水泥穩定鋼渣碎石基層的性能及應用研究

聶文君

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司 太原市 030032)

煉鋼廠在煉鋼過程中將會產生大量的鋼渣廢料,國外對于這些鋼渣廢料的回收利用率已近100%[1]。而國內對于鋼渣廢料的處理多采取堆積、掩埋的方式進行處理,回收利用率僅為50%左右,不僅浪費了資源,也污染了環境[2]。

相關研究表明,鋼渣集料強度大、孔隙多、摩擦系數大,在瀝青路面基層材料中,部分替代天然集料后,可以提高道路基層強度[3]。但由于鋼渣浸水后會發生膨脹,從而產生收縮裂縫并反射至路面,影響道路基層及面層的整體穩定性[4]。為了提高鋼渣作路面基層材料的性能,采用水泥作為改良材料,對水泥穩定鋼渣碎石路面基層材料的性能進行了試驗研究,通過工程應用對實際應用效果進行了驗證。

1 室內試驗

1.1 試驗材料

(1)鋼渣:鋼渣選用某鋼鐵廠生產的電爐鋼渣,組成成分如表1所示。

表1 鋼渣化學組成 (單位:%)

鋼渣的篩分結果見表2,同時測得鋼渣的10d膨脹率均值為1.28%,滿足《鋼渣集料混合料路面基層施工技術規程》中≤2%的要求。

(2)水泥:選用CONCH牌普通硅酸鹽水泥(強度等級32.5),主要性能指標見表3。

(3)天然集料:集料選用石灰巖碎石,粗、細集料主要性能分別見表4、表5。

表4 天然粗集料主要性能檢測指標

表5 天然細集料性能檢測指標

1.2 配合比設計

參照《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)中的骨架密實型級配范圍,進行水泥穩定鋼渣的級配設計,如表6所示,鋼渣按不同粒徑等級等比例替代天然集料。

表6 水泥穩定鋼渣級配設計

1.3 試驗方案

為確定鋼渣替代量、水泥摻量對路面碎石基層材料性能的影響,按表6進行級配設計,參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)的相關試驗規定,以鋼渣替代量(0%、20%、40%、60%、80%)及水泥摻量(3%、4%、5%、6%)作為變量,制備試件進行試驗測定相關工程性能,具體試驗方案如表7所示。

表7 室內試驗方案及條件

2 試驗結果分析

2.1 無側限抗壓強度試驗

7d無側限抗壓強度試驗結果如圖1所示。

圖1 不同水泥摻量下無側限抗壓強度試驗結果

由圖1可知,隨著鋼渣替代量的增加,不同水泥摻量穩定路面基層材料的無側限抗壓強度均先增后減,在鋼渣替代量為60%時達到最大值;當水泥穩定劑摻量≤4%時,不同鋼渣替代量下基層材料的無側限抗壓強度雖有較好的提升,但均不滿足《公路路面基層施工技術規范》(JTJ 034—2000)要求的一級公路及高速公路在重交通情況下路面基層材料抗壓強度≥4MPa的要求;無側限抗壓強度隨水泥摻量增加而增加,但增長幅度先增后降,以鋼渣替代量為60%進行分析,如圖2所示,水泥穩定劑摻量由3%增加到4%、4%增加到5%、5%增加到6%的過程中,無側限抗壓強度分別增加了11.82%、28.96%、14.21%,在水泥穩定劑摻量由4%增加到5%時,增長幅度最大,此時無側限抗壓強度達到了4.78MPa,滿足前述規范≥4MPa的工況要求,適用范圍較廣。

圖2 鋼渣替代量60%時無側限抗壓強度與水泥摻量的關系

2.2 劈裂抗拉強度試驗

劈裂抗拉試驗結果如圖3所示。

圖3 劈裂抗拉強度試驗結果

由圖3可知,隨著鋼渣替代量的增加,不同水泥摻量下基層材料的劈裂抗拉強度均先增后減,均在鋼渣替代量為60%時達到最大值,且當鋼渣替代量≤60%時,鋼渣替代量與劈裂強度存在較好的線性相關關系。

鋼渣替代量為60%時,如圖4所示,由劈裂抗拉強度與水泥摻量關系可知,水泥穩定劑摻量由3%增加到4%、4%增加到5%、5%增加到6%的過程中,劈裂抗拉強度分別增加了15.76%、17.66%、6.25%,當水泥穩定劑摻量大于5%后,劈裂抗拉強度增長幅度開始明顯減緩,這是因為基層材料在水泥穩定劑過量摻入后材料的整體收縮量加大,劈裂抗拉強度的增長隨之受到了限制。

圖4 鋼渣替代量60%時劈裂抗拉強度與水泥摻量的關系

2.3 抗壓回彈模量試驗

抗壓回彈模量試驗結果如圖5所示。

圖5 抗壓回彈模量試驗結果

由圖5可知,基層材料的抗壓回彈模量與鋼渣替代量兩者的相互變化關系同劈裂抗拉試驗結果基本一致,回彈模量與鋼渣替代量有較好的相關性,鋼渣替代量每增長10%,回彈模量約增加3.85%,提升幅度不大,表明鋼渣摻入對基層材料剛度提升不大,在鋼渣替代量為60%時,回彈模量達到最大值。

綜合前述三種力學性能試驗檢測結果可知,水泥穩定鋼渣基層材料中,鋼渣的最佳摻量為60%,水泥穩定劑的最佳摻量為5%。

2.4 干縮試驗

干縮試驗結果如圖6、圖7所示,由圖6可知,0鋼渣替代量與60%鋼渣替代量水泥穩定基層材料失水率變化趨勢一致,均在前9d內失去了絕大部分水分;另一方面,對比同一時間0鋼渣替代量與60%鋼渣替代量水泥穩定基層材料失水率可知,前者的失水率要低于后者,這是由于鋼渣集料表面孔隙多且含有CaO等活性物質,消耗水分較多。

圖6 失水率與干縮時間的關系

圖7 干縮系數與干縮時間的關系

由圖7可知,0鋼渣替代量與60%鋼渣替代量水泥穩定基層材料的干縮系數均隨時間增加呈增加趨勢,當時間達到9d后,增加速度開始趨于平緩;對比同一時間0鋼渣替代量與60%鋼渣替代量水泥穩定基層材料干縮系數可知,后者的干縮系數要顯著低于前者,表明鋼渣的摻入有效提高了水泥穩定基層材料的抗裂性能。

2.5 溫縮試驗

溫縮試驗結果如圖8所示,由圖8可知,0鋼渣替代量與60%鋼渣替代量水泥穩定基層材料的溫度系數的變化趨勢基本一致,均隨溫度的降低呈先降后增的趨勢,溫度系數均在-10℃時達到最小值,溫縮系數在溫度由40℃降低至30℃的過程中降低幅度最大;對比同一溫度0鋼渣替代量與60%鋼渣替代量水泥穩定基層材料溫縮系數可知,后者要大于前者,但相關研究表明水泥穩定鋼渣基層材料的開裂主要由干縮原因引起[5-6],且本次試驗得到水泥穩定鋼渣基層材料的干縮系數降低量遠大于溫縮系數增加量,因此鋼渣的摻入可以提高水泥穩定基層材料的抗裂性能。

圖8 溫縮系數與溫度的關系

3 水泥穩定鋼渣碎石基層工程應用實例

3.1 工程概況

某新建高速公路全長253.54km,采用瀝青路面結構,K60+100～K62+100段作為試驗段,其上基層采用了水泥穩定鋼渣集料進行鋪筑。施工現場鋼渣的替代量取60%,水泥穩定劑的摻量取5%,施工現場材料的性能檢測、配合比設計均同室內試驗。

3.2 壓實度與平整度檢測

K60+100～K62+100試驗段路面上基層完成施工后,分別采用灌砂法及平整度測量儀對壓實度與平整度進行了檢測,試驗路段上基層最低壓實度為98.3%,最高壓實度達到99.8%,平均壓實度為98.7%,現場檢測得到平整度平均值均<2mm,兩者均滿足《公路工程質量檢驗評定標準》(JTG F80/1—2004)中的要求。

3.3 彎沉檢測

采用貝克曼梁法對路面上基層彎沉值進行檢測,檢測結果見表8。

表8 試驗路段基層彎沉檢測結果

表8所示彎沉檢測結果較好的符合設計彎沉值的要求,表明在水泥穩定碎石基層中摻入一定量的鋼渣后,可以有效提高基層材料的抗變形能力。

3.4 長期監測

該新建高速公路在建成通車后的三年內車流量較大,并且承受了復雜的行車荷載。K60+100～K62+100試驗路段路基未出現沉陷、位移等病害,瀝青路面無反射裂縫出現,表明在水泥穩定鋼渣碎石基層實際應用效果優異。

4 結論

(1)摻入鋼渣后,水泥穩定碎石基層材料的力學性能得到了較好的提升,無側限抗壓強度、劈裂抗拉強度、回彈模量隨鋼渣替代量的增加均呈先增后減的趨勢,均在鋼渣替代量為60%時達到最大值。

(2)綜合力學性能試驗結果,建議水泥穩定鋼渣碎石混合料中,鋼渣、水泥穩定劑的最佳摻量分別取60%、5%。

(3)在水泥穩定碎石基層材料中摻入鋼渣后,材料的失水率增加,干縮系數明顯降低,溫縮系數一定程度增加,但溫縮系數增加量要明顯小于干縮系數降低量,表明基層材料的抗裂性能得到了有效的提升。

(4)工程實例表明:水泥穩定鋼渣碎石混合料作為路面基層進行鋪筑后,實際應用效果及性能優異。