钢渣对半刚性基层力学强度及稳定性影响分析

杨芙蓉，武旭，杨小森，张富奎，魏定邦，赵静卓，王晖，张军林，任国斌

(1.甘肃省交通工程质量安全监督管理局，甘肃 兰州 730000； 2.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司 甘肃省公路养护技术创新中心)

1 前言

水泥稳定类半刚性基层是中国高等级公路通用的基层形式，作为路面承重层，其力学性能和耐久性对路面的服役寿命至关重要。然而因水泥稳定材料的特点决定了该类基层易出现干缩开裂，严重影响了道路的服役质量。近年来，中国对环保重视程度日益提高，导致大批料场关停，造成公路建设中的石料匮乏及价格上涨。钢渣是一种钢铁企业生产过程中产生的固体废弃物，长期以来，未能有效利用而被随意堆放，不仅造成生态环境的加剧污染和破坏，而且占用大量的土地资源。大量研究表明钢渣是一种优良的筑路砂石可替代产品，同时具有一定膨胀性，如将其应用于半刚性基层中，不仅解决了钢渣引起的环境污染和公路建设石料匮乏问题，而且可通过膨胀特性补偿收缩达到减小基层易开裂几率。因此，钢渣作为骨料代替石料应用于水泥稳定类基层混合料中是当前研究的热点。

根据调查表明：在德、美等发达国家，超过50%的钢渣用于道路工程建设中，其中德国将钢渣应用于高等级公路面层和基层中，美国对钢渣在公路中的应用具有一套完整的应用体系。研究结果表明：钢渣可改善混凝土结构孔隙分布、提高混凝土强度和耐久性等。中国较多学者开展了钢渣在半刚性基层中的应用研究，喻平研究得出60%钢渣掺量下水泥稳定碎石混合料不仅强度满足要求，膨胀性也最为稳妥；张宗保等采用水泥和粉煤灰两种无机结合料综合稳定钢渣碎石，从而形成新型复合混合料来当作路面基层或底基层材料；梁铎，毛志刚研究了钢渣在水泥稳定碎石基层中的工程应用，结果证实了钢渣可用于半刚性基层并一定程度抵消或补偿水泥稳定类半刚性基层材料的收缩特性；龚耀通过研究水泥稳定钢渣-碎石设计得出，混合料的干缩系数随着钢渣的増加而减小，钢渣的掺入有助于提高混合料的抗开裂性能；黄浩将未陈化钢渣掺入水泥稳定碎石基层中，研究认为新钢渣的参考掺量不超过 50%为宜。

目前，国内外学者对于钢渣在基层中的应用研究成果众多，总结为钢渣可提升半刚性基层强度、减小半刚性基层的干缩应力及缓解沥青路面反射裂缝，钢渣掺量以≤50%为宜。然而对掺加不同比例钢渣对收缩补偿起到多大作用未见定量评价，同时也未见将钢渣原材料膨胀性与无机结合料稳定钢渣碎石混合料干缩特性建立相关分析。该文采用两种不同来源和不同陈化时间钢渣进行不同掺量下对水泥稳定碎石混合料的强度及干缩特性影响，为钢渣在干旱与半干旱地区半刚性基层中的规模化应用提供理论支撑。

2 原材料分析

2.1 钢渣

对两种来源钢渣(记为样本1和样本2)依据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》测试集料性能，结果如表1所示。

表1 钢渣各项性能测试结果

依据HJ/T 300—2007《固体废物 浸出毒性浸出方法 醋酸缓冲溶液法》标准测试两种钢渣样本的浸出毒性。结果见表2，两种来源钢渣对环境均无危害。

2.2 集料

粗集料采用规格为20～31.5 mm碎石、3～5 mm碎石和0～3 mm石屑，钢渣采用规格为5～10 mm和10～20 mm，细集料规格为<0.075 mm。集料试验结果见表3。

表2 钢渣安全性检测

2.3 水泥

表4 水泥试验结果

2.4 级配设计

钢渣因具一定活性，陈化时间不同和采用不同方式处理后其体积稳定性会发生显著变化。为对比不同性质钢渣应用于半刚性基层对强度及收缩特性的影响，采用了两种来源4种不同性质的钢渣，分别为样本2陈化5年钢渣，样本1新渣，样本1陈化3年钢渣，样本1经过90 ℃高温浸水3昼夜处理后的钢渣，并分别编号为B、C-1、C-2、C-3，其中未掺钢渣的全碎石混合料记为A。对4种性质钢渣，分别进行水泥稳定碎石混合料级配设计，钢渣掺量参考龚耀、黄浩等研究成果设计为50%。同时针对榆钢新渣C-1，进行不同掺量设计，设计掺量分别为10%、30%、50%和70%，并分析不同钢渣掺量水泥稳定碎石混合料的强度、收缩等性能变化规律。

3 试验方法

3.1 钢渣压蒸粉化率

依据GB 24175—2009—T 《钢渣稳定性检测方法》中压蒸粉化率试验测试钢渣原材料的体积稳定性。试验采用4.75～9.5 mm钢渣800 g，测试前进行清洗处理，随后将湿润状态钢渣放入压蒸釜中，在2.0 MPa的饱和蒸气压下蒸3 h，试验结束后将试样烘干，过筛称取1.18 mm以下钢渣，计算压蒸粉化率。

3.2 无侧限抗压强度和抗弯拉强度试验

试件成型和强度测试依据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行。

3.3 干缩试验

试验过程依据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中T0854进行，测试龄期为180 d。

4 结果分析

4.1 钢渣对水泥稳定碎石混合料力学性能的影响

选择钢渣C-1测试水泥稳定钢渣碎石混合料的无侧限抗压强度(4组试验)和抗弯拉强度(3组试验)，钢渣掺量为10%、30%、50%和70%，结果如图1、2所示。

图1 钢渣掺量对水泥稳定碎石混合料的强度影响分析

由图1得出：水泥稳定钢渣碎石混合料的无侧限抗压强度和抗弯拉强度均随着钢渣掺量的增大而增大。当钢渣掺量增加至70%时，抗压强度提升40.6%，抗弯拉强度提升82.1%。可见利用部分钢渣代替碎石，对水泥稳定碎石混合料的抗压强度和抗弯拉强度均具有显著的提升效果。其中，抗弯拉强度提升更为明显。

图2 钢渣掺量与水稳混合料力学强度的影响规律分析

由图2得出：钢渣掺量与水稳碎石混合料的抗压强度和抗弯拉强度呈显著的线性关系，相关系数为0.957 9和0.994 6。进一步证明，钢渣对水稳碎石材料的强度影响效果明显。其原因是钢渣强度较普通碎石高，同时具有胶凝性矿物成分，如C3S和C2S，在水泥稳定碎石混合料中发挥了一定的水化特性和胶凝作用，从而较普通水泥稳定碎石混合料具有更高的抗压强度和抗弯拉强度。

4.2 钢渣对水泥稳定碎石混合料干缩特性影响分析

4.2.1 水泥稳定钢渣碎石混合料的干缩应变分析

通过180 d每日干缩应变和累积干缩应变分析4种不同性质钢渣及不同掺量钢渣对水泥稳定碎石混合料的收缩性能影响。前10 d采集每日的干缩应变，第10～30 d采集每2 d的干缩应变，从30 d后每隔30 d采集一次干缩应变，120 d后每隔60 d采集一次干缩应变，具体结果见图3、4。

分析0～30 d每日干缩应变得出，前5 d的每日干缩应变呈现大幅下降趋势，其中以未掺加钢渣的全碎石混合料A变化幅度最大，其次为钢渣B和钢渣C。第5～10 d每日干缩应变基本稳定，日干缩应变变化幅度基本接近。从第30 d后，每隔30 d的干缩应变下降明显，仍以无钢渣的空白组变化幅度最大，掺入钢渣后的变化幅度基本接近。干缩应变达到120 d时，包括无钢渣和掺入钢渣的水稳混合料的干缩应变均接近于0，证明120 d后水泥稳定材料的干缩趋于稳定。

由图4(a)得出：随着时间的增长，累积干缩应变呈先增大后趋于稳定的变化规律，前期增长幅度明显，第90 d后增长变缓，第120 d基本趋于稳定。对比180 d的累积干缩应变得出，不同性质钢渣的水稳碎石混合料大小是A>B>C-3>C-2>C-1，其中C-3、C-2、C-1钢渣水稳碎石混合料累积干缩应变接近。180 d全碎石混合料累积总干缩应变为0.086%，钢渣组最小累积干缩应变为0.053%，为钢渣样本C-1，较全碎石混合料累积干缩应变减小0.036%。

图3 每日干缩应变变化规律

图4 累积干缩应变随时间的变化规律

由图4(b)得出，随着钢渣掺量的增大，干缩应变减小，原因是钢渣掺量增加导致钢渣膨胀应变增加，可抵消的收缩应变增大，从而水泥稳定钢渣碎石混合料的整体干缩应变减小。当钢渣掺量为70%时，累积干缩应变为0.051%，较全碎石混合料减小0.035%。

4.2.2 钢渣对水泥稳定碎石混合料干缩补偿性分析

在水泥稳定类半刚性基层材料中掺入钢渣，因钢渣具有一定膨胀性，可对水泥稳定性材料起到补偿收缩的作用。定义补偿收缩率来定量评价钢渣对水泥稳定混合料的补偿收缩特性，计算公式如下：

(1)

式中：Rcs为补偿收缩率；εA为全碎石混合料累积干缩应变；εB为掺钢渣混合料累积干缩应变。

对4种不同性质钢渣的水泥稳定材料随时间变化的补偿收缩率进行对比，并测试4种钢渣的压蒸粉化率指标，将补偿收缩率与钢渣体积稳定性建立关联性，结果如图5、6所示。

图5 4种不同性质钢渣干缩应变补偿收缩率分析

图6 补偿收缩率与体积稳定性的关系分析

由图5、6可知：4种钢渣和不同掺量下均呈现逐渐减小后趋向稳定的变化规律，前期补偿收缩率下降明显，直至90 d后补偿收缩率变化变小，120 d后基本达到稳定状态。4种钢渣的补偿收缩率大小为：90 d前为C-2>C-1>C-3>B，180 d时收缩率大小为C-1>C-2>C-3>B，最大为C-1钢渣补偿收缩率为37.7%，最小为B钢渣补偿收缩率为25.5%。

钢渣压蒸粉化率与在水泥稳定材料中的补偿收缩率具有较好的线性关系，相关系数达0.91。证明了钢渣在水泥稳定材料中的补偿收缩大小与钢渣自身的体积膨胀性有关，钢渣陈化时间越长，膨胀性越小，则补偿收缩率越小。然而对于陈化5年以上的B样本钢渣，50%的掺量下可以达到25.5%的补偿收缩率，可见钢渣具有较长的活性保持期，对水泥稳定类半刚性基层混合料的干燥收缩起到了显著的抵消作用。

对比不同钢渣掺量下的补偿收缩率(图7)得出：随着钢渣掺量的增大，补偿收缩率增大。达到最终稳定状态时，对于10%钢渣，可补偿收缩14.3%，对于50%钢渣掺量可补偿收缩29.3%，对于70%钢渣掺量，可补偿收缩40.1%。钢渣掺量越大，对水泥稳定碎石混合料补偿收缩越大。

图7 4种不同钢渣掺量补偿收缩率分析

5 结论

(1)水泥稳定钢渣碎石混合料的无侧限抗压强度和抗弯拉强度随钢渣掺量的增大而增大。当钢渣掺量增大至70%，抗压强度提升40.6%，抗弯拉强度提升82.1%，且钢渣掺量与半刚性基层的强度呈显著的线性关系。

(2)水泥稳定材料的干缩应变以前5 d降低幅度最大，随着时间延长，日干缩应变逐渐减小，累计干缩应变先快速增大后趋向稳定，120 d后基本达到稳定状态。加入钢渣后，水泥稳定钢渣碎石混合材料的每日干缩应变率和累积干缩应变均呈减小变化趋势。且随着钢渣掺量增大，累积干缩应变减小，当钢渣掺量为70%时，累积干缩应变为0.051%，较全碎石混合料减小0.035%。

(3)4种不同性质钢渣掺量均固定为50%时，180 d时的补偿收缩率大小为C-1>C-2>C-3>B，最大补偿收缩率为37.7%，最小为25.5%。随着钢渣掺量的增大，补偿收缩率增大，当钢渣掺量增大至70%，可补偿收缩40.1%。钢渣膨胀性与水泥稳定材料中的补偿收缩率具有较好的线性关系，钢渣陈化时间越长，膨胀性越小，则补偿收缩率越小。

(4)在水泥稳定类半刚性基层中掺入一定量钢渣，不仅提高了无侧限抗压强度和抗弯拉强度，而且对干燥收缩起到了良好的补偿减小作用，保证了半刚性基层的体积稳定性，降低了开裂概率。