二灰稳定钢渣路用性能试验研究

张景春

（廊坊市交通公路工程有限公司二公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

冶金废渣在道路方面的综合利用，国内外已有一定的研究成果。大多都是将其用作路基回填材料，废渣作为混合料中的骨料也有一定数量的研究，一般是简单地取代道路混合料中的碎石，对废渣本身的活性、膨胀性考虑很少，将钢渣作为二灰稳定类材料使用的研究更少甚至根本没有考虑。研究针对冶金废渣的代表——钢渣作为路用材料的可行性和二灰稳定钢渣混合料的路用性能进行了较为系统的试验研究，对减少钢渣的堆放场地和环境污染，降低工程造价、指导工程实践、变废为宝，促进邯郸市环境保护工作，有着极其重要的意义。

1 原材料性能

钢渣是山东某钢厂采用堤式法生产得到的，其主要矿物为：C2S、C3S、橄榄石CRS、蔷薇辉石C3RS2和纳盖斯密特石C7PS2，经大量试验研究可知，钢渣慢冷或急冷其结构均为晶体结构，不出现玻璃体，钢渣的物理力学性能见表1。由于该钢渣碱度M＞1，所以可以判断该钢渣为碱性。粉煤灰、石灰性能均满足高速公路、一级公路有关技术要求。

表1 钢渣物理力学性能

2 二灰稳定钢渣配合比设计

2.1 二灰稳定钢渣混合料的最佳含水量

每个配比取估计最佳含水量左右的5个含水量进行击实试验，间隔2%，绘制成曲线，通过含水量与干密度曲线获得最大干密度与最佳含水量。

2.2 钢渣用量

二灰稳定钢渣试件的强度不是混合料干密度最大时达到最大值，而是在中间某一密度时达到极值，这主要是因为二灰稳定钢渣混合料强度主要来源于钢渣间的摩阻力和结合料间的粘结力，结合料过多则钢渣间的嵌挤作用差，反之，结合料不足，则钢渣过于松散，同样达不到最佳强度。

2.3 二灰比例

通常石灰与粉煤灰之比，一般在1:2～1:4之间，这个比例不是固定不变的，它是集料性质、粉煤灰性质和要求的混合料增长率的函数。

3 试验结果与分析

3.1 无侧限抗压试验试验结果与分析

无侧限抗压强度试验方法：试验前一天将养生至规定的龄期的试件饱水24h，水覆盖深度不宜超过试件高度1/3。擦去表面水后，称重、量高，然后平放在路面强度试验仪的升降台上，以1mm/min的加载速率进行抗压强度试验。重点分析石灰/粉煤灰比例、二灰结合料/钢渣、钢渣级配以及龄期对混合料强度的影响。

3.1.1 不同石灰/粉煤灰比例二灰稳定钢渣混合料强度结果

在此试验中，保持集料钢渣含量不变，变化石灰与粉煤灰掺配比例，以研究石灰与粉煤灰比例对二灰稳定钢渣混合料强度影响规律。石灰与粉煤灰比例从0∶20～7∶13，钢渣含量保持80%不变，抗压强度如表2所示，抗压强度随粉煤灰/石灰比例关系变化规律如图1所示。

表2 不同石灰与粉煤灰比例无侧限抗压强度

图1 抗压强度随粉煤灰/石灰比例关系变化规律

从图1可以看出粉煤灰与石灰比在2∶1～4∶1间强度较好。石灰过少，将不能充分激发粉煤灰活性，致使火山灰等反应发生较慢，早期强度较低；石灰含量过多，虽有利于激发粉煤灰活性，但石灰过量将产生剩余，这些过量石灰虽可在潮湿的空气中产生碳化和结晶强度，但强度有限，因此强度也不会很高。另一不采用过多石灰原因是过量石灰会产生膨胀，且不经济。

3.1.2 二灰结合料/钢渣比例对强度影响

试验中石灰与粉煤灰比例固定为1∶3，而变化集料钢渣的含量，来分析钢渣含量对混合料强度的影响。钢渣含量按占混合料质量百分比从70%～85%。结果如表3所示，抗压强度随钢渣含量变化图如图2所示。

表3 不同钢渣含量抗压强度

图2 抗压强度随钢渣含量变化图

从图2可以看出看，钢渣含量在总重的75%～80%间，二灰稳定钢渣混合料7d强度较好，达0.98～1.23。钢渣含量过多时，二灰结合料将不能充分填充空隙和有效粘结骨料，因此强度下降，二灰含量过多时，集料钢渣在混合料中处于悬浮状态，强度将主要由细料和二灰部分来承担，无法发挥钢渣骨架支撑作用，因此强度也高。综合考虑细料多时收缩大，稳定性差等原因，二灰稳定钢渣比例宜为4∶16∶80～5∶15∶80之间。 研究结果表明，钢渣含量小于总量80%时，各配比强度相差不大，分析认为这时二灰强度已形成很多，这时混合料的强度主要受控于二灰强度。然而钢渣含量大于90%时，强度急速下降，这是因为结合料太少不足以填充稳定集料。

3.1.3 钢渣不同级配对强度的影响

二灰稳定钢渣混合料材料组成设计参数中可变因素除二灰比例和二灰含量外，还有一个可变因素就是集料的级配。取我国现行《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034—2000）二灰级配碎石中碎石级配上、中、下限和本文按k＝0.75计算的级配以及钢渣天然破碎级配，结果见表4。

表4 不同钢渣级配的抗压强度

根据我国《公路路面基层施工技术规范》无侧限抗压强度设计标准，可以看出研究制备的二灰稳定钢渣均满足一级和高速公路基层材料强度的要求。

3.1.4 不同龄期下强度结果

选强度较好的两种配比4∶16∶80和5∶15∶80进行试验研究时间对强度的影响关系，养生时间分7d、28d、90d、180d和360d。不同龄期下抗压强度如表5所示。抗压强度随养护龄期的变化图如图3所示。

表5 不同龄期下抗压强度

图3 抗压强度随养护龄期的变化图

说明以上两条曲线差别是由于配比1（4∶16∶80）在工地标准养生28d后断电气温一直在10℃以下，所以强度增长缓慢，而配比2（5:15:80）一直处于实验室标养状态，因此后期强度仍然增长很快。现推荐二灰稳定钢渣混合料抗压强度随时间增长应用关系如表6所示。

表6 抗压强度随时间增长关系

3.2 抗压回弹模量试验及影响因素分析

弹性模量是表征弹性材料或弹性体在受力时应力—应变关系的比例常数，模量结果与试验方法有关，因此不同的试验方法测得的模量会有所差别，为便于分析本文统一采用顶面法，试验结果如表7所示，模量—时间关系图如图4所示。

表7 28d标养抗压回弹模量

图4 模量-时间关系图

大量试验路观测和室内试验结果表明，少量水泥或石灰粉煤灰稳定级配碎石后，其抗压回弹模量在1000MPa以上；用少量水泥或石灰粉煤灰稳定级配砂砾后，其抗压回弹模量也常达到1000MPa；一些细粒土用水泥或石灰粉煤灰稳定后，其抗压回弹模量也达到400～500MPa。配比（4∶16∶80）二灰稳定钢渣28d抗压回弹模量为1040MPa，配比（5∶15∶80）为1080MPa，普遍大于建议值20%左右。而现行沥青规范基层设计模量龄期，二灰稳定类取6个月，因此建议值为：二灰稳定钢渣3个月模量配比4∶16∶80为1530MPa，5∶15∶80为1452MPa，而6个月模量4∶16∶80已经超过2000MPa。 路面结构设计时可根据实际情况取合适值，基层一般应略大于底基层。

3.3 弯拉试验结果

试验方法采用美国MTS810材料试验机，采用3分点加荷，加载速率1mm/min。梁尺寸：10×10×40cm。试验结果显示三种配比梁的弯拉破坏时两三分点平均竖向位移在0.3～0.5mm之间，弯拉强度见表8。

表8 不同配比弯拉强度

上表中方案配比6∶19∶75圆柱形试件抗压强度为1.20MPa，弯拉强度与抗压强度比值为0.242；配比5∶15∶80圆柱形试件抗压强度1.23MPa，弯拉强度与抗压强度比值为0.244；配比4∶11∶85圆柱形试件抗压强度0.70MPa，弯拉强度与抗压强度比值为0.4。据有关资料，美国得出石灰粉煤灰集料混合料的弯拉强度与抗压强度比值为0.18～0.25，一般以0.2来估计抗弯拉强度。交通部公路科学研究所沙庆林院士等在为京津塘高速公路进行路面结构设计过程中的对比试验资料表明[4，5]，石灰粉煤灰粒料（砂砾、碎石和废渣占混合料70%以上）的弯拉强度与抗压强度（90d龄期）比值为0.182～0.273。

4 结论

4.1 二灰稳定钢渣混合料强度宏观上主要来源于钢渣集料颗粒的内摩阻力和二灰结合料的粘结力，微观上粘结力主要产生于二灰间的火山灰反应、颗粒的碳化结晶和固结等作用。因此强度影响因素主要就是影响上述作用发生程度的因素，主要包括钢渣颗粒的级配组成情况、石灰粉煤灰有效含量、石灰粉煤灰比例等因素。

4.2 试验时发现石灰粉煤灰有一最佳混合比例，在石灰含量过多和过少时效果都不好，石灰较多时虽不经济但初期强度较高，石灰含量较少，粉煤灰较多时后期强度却较高。试验结果表明：石灰粉煤灰比例在1∶2～1∶4之间，二灰含量在20%左右时二灰稳定钢渣混合料无论是初期还是后期都具有较高的强度。

4.3 回弹模量试验采用顶面法，并考虑层位工作条件设定试验条件。模量和强度一般呈同向变化规律，设计时可参照沥青规范基层设计模量，取二灰稳定类1300～1700MPa的高限，必要时要进行试验修正。

4.4 通过一定数量小梁弯曲试验确定二灰稳定钢渣混合料的弯拉强度可取抗压强度的10%～20%，也可试验确定。

[1]姜爱峰，等.二灰碎石组成配合比设计[J].同济大学学报，1999，（3）：309-313.

[2]JGJ 28—86，粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程[S].

[3]刘红瑛.骨驾密实型二灰稳定碎石基层配合比设计方法及路用性能研究[D].西安：长安大学，2001.

[4]吴传海.高等级公路二灰碎石基层材料路用性能综合评定及合理配合比研究[D].西安：长安大学，2001.

[5]沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M].北京：人民交通出版社，1998.