水泥粉煤灰稳定碎石钢渣混合料作为基层配合比的研究

张军林 任国斌 魏定邦1, 赵静卓1, 王晖1,

（1 甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030；2 甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司，甘肃 兰州 730203）

随着工业的发展,工业废渣逐渐增多，钢渣作为炼钢过程中产生的废渣，年产量大且利用率低，对自然环境造成了严重的破坏，怎样综合利用工业废渣。已经逐渐引起了国内外学者的重视。随着“一带一路”方针政策的进行，我国高等级公路的建设也在不断地向前飞速发展，与此同时，新建道路对石料庞大的需求加剧了石料开采规模，给环境带来了巨大的压力。水泥粉煤灰稳定钢渣作为主要承重层的基层具有高的强度、稳定性和耐久性，若能将钢渣在公路工程中得以应用，不但可以提高路面性能，还能够实现钢渣的循环利用，并在一定程度上降低工程造价，具有较大的社会和经济意义。

公路工程中对石料的基本要求包括力学性能和化学稳定性，由于钢渣的不稳定性，水泥粉煤灰稳定钢渣和新石料的掺配成为该领域目前的主流研究方向。本文研究了不同水泥剂量、粉煤灰剂量、钢渣掺量对基层混合料的最佳含水率、最大干密度，无侧限抗压强度的影响，就水泥粉煤灰稳定碎石钢渣用于高等级公路基层进行了理论研究。

1 实验部分

1.1 原材料

本文所用原材料各项技术指标均满足《公路路面基层施工技术规范》（JTG-TF20-2015）的要求。各原材料技术指标如下。

1.1.1 钢渣

钢渣取自酒泉钢铁集团有限公司，仅有一种规格，即0～53mm。根据级配要求，将钢渣断档为三种规格，分别为：0～4.75mm、4.75～13.2mm和13.2～26.5mm，并对钢渣进行泡水以除去氧化钙，焖料处理保证其稳定性，各项技术指标如表1所示。

1.1.2 新石料

新石料取自兰州公路管理局高养中心，共有七种规格。分别为：0～3mm、3～5mm、5～10mm、10～15mm、15～20mm、20～25mm和20～31.5mm，根据规范级配要求将26.5mm以上超粒径颗粒的剔除，各项技术指标如表2所示。

表1 钢渣的技术指标

表2 新石料的技术指标

1.1.3 水泥

本文所选用的水泥为祁连山牌水泥，强度等级为32.5MPa，其具体指标如表3所示。

表3 水泥的技术性质

1.1.4 粉煤灰

粉煤灰是二灰稳定碎石、水泥粉煤灰稳定碎石的主要材料，本文选用兰州西固宏大热电有限责任公司产袋装（二级）粉煤灰，其具体物理化学指标如表4所示。

表4 粉煤灰的主要化学成分及物理性能

为增加不同半刚性基层无机结合料的可比性，本试验中的半刚性基层材料级配均采用《公路路面基层施工技术规范》（JTG-TF20-2015）中规定的水泥粉煤灰稳定级配碎石推荐级配范围，均通过筛分逐级回配得到，具体级配如表5所示。

1.2 实验部分

1.2.1 最大干密度和最佳含水率

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中T0804-1994无机结合料稳定材料击实试验方法规定，采用重型击实（丙法）确定水泥粉煤灰稳定碎石钢渣混合料最大干密度及最佳含水率。

1.2.2 无侧限试件成型

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中T0843-2009无机结合料稳定材料试件制作方法（圆柱体）中规定由最大干密度和最佳含水率计算每个无侧限试件质量，采用压力试验机成型试件。

1.2.3 抗压强度

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中T0805-1994无机结合料稳定材料无侧限抗压强度试验方法，测试无侧限抗压强度。

2 结果与讨论

从图1a可以看出：在钢渣掺量分别为0%、50%、70%的情况下，水泥钢渣基层混合料的最佳含水率随着水泥剂量的增加而增大，但变化并不明显，表明水泥剂量在小范围内的变化对最佳含水率无显著影响。钢渣掺量低于50%、水泥掺量为3%～6%时，最佳含水率保持在0%～50%范围内且变化并不明显，但是当钢渣掺量由50%增大到70%时，最佳含水率增加较为明显（图1b）。

表5 半刚性基层水泥粉煤灰碎石推荐级配

水泥掺量分别为3%、4%、5%、6%的情况下，水泥钢渣基层混合料的最大干密度随水泥掺量的增加表现为先增大后减小的趋势，其中50%钢渣掺量对应的最大干密度最大（图2a）。图2b则表明在钢渣掺量分别为0%、50%、70%时，最大干密度会随着水泥剂量的增加而增大，但除了钢渣掺量为70%时该指标发生较大变化外，其余掺量下最大干密度的变化并不明显。

在水泥剂量分别为3%、4%的情况下，随着钢渣掺量的增加，水泥钢渣基层混合料的无侧限抗压强度降低，当水泥掺量为5%、6%时，随着钢渣掺量的增加，水泥钢渣基层混合料的无侧限抗压强度表现为先增大后减小的趋势，且50%钢渣掺量，6%水泥掺量下对应的无侧限抗压强度值最大（图5a）。从图5b可以看出，在钢渣掺量分别为0%、50%、70%的情况下，随着水泥剂量的增加，无侧限抗压强度有所增大。当水泥剂量大于4%以后，0%、70%钢渣掺量下的混合料随着水泥剂量的增加，无侧限抗压强度增长速度有所减慢，而50%钢渣掺量对应的混合料的无侧限抗压强度对水泥剂量的变化则比较敏感。

表6 二灰稳定钢渣基层混合料的最佳含水率、最大干密度、无侧限抗压强度

图1 a)钢渣掺量对最佳含水率的影响 b)水泥掺量对最佳含水率的影响

图2 a)钢渣掺量对最大干密度的影响 b)水泥掺量对最大干密度的影响

图3 a) 钢渣掺量对无侧限抗压强度的影响 b) 水泥掺量对无侧限抗压强度的影响

在二灰剂量为4%、钢渣掺量为50%的配比下，随着粉煤灰占水泥比例的增大，二灰稳定钢渣基层混合料的最佳含水率增大，最大干密度减小，其中水泥与粉煤灰配比为1:3时的无侧限抗压强度最大（表6）。

3 结语

本文通过不同水泥剂量、粉煤灰剂量、钢渣掺量对基层混合料的最佳含水率、最大干密度，无侧限抗压强度的影响进行研究，得到了以下结论：

1）相比钢渣掺量变化对最佳含水率的影响，水泥掺量的变化对最佳含水率的影响并不明显。

2）钢渣掺量增加会降低水泥粉煤灰稳定钢渣混合料的无侧限抗压强度，尤其当钢渣掺量为50%表现的更为明显，而水泥剂量增大可以提升无侧限抗压强度。从使用性能和经济性两方面综合考虑，采用钢渣掺量为50%，水泥剂量为4%或钢渣掺量为70%，水泥剂量为5%这两种配比，均可满足规范基层用无侧限强度为4.0～6.0MPa的要求。

3）当水泥剂量4%、钢渣掺量为50%、水泥与粉煤灰的比例为1∶3时，可以达到7d无侧限抗压强度为5.7MPa、最佳含水率为6.4%、最大干密度为2.566 g/cm3，满足基层用无侧限强度为4.0～6.0MPa的要求。

4）酒钢钢渣在路面基层中研究，为钢渣的利用开辟了新的道路。