二灰钢渣土的水稳定性试验研究

吴 旻，王元纲，陈德鹏

(1.安徽工业大学，安徽 马鞍山243002;2.南京林业大学，江苏 南京210037)

大量积存的钢渣占用土地，对环境也会产生不良影响，解决钢渣的综合利用问题是国内外的重要研究课题.目前，将钢渣用于道路工程已有不少成功实例，但主要是将粗钢渣用作路堤填料或者碎石集料，而对于细钢渣的研究较少.从对钢渣类材料的路用性能研究现状来看，主要集中于抗压强度和回弹模量的研究［1－4］.另一方面，二灰土是道路中常用的一种基层材料，但其使用初期容易受到大气降水和地下渗水的作用，水稳定性不良，从而出现早期裂缝，裂缝反射到沥青面层，将严重影响行车安全和道路使用寿命. 鉴于此，笔者将细钢渣掺入到二灰土中，分析不同吸水时间和不同干湿循环次数对二灰钢渣土性能的影响，并探讨了不同含水率影响下二灰钢渣土强度的变化规律，对二灰钢渣土的水稳定性进行了系统分析.

1 试验原材料及配合比

1.1 石 灰

选用钙质生石灰，充分消解并烘干后碾碎过0.71 mm筛. 测得其有效氧化钙和氧化镁含量为58.96%，属于Ⅲ级消石灰.

1.2 粉煤灰

选用热电厂的湿排灰，烧失量为7.08%，氧化物(SiO2+Al2O3+Fe2O3)含量为83.64%，0.075 mm筛通过率为71.2%，0.3 mm 筛通过率为91.8%.

1.3 钢 渣

采用马钢公司钢渣厂的细钢渣，陈化时间为1 a.试验主要利用5 mm 以下的钢渣，就颗粒组成而言，属于砂类土，其不均匀系数为11.2，曲率系数为1.9，级配良好，表观密度为3.139 g/cm3.

钢渣化学成分分析结果见表1. 由表1可以看出，钢渣中CaO 含量达到43.71%，碱度为3.15，属于高碱度钢渣，活性较大.

表1 钢渣主要化学成分含量 %

1.4 土

试验用土液限为37.24，塑限为23.50，塑性指数为13.74，为低液限黏土，可以用石灰和粉煤灰进行稳定.

1.5 试验配合比

试验设计时固定石灰和粉煤灰含量，用钢渣等质量取代土，选取4 种配合比，其中配合比为1 的二灰土为对比试样，各配合比材料组成见表2.

表2 试验配合比 %

2 试验结果与讨论

2.1 击实试验

对4 种配合比混合料分别进行击实试验，结果如图1所示.可以看出:掺入钢渣后，混合料的最大干密度显著增加;3 种掺钢渣的配比击实曲线较二灰土的平缓，说明二灰钢渣土的干密度对于含水率的敏感性比二灰土小，可击实区间更大，这使得二灰钢渣土压实质量更加容易控制;由于粉煤灰颗粒较细，吸水性强，4 种配比的最佳含水率均较高，总体相差不大.

图1 干密度与含水率变化关系

2.2 抗压强度试验

测定二灰钢渣土浸水和不浸水两种情况下的抗压强度，将两种强度测定结果的比值作为基层材料的水稳性系数［5］.其中浸水强度测定方法是指在养生龄期的最后一天将试件浸没水中，强度测定前需要先擦干试件表面的自由水.强度试验结果见表3.水稳定性系数计算结果见表4.

表3 二灰钢渣土的无侧限抗压强度 MPa

表4 二灰钢渣土的水稳定系数 %

由表3可以看出:不同配合比试件的抗压强度均随着龄期的增长而不断增长;掺入不同比例的钢渣后，混合料不同龄期的抗压强度较二灰土的均有一定提高，配比3 各龄期抗压强度最高. 钢渣2 ～5 mm的颗粒含量比土多，这有利于混合料压实成型.另一方面，钢渣中含有的f-CaO 消解生成Ca(OH)2，能够与钢渣及粉煤灰中的SiO2和Al2O3发生火山灰反应，生成水化硅酸钙和铝酸钙［6］. 这些胶凝物质有利于混合料后期强度的形成.

由表4可以看出:二灰钢渣土7 d 水稳性系数较低，随着龄期的增长，粉煤灰和钢渣参与混合料加固稳定的程度不断深入，水稳性系数逐渐提高;不掺钢渣的配比1 各龄期的水稳定系数最低.

2.3 饱水性能试验

为模拟施工现场路面基层的吸水过程，将4 种配合比试件在标准养护室养护30 d，自然风干1 d，放置于水槽中的透水石上，透水石距水面1 mm［7］，测试吸水0，1，2，3，5，10 d 后试件的含水率、抗压强度及回弹模量，结果如图2所示.

图2 二灰钢渣土饱水试验结果

由图2可以看出:随着吸水天数的增加，二灰钢渣土的含水率逐渐增加，早期增长较为显著，后期增幅较小，并趋于一个稳定数值;4 种配合比试件吸水10 d 后含水率增量分别为5.14%，4.57%，4.53%和4.92%，掺钢渣后含水率增量减小，表明钢渣的掺入能够有效改善混合料的水稳定性.

由图2还可以看出，吸水天数增加后，4 种配合比试件的抗压强度和回弹模量均有所下降.其中，吸水1 d 的试验数值急剧下降，这与其饱水1 d 后含水率的急剧增加有关，表明含水率对二灰钢渣土的早期强度影响很大，含水率越高的配合比其早期强度越低.对比相同饱水时间下不同配比的抗压强度和回弹模量，掺钢渣的配比优于二灰土配比，其中钢渣掺量为30%的配比的无侧限抗压强度减小了0.5 MPa，回弹模量减小了143 MPa，衰减值小于其他3 个配比.

2.4 干湿循环试验

为模拟施工现场吸水和失水过程，将试件在标准养护室养护30 d 后风干1 d，再放置于透水石上吸水1 d 后自然风干1 d，以风干1 d 再吸水1 d 作为1 次干湿循环［8］.测定循环次数为0，1，2，3，5，10时不同配比的含水率和力学性能参数，结果如图3所示.

图3 二灰钢渣土干湿循环试验结果

由图3可知，在干湿循环过程中，试件含水率及力学性能参数的变化规律与饱水试验基本类似，但当循环次数较少时，由于自然风化条件的差异，试验数据存在波动.随着干湿循环次数的增加，二灰钢渣土的抗压强度和回弹模量均呈现出减小的特点，并最终趋于稳定.其中，二灰土的抗压强度和回弹模量减小幅度大于其他3 种配合比，而钢渣占混合料总量30%的配比经过10 次干湿循环，抗压强度最终减小0.55 MPa，回弹模量减小158 MPa，衰减程度小于其他配比，但变化幅度大于饱水试验，这主要是由于干湿循环试验对混合料试件的损伤程度大于饱水试验.

3 结 语

1)二灰钢渣土对于含水率的敏感性比二灰土小，因此施工时其压实质量更加容易控制.

2)二灰钢渣土各龄期水稳定性系数均大于二灰土配比，表明掺钢渣后混合料的水稳定性能有了一定提升.该系数呈现出早期低、后期高的规律，表明水对其强度的衰减作用在早期表现较为显著.

3)饱水试验中，二灰钢渣土无侧限抗压强度和回弹模量均表现出先急剧衰减，然后趋于稳定的特征.掺钢渣的配比衰减程度小于二灰土配比，钢渣掺量为30%的配比衰减值最小.

4)干湿循环试验中，二灰钢渣土的无侧限抗压强度与回弹模量均表现出与饱水试验相似的变化特征，但试验数据衰减幅度增加，钢渣掺量为30%的配比衰减值最小.

经过试验可以看出，二灰钢渣土与二灰土相比，具有更好的水稳定性能.同时，钢渣的掺入利用符合节能减排的原则，具有良好的工程应用价值.

［1］马士宾，许素兰，孙维丰，等.无机结合料稳定钢渣路用性能研究［J］.河北工业大学学报，2006，35(5):105－107.

［2］袁玉卿，吴传海，周鑫，等.二灰钢渣混合料力学性能试验研究［J］.武汉理工大学学报，2006，28(12):38－40.

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［5］杜小婷.半刚性基层的路用性能研究［D］.西安:西安建筑科技大学，2006.

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［8］梁波，丁立.粉煤灰作为填料的水稳性试验研究［J］.岩土工程学报，2002，24(1):112－114.