钢渣对水泥稳定碎石混合料路用性能的影响

王红伟，张红日，蓝天助

(1.广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007；3.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

钢渣是炼钢的副产品之一，主要来源于铁水和废渣形成的氧化物。据统计，2018年中国钢铁产能超过1亿t[1]。因此，需妥善处理大量的废渣。通常，废渣有部分可以被钢厂回收利用[2]，而其余则可用于工程等领域，但大部分均是堆放处理。这种固体废弃物的处置方式不仅占用了大量的土地资源，而且由于钢渣中有害成分的泄漏，可能会给环境带来负担。

钢渣具有较高的硬度和耐磨性，使其足以用于道路和建筑工程领域[1]。如果用钢渣部分或全部代替道路用混合料中的骨料，不仅可以提高钢渣的利用率，而且可以缓解土木工程资源的短缺，减少对环境的破坏。许多国家钢渣的利用率已达到90%以上[1]。而我国离这一目标还很远，我国“十四五”规划已重视固废资源化利用的关键问题，交通运输部相关规划也将其作为重要一环。因此，加快钢渣在道路工程的应用研究有重要的社会和经济价值。

目前关于钢渣在道路工程的应用研究，主要集中于面层和基层的应用。如谢勇等[3]测试了三种钢渣沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性以及体积膨胀性能，均符合工程要求。徐方[4]探讨了钢渣及钢渣基层材料的体积稳定性。曾梦澜[5]研究了钢渣在路面基层中的应用。郑武西[6]研究了钢渣在水泥稳定碎石基层中的应用。可见，钢渣对路面基层材料的各项路用性能具有一定影响，且这些影响与多种因素有关，如钢渣掺量与性质、水泥掺量、级配等。因此，本文主要研究不同水泥和钢渣掺量对水泥稳定碎石混合料路用性能的影响。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验所用水泥为42.5 MPa的普通硅酸盐水泥。根据JTG E42-2005[7]，测定了钢渣和石灰岩的物理和力学性质，结果如表1所示。可见，钢渣和石灰岩的表观密度相差很大，而压碎值则更小。钢渣的形状多为均匀的圆形颗粒，几乎不存在针片状颗粒。由于钢渣表面多孔，比表面积较大，因此钢渣的吸水率比石灰岩高。这些指标均满足相关规范要求。钢渣的级配如表2所示。采用X射线荧光光谱仪测定了其化学成分，如表3所示。CaO、Fe2O3、MgO、SiO2是钢渣的主要氧化物成分，四者总量占81.48%。

表1 沥青技术指标表

表2 钢渣的筛分结果表

表3 钢渣的化学成分表

1.2 混合料制备

水泥稳定碎石混合料的级配如表4所示。由于钢渣具有较大的表观密度，当利用钢渣替代石灰岩时，采用体积等价方法。因此，应对各粒径集料进行体积-质量转换。合适的水泥含量将确保混合料具有足够的强度及早期开裂的抵抗能力，因此选取水泥含量为3%～5%。钢渣替代方案配比如表5所示。

表4 水泥稳定碎石的级配表

表5 水泥稳定钢渣碎石配比方案表

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[8]，对不同钢渣含量的样品进行击实试验，以确定含水量与干密度之间的关系。绘制压实曲线，计算最大干密度(MDD)和最佳含水量(OMC)。

采用直径和高度均为150 mm的圆柱形试样进行无侧限抗压强度、抗压弹性模量和劈裂强度试验。用于收缩试验的试样为100 mm×100 mm×400 mm棱柱试样。模制样品的压实度控制在98%。每个试验条件至少制备三个样品。抗压回弹模量与劈裂强度试验试件在95%相对湿度和25 ℃温度下养护90 d，干缩样品养生7 d，其余样品养生28 d。

2 水泥稳定钢渣碎石混合料的路用性能研究

2.1 最佳含水量和最大干密度

本文所测得的不同钢渣掺量的最佳含水量和最大干密度结果如下页图1所示。由图1可知，对具有相同水泥含量的混合料，最佳含水量随钢渣掺量增加而增大，这主要是由于钢渣表面孔隙较多，吸水率较大所导致；最大干密度随钢渣掺量的增加而增加，这主要是由于钢渣的容重较大所致。

2.2 无侧限抗压强度

下页图2给出了不同混合料的7 d无侧限抗压强度试验结果图。由图2可知，7 d无侧限抗压强度随水泥掺量的增加而增大，而4%掺量时的最小无侧限抗压强度满足《公路沥青路面设计规范》[9]的要求。因此，重点关注4%含量时不同钢渣含量的混合料性能。

(a)最佳含水量

图2 不同钢渣掺量混合料的7 d无侧限抗压强度结果柱形图

图3给出了水泥含量为4%时混合料在28 d时的无侧限抗压强度。钢渣掺量从40%增加到60%，该强度是增大趋势，这可能是因为钢渣表面的粗糙纹理增强了试件内部颗粒的嵌挤，增加了抗损伤能力。另外，钢渣中的胶凝组分也会促使试件强度更大。当钢渣进一步替代碎石，由于孔隙过多和吸水率高，过多的钢渣会使试样内部的空隙增大，从而不利于强度的形成。80%钢渣掺量的试件强度有所下降，表明孔隙率的不利影响开始大于钢渣粗糙表面结构和胶凝组成的积极影响。

图3 各混合料的28 d无侧限抗压强度结果柱形图

2.3 劈裂强度

图4给出了水泥含量为4%时各混合料的劈裂强度试验结果。由图4可知，该强度随钢渣掺量的变化趋势与28 d无侧限抗压强度一致。且劈裂强度大小与规范中水泥碎石的劈裂强度相当，因此水泥稳定钢渣碎石混合料可以替代水泥碎石混合料，用于沥青路面的基层。

图4 各混合料的劈裂强度结果柱形图

2.4 抗压回弹模量

基层回弹模量一直是路面设计的一个重要参数，对沥青路面的整体力学性能有重要的影响。图5给出了各混合料的抗压回弹模量的结果。由图5可知，回弹模量随钢渣掺量的变化趋势与劈裂强度类似。且该值与规范中水泥碎石的要求值相当，因此水泥稳定钢渣碎石可替代水泥碎石作为路面基层。

图5 各混合料的抗压回弹模量结果柱形图

2.5 干缩性能

干缩主要是毛细管张力作用、吸附水分子间作用、层间水作用及碳化脱水作用引起的宏观体积的变化。干缩性能与干缩应变有很大关系，所以本文以干缩应变评价干缩性能。各混合料的干缩应变如图6所示。在前期(7 d)干缩应变的曲率较大，说明干缩问题主要发生在前一周，这主要是因为前期水分迅速损失所致，因此当钢渣用作基层材料时，施工前期应注意保存基层中的水分，以减少收缩问题。另外，干缩应变随钢渣掺量的增加而减小，可见，钢渣的加入有助于减小基层的收缩。

图6 含不同钢渣掺量混合料的干缩应变结果曲线图

3 结语

(1)水泥稳定钢渣碎石混合料的抗压强度、劈裂强度及抗压回弹模量随钢渣掺量的增加呈现先增后减的趋势。

(2)水泥含量为4%时，水泥稳定钢渣碎石混合料的劈裂强度与抗压回弹模量与水泥碎石的规范要求值相当，因此其可以代替水泥稳定碎石用作路面基层。

(3)水泥稳定钢渣混合料的抗压强度、劈裂强度及抗压回弹模量在钢渣掺量为60%时，达到最大值，因此最佳钢渣掺量可选为60%。

(4)干缩应变随钢渣掺量的增加而减小，因此钢渣的加入有助于减小干缩问题；干缩应变随龄期增大而增大，且变化率越来越小，因此在钢渣基层施工前期应着重控制基层中的水分损失，以防止干缩发生。

(5)目前钢渣可用于水泥稳定碎石混合料，但后续仍应注意由于钢渣的引入可能造成的后期基层病害问题。