適用于底基層與水穩路面基層的鋼渣材料性能研究

閆永亮，郝文義

（1.河南省鶴新高速公路有限公司，河南 新鄉 453100；2.中交二公局第四工程有限公司，河南 洛陽 471000）

工業固體廢棄物的循環利用是全球學者關注的焦點[1]。當前我國很多地區的公路建設中都存在嚴重的集料缺乏情況，這種問題會導致公路基層建設受到影響。鋼渣材料的排放量比較大，在工業生產中的利用效率比較低，并且會對環境造成污染。將鋼渣材料運用到公路路面建設中，能夠有效地解決這種材料污染環境、路用砂石缺乏而導致的工程成本高昂的問題，并且可以發揮這種材料的性能，達到鞏固基層建設的要求。但是這種材料的性能尚不確定，這就需要對該材料的體積穩定性進行分析，研究其代替砂、石等天然材料應用于底基層與水穩路面基層的適用性，確定其在公路建設中的運用價值，通過運用科學技術提高鋼渣在道路工程中的利用率。

1 試驗原材料

1.1 鋼渣材料

鋼渣材料的選擇需要進行試驗，充分考慮原材料的使用性能，使之滿足工程實際要求。試驗中，鋼渣材料選擇某鋼生產集團生產的廢棄物鋼渣，并進行洗滌和干燥處理，經處理后鋼渣的顏色為黑灰色，鋼渣化學成分組成見表1。從鋼渣的化學成分檢測結果中可以看出，堿度為3.60 屬于高堿度鋼渣，這種鋼渣有較強的活性，要想使用這種鋼渣還要進行再處理，以達到使用要求。

表1 鋼渣化學成分組成

由于鋼渣材料堿度比較高，需要使用破碎機進行破碎處理，破碎后再進行工藝處理。破碎后的鋼渣應用滾筒水洗工藝技術進行處理，對于其性能進行檢測，確定這種鋼渣的性能具體情況，在滿足使用要求后將其運用到公路基層施工中。

鋼渣粗集料性能檢測見表2。由表2 可知，鋼渣在破碎、水洗處理后的集料性能符合具體要求，各項技術指標都已經達到，可以將這種鋼渣材料運用到公路基層和底基層建設中，具有施工應用的價值。

表2 鋼渣粗集料性能檢測

1.2 水泥

水泥材料選擇河南省豫南水泥有限責任公司生產的普通硅酸鹽水泥，按照公路水泥及水泥混凝土試驗規程進行檢驗，所得結果見表3。這種水泥符合公路建設要求，可以將其運用在公路建設中，與鋼渣材料一起使用，能夠滿足設計要求[2]。

表3 鋼渣化學成分組成

2 材料組成設計

水泥鋼渣的材料配比通常是根據其顆粒及組成加水量、水泥類型和所用劑量進行確定，按照公路路面基層施工要求進行配比設計，可以分為兩種形式：一是粗細集料全部采用鋼渣；二是顆粒小于4.75 mm 的鋼渣細集料由玄武巖代替。根據公路工程建設中穩定材料試驗要求可以發現，這兩種施工材料組成相似[3]。施工中含水量大，從干密度指標看，使用純鋼渣的效果更理想，主要是這種材料的吸水率和密度比較大，符合公路施工技術規范標準和要求，并且在具體使用中可以充分地發揮其價值。同時，鋼渣混合材料的參數比較穩定，使用靜壓法對其進行試驗，發現其無側限抗壓強度比較高，符合公路路面建設使用要求。

3 鋼渣材料在底基層與水穩路面基層的性能評價

鋼渣材料運用于公路路面建設，應從其強度、回彈模量和膨脹性能方面進行分析，了解具體使用要求和結果，這樣能夠保證其合理運用到公路建設中以提高公路建設質量。

3.1 無側限抗壓強度

無側限抗壓強度是半剛性基層材料設計的基本指標，這種強度與施工中的骨料之間的嵌鎖型結構和結構料的粘結力有較大的關系[4]，需要按照公路工程建設中穩定材料試驗規范進行設計，并且要制備符合成型要求的基面，在養生的過程中分別養生7 d、28 d 和60 d，最后一天進水，24 h 之后使用萬能試驗機進行測試，在加載速度1 mm/min 的狀態下，得出試件無側限抗壓強度數值。級配1 鋼渣在齡期7 d、28 d、60 d，其無側限抗壓強度分別為4.41 MPa、5.91 MPa、6.62 MPa。級配2 鋼渣在齡期7 d、28 d、60 d，其無側限抗壓強度分別為4.54 MPa、5.83 MPa、6.22 MPa。據此可知，兩個級配鋼渣的抗壓強度均隨著齡期遞增增長，并且兩者增長趨勢較為近似。齡期不超過28 d 時，兩個級配鋼渣的強度增長數值，大于28 d 后的強度增幅數值。對比發現，級配2 鋼渣7 d 的抗壓強度大于級配1 鋼渣，而經過28 d 和60 d 的養生，其強度數值均小于級配1 鋼渣。由此可知，在反應初期，鋼渣細集料受抑制作用影響，水化反應延緩，經過一段時間反應后，鋼渣反應活性顯現，由此純鋼渣級配1 的抗壓強度要優于鋼渣與玄武巖級配2。

3.2 回彈模量

鋼渣運用在公路基層建設中，需要對其回彈模量進行評估，基層的回彈模量對于公路質量有較大的影響。若回彈模量比較小，瀝青面底部會產生比較大的拉應變，并且早期出現開裂的概率會比較高。基層材料回彈模量比較大，容易出現干縮和溫度裂紋等現象，這就導致瀝青層面容易出現反射裂紋，影響道路整體結構，并且其使用壽命還會降低[5]。因此，要充分地考慮公路工程建設材料規范，針對不同時間的鋼渣混合材料使用情況，進行回彈模量測試分析。根據JTG E51-2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》[6]試驗后，其結果為：級配1 鋼渣，經過28 d 和60 d 的齡期后，其抗壓回彈模量為2 395.2 MPa、2 585.1 MPa；級配2 鋼渣，在經過28 d 和60d 的齡期后，其抗壓回彈模量為2275.3MPa、2 460.4 MPa。由此可知，純鋼渣級配1 比鋼渣與玄武巖級配2 回彈模量大，對應抗壓強度比較大，這種材料在公路建設中運用比較合理，相比于鋼渣粗料與玄武巖細料結合的強度更大，更符合適用性能要求。

3.3 膨脹性能

鋼渣運用在公路工程集料試驗中，需要對其膨脹性能進行分析，尤其是溫度變化可能會導致公路的膨脹系數改變，因此要對純鋼渣和鋼渣粗集料加玄武巖細集料的膨脹系數進行分析，其具體數據為1.65%和1.42%，滿足技術應用要求[7]。而鋼渣作為水泥穩定類基層材料，其膨脹性能更良好，更符合公路建設要求。

4 鋼渣材料在底基層與水穩路面基層的應用實例

4.1 工程實例

某工業園區起樁號GYYQ 公路，規劃全長403 km，路面標準寬為44 m，雙向8 車道，路面基層采用墊層，底基層3 層，每層23 cm 設計。路用試件分別為摻鋼渣粉煤灰AC-16 混合料、常規AC-16 混合料、摻鋼渣粉煤灰AC-13 混合料、常規AC-13 混合料，4 組試件采用馬歇爾擊實法成型共同置于25 ℃水槽內2 h。按照劈裂強度和劈裂強度比（Tensile Strength Ratio，TSR）進行試驗，凍融劈裂試驗結果對比見表4。

表4 鋼渣瀝青混合料凍融劈裂試驗結果對比表

由表4 的試驗結果可知，摻鋼渣粉煤灰AC-16 的凍融后劈裂強度高于AC-13 瀝青混合料，且大于規范要求的75%，說明其抗凍性能優于常規AC-16 與AC-13 瀝青混合料[8]。鋼渣作為道路施工的底層和基底層，其強度回彈模量和抗凍性能均符合要求。

從具體施工中運用可以看出，其相比于傳統水泥穩定碎石結構更合理，鋼渣作為道路半剛性基層材料的造價比較低，這種材料使用一段時間后，試驗路段沒有出現車轍裂縫等現象，說明這種設計方法是合理的。將鋼渣材料作為公路建設的基料，鋼渣復合摻合料只要配比合理就能夠取代天然砂作為細骨料，達到既經濟又環保的施工要求。

4.2 施工工藝

含鋼渣復合摻合料對混凝土耐久性能有明顯提高[9]。第一鋼渣材料在使用前需要做好準備工作，保證鋼渣材料來源和質量符合要求，同時要經過標準招標程序對鋼渣和水泥材料進行采購，要提交最新的檢驗報告。首次使用的鋼渣需要進行檢查，對其生產條件加工機械覆蓋層的清理情況進行分析，并且材料運送到現場后需要進行檢查，符合要求后方能使用。其次，材料需要有專門的場地存放，保證其符合具體應用要求，要對材料來源進行再次核對。最后，施工前要對相關設備等進行調試，并且對其配套情況、技術性能進行分析，保證符合底基層與水穩路面基層適用性能要求。通過將粗粒度10～16.5 mm 的鋼渣和細粒度5～10 mm 的礦渣與商品硅酸鹽水泥進行配伍[10]，制備出的鋼渣礦渣復合摻合料7 d 抗壓活性指數可達到93.99%，28 d 抗壓活性指數可達到100.95%。

5 結束語

鋼渣材料在GYYQ 公路建設中運用，要對基層材料的強度和性能及材料價值進行分析，還要結合公路建設相關要求開展具體工作。鋼渣材料運用于公路建設，要充分考慮結合料的膠凝性，這樣可以提高基層材料的強度。同時，鋼渣材料在公路基層建設中運用，還要達到工程建設底基層與水穩路面基層適用性能要求。鋼渣材料的運用，可以有效降低公路工程建設的造價，有利于節能環保，具有較高的經濟價值和社會價值，在未來發展中也有良好的應用前景。