公司，北京 100088；3.中路高科（北京）公路技術有限公司，北京 100088；4.公路建設與養護新材料技術應用交通運輸行業研發中心，北京 100088）

一、引言

鋼渣因具有良好的物理力學性能，應用于公路基層中可大幅度提高其性能[1]。通過研究，諸多學者證實了鋼渣在公路工程應用的可行性。長安大學黃浩[2]將期齡14d左右的新鋼渣摻入0.5%的微硅灰到水穩碎石基層中，發現鋼渣的摻入可提高其力學性能，但摻量過高會使水穩基層的壓實性變差，另外加入微硅灰也能明顯降低鋼渣的體積膨脹率，提高基層的耐久性。George[3]等提出水泥劑量、集料成分、土的種類、養護齡期是影響水泥穩定類基層性能的主要因素。喻平[4]經研究發現，水泥穩定鋼渣碎石的彎拉強度是其疲勞壽命的主要影響因素，且主要受鋼渣摻量和水泥劑量的影響。因鋼渣含有f-CaO、f-MgO等活性成分，遇水體積易膨脹，未經處理的鋼渣直接用于路面時，易造成結構損壞，影響使用壽命。因此，本文將鋼渣改性處理，代替天然碎石用于水穩基層，研究水穩碎石、水穩鋼渣、水穩改性鋼渣混合料的路用性能，能夠為實現廢物利用、維護生態平衡、提高鋼渣綜合利用率提供參考。

二、原材料性能

（一）改性劑

選用甲基硅酸鉀溶液（PM）和硅丙乳液（SAE）作為改性劑，二者均具有良好的斥水性，其材料性能如表1所示。

表1 改性劑性能

（二）鋼渣理化性質

鋼渣物理力學性能結果如表2所示。鋼渣的主要化學成分為CaO、SiO2、P2O5，含量分別為54.3%、12.20%和1.65%，堿度為3.9，屬于高堿度范圍。兩種粒徑范圍的鋼渣膨脹率分別為2.3%、2.1%，因為鋼渣表面粗糙多孔且內部水化活性成分較高，導致膨脹率不滿足規范要求。

表2 鋼渣的物理力學性能

三、改性鋼渣的制備

（一）鋼渣改性方案

采用浸漬法對鋼渣進行表面改性處理，每2h攪拌一次溶液，保證鋼渣充分浸泡，達到改性處理時間后撈出，自然風干5h～7h得到改性鋼渣。然后分析不同濃度、不同處理時間對不同粒徑鋼渣吸水率、膨脹性的影響，確定改性劑的濃度和改性處理時間。具體方案如表3所示。

表3 鋼渣改性方案

（二）改性鋼渣性能

1.吸水率

吸水率試驗結果如表4所示，改性劑PM和SAE在濃度分別為3wt%、12wt%，改性處理時間為12h時，對鋼渣吸水率具有較好的改善效果，因此研究鋼渣浸水膨脹性能時，應采用此濃度下的兩種改性劑和改性處理時間。

表4 吸水率試驗結果

2.浸水膨脹率

浸水膨脹率結果如圖1所示，以此評價表面改性對鋼渣體積膨脹的抑制效果。相同粒徑下不同改性劑對鋼渣體積抑制效果也存在差異，4.75mm～9.5mm、9.5mm～13.2mm粒徑的PMSSA膨脹率與未改性鋼渣相比降低了28.7%、25.7%，SAESSA降低了20%、23.3%。這是由鋼渣本身性質、改性工藝和鋼渣試件密實程度決定的，可知鋼渣表面改性在富水情況下，可延緩鋼渣內部活性成分的水化反應速率，進而達到降低鋼渣體積膨脹率的目的。

圖1 不同粒徑不同改性鋼渣的浸水膨脹率

根據改性鋼渣室內試驗研究，兩種粒徑范圍的鋼渣吸水率在改性劑PM和SAE濃度分別為3wt%、12wt%，處理時間為12h時降至最低，并且4.75mm～9.5mm的鋼渣改性效果較為顯著，PM的改性效果優于SAE，后續采用改性劑PM對基層混合料進行路用性能研究。

四、改性鋼渣混合料性能

（一）配合比設計

根據《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）要求，選用骨架密實型級配的級配中值作為水泥穩定類基層的設計級配，根據體積-質量換算法[6]，調整鋼渣級配。將不同粒徑改性鋼渣代替同粒徑碎石，選擇4%、5%兩種水泥劑量，組成8種配合比，如表5所示。其中NAM代表水穩碎石混合料；SSAM代表普通鋼渣全部代替4.75mm～13.2mm粒徑水穩碎石鋼渣混合料；IPMSSAM、IIPMSSAM分別代表改性鋼渣單檔代替4.75mm～9.5mm、9.5mm～13.2mm粒徑范圍的水穩碎石改性鋼渣混合料。水穩碎石改性鋼渣混合料的級配受鋼渣替代方式的影響較小，各個篩孔的通過率較為接近，不同類型混合料的級配結果如圖2所示。

圖2 級配曲線

表5 配合比設計

（二）擊實特性

各配合比混合料擊實試驗結果如圖3所示，改性鋼渣代替未改性鋼渣粗集料后，不同配比下混合料的最佳含水量呈先增長后下降再增長的趨勢，是由于未改性的小粒徑鋼渣吸水能力較強，在悶料過程中會吸取更多水分，因此會提高混合料的含水量。各配比下混合料的最大干密度不盡相同，這是由于鋼渣經改性處理后，材料表觀密度有所變化，導致混合料的干密度有所不同。

圖3 各配合比下混合料擊實試驗結果

（三）無側限抗壓強度

各配比混合料的抗壓強度如圖4所示。當水泥劑量為4%時，A3的強度最高，比A1、A2分別高出了55.6%、14.3%，說明水泥穩定碎石-改性鋼渣混合料具有良好的抗壓強度；當水泥摻量為5%時，B3無側限抗壓強度分別比B1、B2高出了37%、3.3%，說明水泥劑量也影響混合料的抗壓強度。當改性鋼渣代替不同規格的普通鋼渣時，其混合料強度也存在差異，這是因為不同檔位改性鋼渣在成型試件時所需的質量占比不同，其中質量占比較高的改性鋼渣對水泥顆粒的吸附作用較少，反之則受吸附作用影響，導致混合料的抗壓強度降低。通過對比分析不同配比下混合料的7d無側限抗壓強度可知，采用改性鋼渣部分替代同粒徑規格的鋼渣粗集料與全部替代天然碎石粗集料相比，前者對提高水泥穩定碎石混合料的抗壓強度更加有效，其中4.75mm～9.5mm改性鋼渣對混合料抗壓性能的改善效果更好。

圖4 無側限抗壓強度

五、結語

本文通過浸水膨脹率試驗測試不同粒徑鋼渣的體積穩定性，4.75mm～9.5mm、9.5mm～13.2mm粒徑范圍內的鋼渣膨脹率分別為2.3%、2.1%，不滿足相關規范要求，須進行進一步處理；經改性劑PM和SAE處理后，鋼渣吸水率明顯降低，在兩種粒徑范圍內鋼渣吸水率分別在濃度為3wt%、12wt%，處理時間為12h時，鋼渣吸水率降至最低，PM的改性效果優于SAE；對比分析不同配比混合料的7d無側限抗壓強度，采用部分替代同粒徑規格的鋼渣粗集料對提高基層混合料的抗壓強度非常有效，其中4.75mm～9.5mm改性鋼渣對混合料抗壓性能的改善效果更好。