钢渣在水泥稳定碎石基层中的工程应用研究*

2020-06-03温永钢

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2020年2期

梁铎温永钢杨超谢君李杰

(内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司1) 呼和浩特 010050) (武汉理工大学材料科学与工程学院2) 武汉 430070) (中交第一公路工程局有限公司3) 北京 100024)

0 引言

水泥稳定碎石半刚性基层作为路面主要承重层，其力学性能和耐久性能对整个路面服役寿命有重大影响[1-2].钢渣作为一种常见工业废渣，其产生量大、堆积量多、且对环境污染严重[3].近年来研究发现钢渣棱角丰富，物理力学性能良好，如能将这些钢渣用作路面材料，将会大大提高钢渣利用率，减少对环境的污染[4].

潘放等[5]研究了安徽马鞍山钢渣作为沥青路面基层集料的可行性，结果表明,钢渣含有一定活性的游离氧化钙含量，其制备的混合料的加州承载比(CBR)值可达到标准值的250%～400%，同时其浸水膨胀率也较小.郑武西[6]研究了日照市钢渣的体积膨胀性和水泥稳定碎石-钢渣的力学性能，结果表明,两组钢渣平行样的浸水膨胀率分别为0.64%和0.67%，水泥稳定碎石钢渣混合料的无侧限抗压强度、间接抗拉强度、抗压回弹模量都会随着钢渣掺量增加而增大.冯群英[7]对水泥稳定钢渣碎石基层在昆明绕城公路的工程应用、经济效益和环境影响进行了初步的分析评价.周启伟等[8]提出了解决钢渣膨胀性不良的方法并分析了钢渣在路面基层中的应用前景.Li等[9]研究了水泥稳定钢渣碎石混合料的干缩和温度特性，结果表明，水泥稳定钢渣碎石干缩应变较小，不会产生较大的温度收缩应变，用钢渣代替基层碎石是可行的，有利于改善半刚性基层材料的干缩和温缩特性.

综上所述，钢渣具备高强度和抗滑耐磨等特性，经陈化后的钢渣体积稳定性较好，且用其制备的水泥稳定钢渣碎石混合料性能良好.基于前期实验基础，将CB-1水泥稳定钢渣碎石混合料应用在G65包茂高速上基层试验段，研究了现场拌和混合料的性能及其试验段的相关性能，以期推动钢渣集料在基层中的应用.

1 原材料与混合料配合比设计

1.1 原材料

钢渣水泥稳定碎石混合料涉及的主要原材料有钢渣、安山岩和水泥三种，其中钢渣来自包头某吗有限责任公司的转炉钢渣(以下简称包钢钢渣).通过文献[10]对包钢钢渣的性能进行检测，其测试结果见表1.由表1可知，包钢钢渣的压碎值和磨耗值等指标均满足规范要求，其f-CaO含量远低于规范中小于3%的要求.安山岩细集料和水泥分别来自内蒙古某碎石场和某有限责任公司.

表1 包钢钢渣集料相关性能测试结果

1.2 水泥稳定钢渣碎石混合料的配合比设计

G65高速试验段中铺设的水泥稳定碎石混合料的设计采取两种掺配方式，分别为粗集料为钢渣、细集料为天然集料安山岩的粗钢细石组，简称为GT组；粗细集料全为钢渣的全钢渣组，简称为GG组.粗细集料分界线为4.75 mm.水泥稳定碎石混合料的级配设计采用等体积替换方法.GT组和GG组混合料的级配曲线分别见图1.GT组的水泥剂量为5.0%和4.5%，GG组的水泥剂量为4.0%，三种混合料的标准击实实验结果见表2.

图1 混合料合成级配曲线

表2 混合料标准击实实验结果

混合料类型水泥剂量/%最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)GT组5.04.62.787GT组4.54.62.825GG组4.05.02.855

2 试验段的铺筑与检测方法

2.1 试验段铺筑

水泥稳定钢渣集料上基层试验段在G65包茂高速公路(包头至东胜路段)K70+600—K72+100处铺筑，长度为1.5 km，采用三种配比的水泥稳定钢渣碎石混合料分四分段铺设，每个分段对应的桩号及混合料的材料组成见表3.试验段的铺设过程见图2.

表3 试验段四段对应的桩号及材料组成

图2 水泥稳定集料钢渣上基层试验段的铺筑过程

2.2 混合料及其基层试验段性能的检测方法

在拌合站选取具有代表性的湿料带回工地试验室采用BKJ-3多功能电动击实仪进行标准击实，并分别进行干密度、含水率和水泥剂量滴定的测试.将拌和站拌和的混合料取回工地试验室进行标准试件的成型和养生.成型试件压实度按98%控制，采用WE-1000万能材料试验机进行静压成型.养生方式为标准养护6 d，然后浸水1 d.依据文献[11]采用WE-300B万能材料试验机对试件进行7 d无侧限抗压强度测试，试件尺寸直径×厚度为150 mm×150 mm，加载速率为1 mm/min.

参照文献[12]，采用灌砂法(Φ15 mm)和LXBP-5A智能八轮平整度仪测量水泥稳定钢渣集料上基层试验段的压实度和平整度.压实度按每100 m一个点，现场量砂的松方密度为1.38 g/cm3.平整度仪的测试速度维持在在7 km/h左右，每隔100 m仪器自动计算该路段的平均平整度.试验段弯沉值的测量借助CFWD-10T型车载全自动落锤式弯沉仪，该仪器每25 m一点测定弯沉指标.弯沉代表值为弯沉测量值的上波动界限，可通过式(1)计算：

lr=l+SZa

(1)

式中：lr为弯沉代表值(0.01 mm)；l为实测弯沉的平均值；S为测试弯沉值的标准差；Za为与要求保值率有关的系数，根据规定水稳基层Za值取2.0.

3 试验段性能研究

3.1 现场混合料的含水率和水泥剂量

现场拌合的混合料的湿密度、含水率和水泥剂量滴定结果见表4.由表4可知，现场测试出的混合料的含水量满足规范±2%的要求，滴定出的水泥剂量也满足规范±0.5%的要求.三种混合料的湿密度均高于2.9 g/cm3，吸水率高的特性并未使混合料的含水量测定出现偏差.

表4 三种配比的混合料的密度、含水量和水泥剂量

3.2 标准养生试件的7 d无侧限抗压强度

三种混合料的标准养生后的试件见图3，其7 d无侧限抗压强度结果见表5.表中数据显示三种混合料的强度均超过9.0 MPa，其中5%水泥用量的GT组其抗压强度最大，高达9.9 MPa.采用更少水泥用量的GG组混合料的强度略高于水泥用量为4.5%的GT组，这源于GG组含有更多的钢渣组分.钢渣集料经水泥中的碱性成分激发后发生水化反应相互结合在一起，在宏观上表现为钢渣间遇水发生“板结效应”.同时钢渣中的硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙(β-C2S)矿物与水反应生成水化硅酸钙(C—S—H)和CaCO3、Ca(OH)2及铝硅酸盐等物质，这能极大地提升整体混合料的抗压强度.而GG组混合料强度的变异系数较大，其95%保证率的值RC0.95较GT组小，但仍远高于5 MPa的强度设计值.

图3 现场拌和成型的三种配比标准养生试件

表5 钢渣水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度结果

试件类型GT组(5.0%)GT组(4.5%)GG组(4.0%)强度算术平均值Rc/MPa9.99.59.7标准差S0.260.390.98变异系数CV/%2.574.1010.1595%保证率的值RC0.95/MPa9.58.98.0

3.3 压实度

水泥稳定钢渣集料上基层试验段的压实度测试结果见表6.试验段的碾压工艺是车速为2 km/h的初压、车速为4 km/h的复压和车速为5 km/h的终压的组合碾压工艺.其中，初压采取单钢轮压路机来回弱振-强振-弱振辗压各一遍的工艺；复压采取胶轮压路机辗压二遍的工艺；终压采取双钢轮压路机静压一遍的工艺.此辗压工艺测定的压实度为93.0%，96.2%和96.1%，即为表6中的前3次检测结果，不满足规范压实度98%的要求.经观察现场路面出现钢渣集料“蹦出”的现象，考虑到是钢轮压路机的强振与坚硬的钢渣发生碰撞而使得钢渣弹开，导致混合料出现松散情况，故对辗压工艺进行了一定程度的改进.

表6 水泥稳定钢渣集料上基层试验段压实度检测结果

改进的初压工艺为单钢轮压路机静压一遍和弱振三遍，复压工艺将胶轮压路机的二次辗压提升为四次，终压工艺保持不变.经检测，此辗压工艺测定的基层试验段压实均满足要求(即表6后10次检测结果)，且最终趋于稳定.压路机在水泥稳定钢渣集料基层压实时与普通水稳基层的不同在于压实钢渣基层时压路机的振动幅度大，易出现振幅涌，振动频率相对高.因此，水泥稳定钢渣基层相较普通水泥稳定碎石基层，其应该避免强振，易多采用胶轮压路机辗压，且终压需采用双钢轮压路机的静压辗压工艺.

3.4 平整度

基层试验段各分段的平均平整度测试结果见图4.由图4可知，全路段钢渣水稳基层的平整度平均值均小于2 mm，满足高速公路平整度仪测试方法对平整度的要求，其中第三段(全钢渣GG路段)的平整度的标准差和变异系数最小.这是因为钢渣较天然集料的棱角和纹理更加丰富，具备多支撑点集料骨架结构，使其在碾压中更容易相互嵌挤而成型.

图4 试验段四分段的平整度

3.5 弯沉值

落锤式弯沉仪在K70+700—K72+100路段左右两侧每隔25 m记录一次弯沉值，该区域每测共记录59个数据点，每个测量点对应的弯沉值见图5.由图5可知，左右两侧的弯沉值均位于20(0.01 mm)附近，其中右侧的弯沉值的波动幅度较左侧大，但其最大弯沉值仍不高于35(0.01 mm).选取K70+700—K71+150这150 m路段共计19个测量点作为弯沉值的评估路段，该路段的落锤弯沉值与等效贝克曼梁弯沉值的相关性见图6.图6显示两者具有良好的线性相关性，其拟合相关系数R2达到0.996 8，这说明该路段具有一定的代表性.根据测量点的弯沉值计算得到的试验段的弯沉平均值和代表值见表7.表7显示落锤弯沉仪测量的弯沉平均值和弯沉代表值分别为18.08(0.01 mm)和23.20(0.01 mm)，满足试验段27.70(0.01 mm)的弯沉设计值的要求.这表明低压碎值和高磨光值的钢渣集料的加入能在一定程度上提升水泥稳定碎石基层的抗变形能力，使其具有更小的弹性应变.