水泥稳定钢渣碎石基层材料路用性能研究

谭德英 1 赵成斌 2

摘要：本文对如何运用钢渣才能使道路整体的耐久性具有最优秀的效果进行如下试验探究，希望为广大业内人士带来一定的参考价值。

关键词:钢渣;水泥稳定基层;路用性能

引言

尽管目前国内外对钢渣研究己经具备了相当的水平和规模，但国内对钢渣的利用率还是仍然非常的低效，主要是因为存在以下这些不容忽视的问题。

一、试验方案

1.1原材料（1）集料：分为粗集料、细集料和钢渣。粗集料选用石灰岩碎石，细集料选用石屑，技术性质满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/TF20—2015）要求。钢渣选用某钢铁厂炼钢后产生的钢渣，游离氧化钙和游离氧化镁含量分别为5.53%，4.36%，粒径在4.75～31.5mm之间。按相应试验规程和检测方法分别测试未陈化和陈化3个月钢渣技术性质，其压碎值和针片状颗粒含量满足各等级道路基层和底基层集料要求，膨胀率与粉化率不满足使用要求，但与规范值相近，故选用陈化3个月钢渣。钢渣物理力学性质，见表1.

表1钢渣物理力学性质

2. 水泥：选用普通硅酸盐水泥P·O42.5，其技术性质，见表2。

表2水泥技术性质

1.2试验方案

（1）配合比设计：为较好地解决钢渣膨胀问题，参照《公路路面基层施工技术细则》（JTG/TF20—2015）中水泥稳定碎石骨架密实级配，设计粗型C、中型Z、细型X三种级配。开展浸水膨胀率试验和CBR试验，比选最优矿料级配；按最优矿料级配和水泥稳定钢渣碎石材料室内重型击实试验结果，采用静压法成型试件并开展无侧限抗压强度试验，确定最优水泥掺量。水泥稳定钢渣碎石矿料级配，见表3。试件尺寸为ϕ150mm×150mm，拟钢渣和碎石比例为60∶40，拟水泥掺量分别为3.0%，3.5%，4.0%，4.5%，5.0%。

表3水泥稳定钢渣碎石矿料级配

（2）路用性能试验方案：参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTGE51—2009）开展水泥稳定钢渣碎石材料路用性能试验研究，试验方案，见表4，表中标准养生是指在室内（20±2）℃、95%湿度环境下进行养生，现场养生是指室内成型的试件送到现场，覆盖土工膜并与现场基层同步养生。

表4水泥稳定钢渣碎石材料路用性能试验方案

2试验结果与分析

2.1配合比设计

2.1.1矿料级配

3种级配钢渣碎石材料CBR和浸水膨胀率，见图1。钢渣与碎石比例为60∶40。由图1可知：3种级配钢渣碎石材料CBR和浸水膨胀率均满足规范要求，说明钢渣碎石材料承载力和体积稳定性良好。其中，C级配材料CBR最大、浸水膨胀率最小，这是因为C级配中大粒径集料相对较多，且碎石替换了部分钢渣，游离氧化钙含量减小，减小了膨胀率，形成的骨架结构较稳定，承载力提高。从而C级配CBR高于Z，X级配的CBR，且浸水膨胀率小。对此，选用骨架密实结构C级配开展水泥稳定钢渣碎石材料水泥掺量设计和路用性能研究。

图13种级配钢渣碎石材料CBR和浸水膨胀率。

2.1.2水泥掺量设计不同水泥掺量下水泥稳定钢渣碎石材料重型击

实试验结果，见图2。压实度为98%，水泥稳定钢渣碎石材料7天无侧限抗压强度试验结果，见图3。由图2、图3可知：（1）随水泥掺量增加，水泥稳定钢渣碎石最大干密度和最佳含水率略微增大。这是因为混合料拌和中少许水泥发生了水化反应，从而不同水泥掺量的稳定钢渣碎石击实试验结果相差微小。

图2不同水泥掺量下水泥稳定钢渣碎石材料重型击实试验结果

图3不同水泥掺量下水泥稳定钢渣碎石材料7天无侧限抗压强度

（2）随水泥掺量增加，水泥稳定钢渣碎石无侧限抗压强度逐渐增大，且水泥掺量为4.0%时，水泥稳定钢渣碎石无侧限抗压强度满足基层抗压强度设计要求。这是因为随水泥增加，水泥水化产物增多，与集料胶结作用增强，从而无侧限抗压强度不断提高。当水泥掺量≤3.5%，水泥掺量增加0.5%，无侧限抗压强度平均提高14.8%；当水泥掺量由3.5%增加至4.0%，无侧限抗压强度增长显著，为44.0%；当水泥掺量＞4.0%，无侧限抗压强度平均提高3.6%。因此，当水泥掺量＞4.0%后，通过增加水泥掺量提高稳定钢渣碎石抗压强度经济性变差，且不利于其抗裂性。对此，考虑经济效益，水泥稳定钢渣碎石材料最优水泥掺量为4.0%。

2.2路用性能

2.2.1力学强度按表4中力学强度方案进行试验，水泥稳定钢渣碎石材料无侧限抗压强度、劈裂强度，见图4。由图4可知：同一养生条件下，随养生龄期增加，水泥稳定钢渣碎石无侧限抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量逐渐增长，且养生前期强度增长速率大于后期强度增长速率。当采用标准养生时，其7，28，90天无侧限抗压强度分别是180天无侧限抗压强度的45.80%，73.10%，88.00%；728，60天劈裂强度分别是180天劈裂强度的37.50%，64.80%，85.26%；这是因为水泥熟料随龄期增加而不断消耗，在养生后期，水泥熟料基本消耗完毕，水化产物逐渐减少，从而力学强度增长减缓。另外，养生龄期一致时，与现场养生试件无侧限抗压强度和劈裂强度相比，标准养生试件抗压强度和劈裂强度较大，分别是现场养生试件的1.17，1.16倍，且现场养生试件强度增长速率较慢，这是因为现场温度及湿度较室内养生条件变化较大，而室内标准养生条件下水泥水化反应相对较快有关。因此，现场养生试件无侧限抗压强度降低。

图4水泥稳定钢渣碎石材料力学强度

2.2.2干缩性能

水泥稳定钢渣碎石材料干缩试验结果，见图5。由图5可知：随时间增长，水泥稳定钢渣碎石试件出现干缩现象，失水率和干缩应变前期降低迅速，当观测时间为28天时，60.0%钢渣掺量的水泥稳定碎石试件失水率和干缩应变较养生龄期1天时分别降低98.7%，98.4%；当时间超过28天，失水率和干缩应变逐渐趋近于零，说明干缩性基本消失。是因为干缩性能观测时间前期，水泥水化反应较迅速，水分消耗相对较快，因此，失水率和干缩应变降低显著；而随时间增长，水泥水化反应基本完成，产生的胶凝物质黏结集料颗粒，生成的硫酸钙针状结晶体填充集料颗粒孔隙，形成网状结构，使稳定钢渣碎石骨架结构趋于稳定，对水泥稳定钢渣碎石干缩影响减弱。另外，掺60.0%钢渣的水泥稳定碎石失水率和干缩应变均低于普通水泥稳定碎石，是因为碎石替代部分钢渣，降低了钢渣中含有的游离氧化钙、游离氧化镁等活性物质水化反应生成的硫酸钙结晶体的膨胀作用，因此普通水泥稳定碎石失水率和干缩应变较大。

图5水泥稳定钢渣碎石材料干缩试验结果

2.2.3抗冲刷性

水泥稳定钢渣碎石材料抗冲刷试验结果。冲刷时间增长，累计冲刷量逐渐提高，冲刷时间在60～90分钟内，累计冲刷量曲线减缓，且该时间段内的冲刷增量低于5.0g，说明动水冲刷作用下试件不再产生较大的质量损失。这是因为试件表面细颗粒抵抗外力作用较弱，在动水冲刷初期细颗粒基本被冲刷流失，而随着冲刷时间增长，起骨架结构作用的粗骨料逐渐暴露，其良好的摩擦嵌挤力抵消了动水冲刷作用，使得填充粗骨料间细颗粒受动水冲刷作用明显减小，从而在冲刷作用后期，水泥稳定钢渣碎石累计冲刷量增长缓慢。

结语

本文设计了60%钢渣掺量的水泥稳定钢渣碎石材料配合比，针对水泥稳定钢渣碎石与水泥稳定碎石的路用性能进行了对比研究。（1）骨架密实结构C级配钢渣碎石材料承载力和体积稳定性最好，4%水泥掺量的稳定钢渣碎石抗压强度满足基层无侧限抗压强度设计要求，且水泥掺量>4%，7天抗压强度增速降低，技术经济性变差。建议水泥稳定钢渣碎石材料最优水泥掺量取4%。（2）同一养生条件下，水泥稳定钢渣碎石养生前期无侧限抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量增长速率大于后期强度增长速率，标准养生条件下水泥稳定钢渣碎石抗压强度和劈裂强度较大。（3）水泥稳定碎石掺钢渣后抗干缩性和抗冲刷性提高。水泥稳定钢渣碎石失水率和干缩应变前期降低迅速，干缩观测时间≥28天后，稳定钢渣碎石干缩性基本消失；冲刷时间>60分钟，质量损失显著减小。

参考文献

[1]苏登成.钢渣活性激发技术研究进展[J].中国水泥，2009(4):57-60.

[2]薛明，冯顺祥转炉钢渣在路基中应用的研究钢铁, 1996，31(10):123-126, 117