干旱寒冷地区水泥稳定钢渣碎石基层特性研究

辛德军，刘志强，冀 欣，盛燕萍，龙云飞，陈华鑫

(1.包头交通投资集团有限公司，内蒙古 包头 014030；2.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710064；3.交通铺面材料教育部工程研究中心，陕西 西安 710064；4.包头市公路规划勘察设计有限公司，内蒙古 包头 014040)

0 引 言

新渣排放和老渣堆积等问题已困扰中国钢铁厂多年，不仅占用土地还污染环境，给企业的生产发展带来很大困难，如何合理高效处理废渣成为当今关注的突出问题[1-3]。中国90%以上的高速公路采用以水泥为代表的无机结合料稳定材料作为基层，但是随着国家基建规模不断扩大，加之道路养护和建设任务需要大量石料，而今石料短缺现象严重[4-5]。中国内蒙古地区因干旱寒冷、日温差大等不良气候条件，半刚性基层施工困难及传统基层已不能满足交通荷载对其强度、刚度和承载能力的要求[6-7]。在国家“交通强国”建设重大战略和“十四五”发展规划中明确提出提升道路品质的大背景下，如何解决上述问题是目前研究的热点之一。

针对半刚性钢渣基层性能的影响，国内外学者进行了大量研究。冯英群等研究了昆钢陈化转炉渣在昆明绕城高速公路工程中的应用，结果表明施工现场基层试件最佳含水量率为8.3%，7d无侧限抗压强度值为3.4 MPa，钢渣可改善基层的抗干缩性能[8]；郑武西等研究了日钢钢渣半刚性基层的力学性能，60%钢渣掺量(质量比)的基层其无侧限抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量得到极大提升，钢渣不利于基层温缩性能的改善[9]；黄浩等研究了浙钢未陈化的新渣在基层中的应用，得出钢渣中掺入0.5%硅灰后，浸水膨胀率从2.69%降低到0.2%，且75%钢渣掺量(质量比)的基层混合料较普通水稳碎石基层抗冻系数提高约5.9%[10]。对特殊寒冷地区的半刚性基层研究，多数学者大都研究了传统碎石水稳基层在低温养护环境下的路用性能。盛燕萍等研究了不同养护温度下早强型水稳碎石的早强低收缩特性，-5 ℃养护环境下早强型水泥碎石基层比传统基层早期抗压强度和劈裂强度分别提高33%和49%，15～-5 ℃变温养护环境下分别提高32%和28%[11]。徐安花研究了高寒地区水稳砂砾的抗冻性能，细级配水稳砂砾材料较粗级配表现出更优的抗冻性能，且振动成型的基层材料抗冻性能更好，抗冻性能因素的影响程度依次为成型方法>水泥剂量>级配类型[12]。LI等研究了水稳钢渣碎石的干缩和温缩特性，发现钢渣掺入会减小基层干缩应变，且不会产生较大温缩应变[13]。水稳钢渣基层的性能研究已经很多，但大多是针对常温环境条件，针对干燥寒冷环境下钢渣基层强度的形成和收缩性能研究很少，且多数学者忽略了钢渣密度大导致设计级配与目标级配不符的问题。在《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)[14]中指出：水泥稳定粗粒土作基层时，水泥剂量不宜超过6%，且施工日期最低气温应在5 ℃以上，冰冻地区应在第1次重冰冻(-3 ～-5 ℃)到来之前半个月到一个月完成施工。以内蒙古地区为例，气温大致可分为4个区[15]，即第1区为西部，第2区为中部，第3区为东南部，第4区为北部，各区各季节1951—1995年气温变化平均值见表1，从中可以看出内蒙各区年平均温度在0～6 ℃，而最适合基层施工的春秋季温度在0～10 ℃。当在低温、降温及干燥地区施工时，基层强度形成困难且易产生裂缝，裂缝反射到路面时形成反射裂缝，会严重影响路面使用质量和寿命[16]。

表1 内蒙古各区气温平均值 ℃

根据内蒙全季气候条件以及基层最低施工温度，针对内蒙干旱寒冷地区钢渣基层的力学和收缩特性展开系统研究。采用体积设计方法将不同水泥剂量和不同比例的钢渣与碎石掺配，根据无侧限抗压强度值对配比进行了优选。对优选的水泥稳定钢渣碎石基层在低温和变温养护条件下的无侧限抗压强度、间接抗拉强度和收缩性能进行了研究(图1)。

1 材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥

采用陕西咸阳冀东水泥厂生产的P·C 32.5级硅酸盐水泥，密度为3.14 g/cm3(表2)。

表2 水泥技术指标

1.1.2 集料

集料选用钢渣和石灰岩碎石2种，其中钢渣来自内蒙古包头钢厂的热闷钢渣，碎石来自陕西礼泉所产的石灰岩。钢渣表面多孔粗糙，一定程度上提高了骨料间的嵌挤能力(图1)。矿物组成和化学组成如图2和图3，从矿物组成来看钢渣中含有C3S和C2S，这使得其具有一定的水化潜力。另外还含有铁氧体及难溶的RO相；化学成分上，CaO,SiO2和Al2O3含量较高，一定程度上有助于体系中铝硅酸盐凝胶的形成(表3)。

表3 集料技术性质

图1 钢渣及表面微观构造

图2 钢渣矿物组成

图3 钢渣化学组成

1.2 试验方案

研究设水泥剂量为4%，5%和6%，钢渣掺量为0%，45%，65%和85%(体积比)。将水泥和钢渣组成的水泥稳定钢渣碎石基层试件按照《无机结合料稳定材料试验规程》[17]分别进行击实试验并测试7 d标准养护龄期下的无侧限抗压强度，根据试验结果优选出水泥剂量和钢渣掺量。

在优选的水泥剂量和钢渣掺量下，将静压成型的φ150 mm×150 mm圆柱体基层试件在3种不同养护条件下养护，既标准养护(温度为20±2 ℃，湿度为95%)，-5 ℃低温养护和15～-5 ℃变温环境箱养护。变温养护时，设置15，10，5，0和-5 ℃共4个温度梯度，环境箱初始温度设为15 ℃，每个温度梯度保温2 h，降温速率为0.5 ℃/min。低温养护时，湿度难以控制固不严格要求。每种养护条件下设试验组(掺钢渣)与对照组(不掺钢渣)，按照《无机结合料稳定材料试验规程》进行1，3，7和28 d无侧限抗压强度及7，14，28和60 d间接抗拉强度测试。

将在20 ℃、5 ℃和0 ℃养护规定龄期的(环境湿度设置为50%，0 ℃时湿度不作严格要求)100 mm×100 mm×400 mm中梁基层试件按照《无机结合料稳定材料试验规程》进行收缩试验。试验时将梁式试件两端固定千分表，在对应龄期下读取千分表读数，以收缩应变作为控制指标(图4)。

2 配合比设计

2.1 级配设计

根据《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)[14]中水泥稳定碎石级配的相关要求，选用能够发挥骨架嵌挤作用的C-B-3型骨架密实级配。因钢渣密度较大，若按质量比作为体积比，会造成合成级配与目标级配的误差，固本研究在级配设计中使用体积法设计。四档钢渣1#钢渣(0～4.75 mm)，2#钢渣(0～9.5 mm)，3#钢渣(5～16 mm)，4#钢渣(9.5～31.5 mm)和三档石灰岩1#石灰岩(0～9.5mm)，2#石灰岩(9.5～19 mm)，3#石灰岩(19～31.5 mm)掺配成符合基层级配要求的混合料。各档骨料筛分情况见表4，0%,45%,65%及85%(体积法)钢渣掺量的基层级配设计见表5。

表4 每档骨料级配

表5 基层材料骨架密实型级配设计

采用重型击实试验，分3层且每层击实98次，3种水泥剂量(4%、5%和6%)和4种钢渣掺量(0%，45%，65%和85%)组成的基层混合料及实试验结果见表6。

表6 钢渣基层混合料的最佳含水率和最大干密度

2.2 配合比优选

基于击实试验结果，将不同配比混合料静压成型圆柱体试件，并在标准养护条件下测试7 d无侧限抗压强度(表7)。

由表7可见，水泥掺量增加，钢渣基层试件7 d无侧限抗压强度均有所提高；基层7 d抗压强度随钢渣掺量增加呈现先增大后减小的趋势，65%钢渣掺量的基层试件抗压强度最高，钢渣表面孔隙富集，孔隙增多会吸附水泥阻碍其水化，即使钢渣自身水化会提高基层强度，但水泥是混合料增强的主要途径。根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)[18]要求，4%水泥剂量的钢渣基层只满足高等级公路的中、轻交通量需求，与极重、特重交通量所需的7 d无侧限抗压强度还相差甚远，固本研究选取5%和6%水泥剂量，45%和65%钢渣掺量的基层配比进行不同养护温度下力学和收缩特性的研究。

表7 7 d无侧限抗压强度

3 干旱寒冷地区钢渣基层特性

针对内蒙古地区温度特点，模拟干旱寒冷气候下钢渣基层养护条件，设计了20 ℃(常温)、-5 ℃(低温)和15～-5 ℃(变温)养护环境，研究特定养护条件下钢渣基层试件的强度特性和收缩特性。

3.1 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度为轴向施加压力与试验接触面积的比值，为各等级公路设计的最重要指标[19]。图4为不同养护条件下5%和6%水泥剂量的钢渣基层无侧限抗压强度，增加水泥剂量或钢渣掺量均能提高钢渣基层的抗压强度，水泥剂量对增强的提升效果更加明显；无论何种水泥掺量，不同养护温度下钢渣基层抗压强度均随养护龄期的增加而增大，且后期强度提升幅度较大；钢渣基层抗压强度随养护温度的降低而减小，20 ℃养护温度下强度最高，-5 ℃下强度最低。当水泥剂量为5%且养护温度分别为20 ℃、-5 ℃和15～-5 ℃时，钢渣基层(65%钢渣掺量)较普通碎石基层1，3，7和28 d强度分别提高了80%，66.7%，25%和15.2%，75.7%，66.7%，62.5%和35.7%，87.5%，57.9%，25%和24.4%；65%钢渣掺量较45%钢渣掺量混合料在20 ℃，-5 ℃和15～-5 ℃养护下7 d抗压强度分别提高20%，56.3%和25%。当水泥剂量为6%时，65%钢渣掺量基层较同钢渣掺量的5%水泥剂量基层在20℃，-5℃和15～-5 ℃条件下的7 d抗压强度提高18.2%，18.5%和20%，并且-5 ℃养护条件下65%钢渣掺量基层7 d抗压强度可达3.2 MPa。养护前期，在水泥和钢渣共同水化的作用下，水化产物迅速填充并与骨料紧密粘结形成致密结构，钢渣基层1和3 d抗压强度提高明显。养护中后期，水泥和钢渣水化趋于完全，基层强度增幅较小。在低温及变温养护时，钢渣基层抗压强度低于标准养护强度，说明温度仍然是影响抗压强度的主导因素。另外，变温养护钢渣基层抗压强度增幅最低，这与钢渣水化产物和次生矿物对温度较碎石敏感有关。钢渣基层在低温养护下强度增幅高于标准养护，说明相比于碎石，钢渣在低温环境下对基层抗压强度的改善更有效。

图4 不同养护条件下5%和6%水泥剂量钢渣基层无侧限抗压强度

3.2 间接抗拉强度

间接抗拉强度又称劈裂强度，可反映材料的内部的破坏，即弯拉破坏[20]。图5为不同养护条件下5%和6%水泥基层的间接抗拉强度，劈裂强度与抗压强度各龄期变化规律类似。同一养护温度下，劈裂强度随水泥剂量或钢渣掺量的增加而增大，且均随养护龄期的增长而增加，养护前期强度增长速率较快，后期趋于平缓；同温度、龄期、水泥剂量和钢渣掺量下，钢渣基层劈裂强度始终优于普通水稳碎石基层；劈裂强度随养护温度的降低而逐渐减小。5%水泥剂量下，20 ℃，-5 ℃和15～-5 ℃养护28 d时65%钢渣掺量基层较普通水稳基层劈裂强度均值提高20.9%，30.7%和25.7%，而6%水泥剂量分别提高18.7%，29.9%和25.9%，-5 ℃时钢渣基层劈裂强度增幅最大，但与其他养护温度下的强度值相比还低很多。另外，5%水泥剂量下，20 ℃，-5 ℃和15～-5 ℃养护28 d时65%钢渣掺量基层劈裂强度较45%钢渣掺量基层分别提高8.5%，11.8%和10.7%，6%水泥剂量下则为7.7%，10.1%和8.6%。低温和变温养护环境下尤其是-5 ℃时，劈裂强度随钢渣中铁铝酸四钙(C4AF)含量的增加而明显增大，而变温下钢渣中温度敏感矿物会阻碍其水化进程。以上说明，钢渣确实可以提高基层低温下的劈裂强度，同时，钢渣水硬性在养护14～28 d时才被激发使基层劈裂强度增加迅速。

图5 不同养护条件下5%和6%水泥剂量钢渣基层间接抗拉强度

3.3 收缩性能

图6为不同养护条件钢渣基层收缩应变与养护龄期的关系。钢渣基层收缩应变随养护龄期的增加呈上升趋势，开始增速较快，后期趋于平缓；5%水泥剂量的钢渣基层试件收缩应变总体上小于6%水泥剂量的钢渣基层试件；同养护条件和水泥剂量，钢渣基层的收缩应变随养护温度的降低而增加，并且钢渣基层抗收缩性的能力随温度降低而逐渐减弱。以65%钢渣掺量为例，6%水泥剂量的钢渣基层在20，5和0 ℃养护温度下的收缩应变较5%水泥剂量钢渣基层相比，分别提高22%，21.4%，22.7%，而较普通水稳碎石基层分别减小63.6%，38.7%和24.5%。当水泥剂量为5%时，65%钢渣掺量基层在20，5和0 ℃养护温度下的收缩应变较水稳普通碎石基层减小77.1%，46.8%和29.9%，较45%钢渣掺量基层减小50.5%，27.7%和14.3%。水泥越多其水化需水量越大，剧烈的水反应过程会引起以毛细管收缩为主的体积收缩，而钢渣中所含有的f～CaO和f～MgO遇水生成Ca(OH)2和Mg(OH)2致使体积膨胀，在一定程度上限制了基层的收缩。另外，水泥水化产物与钢渣粗糙表面的结合效果优于碎石，其次钢渣集料微弱水化所形成的产物也会与水泥水化产物交织在一起，这有利于抗收缩。随着养护温度的降低，钢渣改善基层抗收缩的能力减弱，钢渣改善基层抗收缩的能力减弱，这与低温环境湿度不足以及混合料缺乏为钢渣膨胀所提供的自由水有关。温度和湿度降低，混合料水化速率减缓且层间水开始蒸发，晶格间距变小，导致其宏观体积收缩。综上可知，增大水泥剂量更容易导致基层收缩开裂，基层中掺入钢渣可以改善基层的抗收缩性能，尤其是在20和5 ℃养护温度更为明显。

图6 不同养护条件下5%和6%水泥剂量钢渣基层收缩应变

4 结 论

1)钢渣对基层整体强度尤其是早期强度有所改善。在-5 ℃养护环境下，钢渣基层强度提升幅度最大，且6%水泥剂量与65%钢渣掺量组成的基层材料7 d无侧限抗压强度可达3.2 MPa，即使是按规范中最低施工温度养护，强度仍满足要求。

2)钢渣水化及C4AF矿物对基层劈裂强度提升作用明显。由于钢渣水化产物和次生矿物对温度较为敏感，所以相比较于其他养护条件，变温养护条件下钢渣基层劈裂强度较普通水稳碎石基层提高幅度较小。

3)基层中掺入钢渣可减小因其收缩而引起的开裂问题。钢渣遇水产生的微膨胀一定程度上可改善基层的抗收缩性能，在20和5 ℃养护温度下最为明显。

4)通过对不同养护温度下水泥稳定钢渣碎石基层特性分析，建议水泥剂量5%，钢渣掺量65%。为进一步研究基层特性，建议增加相关钢渣基层膨胀特性研究。可结合SEM和XRD等微观测试手段，揭示钢渣水化对基层特性影响的作用机理。