二灰稳定钢渣碎石基层材料性能试验分析

2022-06-06廖波

西部交通科技 2022年3期

廖波

摘要：为改善钢渣碎石基层材料收缩性能，文章采用石灰、粉煤灰（简称“二灰”）对钢渣碎石基层材料进行性能提升试验分析。结果表明：二灰稳定钢渣碎石能够有效提升基层材料的抗压回弹模量、间接抗拉强度、干燥收缩性能和抗冻性能，石灰粉煤灰与钢渣会产生活性化合反应，会增强碎石材料内部的粘结强度和稳定性，推荐二灰总掺量为20%，钢渣掺量为50%。

关键词：石灰;粉煤灰;钢渣;基层材料;试验分析

中图分类号：U416.03A090344

0 引言

长期以来，高等级路面结构采用“强基薄面稳土基”的施工方案。其中，半刚性基层材料成为道路基层结构的典型选择，而集料的材料性能成为影响道路基层刚度的关键因素。随着矿料资源的日益短缺，探寻可持续发展的筑路矿石材料成为循环经济的新方向[1-3]。钢渣是钢材煅炼过程中产生的固体废弃物，其具有强度高、耐磨性好的特点，将其作为道路基层材料可实现道路基层强度的提升。但钢渣具备一定水化硬化活性，遇水会产生一定的膨胀，亦会影响道路基层结构的稳定[4-5]。相关研究采用水泥、矿粉、碱激发等材料掺入钢渣碎石基层材料中，可实现道路基层材料性能的提升[6-7]。但随着道路的长期服役和雨水倒灌侵蚀等影响，钢渣碎石基层材料仍旧会在道路服役一定年限后产生各类收缩裂缝并最终形成反射裂缝，影响路面的行车安全和状况[8]。王江洋等[9]将石灰和粉煤灰掺入钢渣碎石中进行力学性能测试，并推荐了钢渣的适宜掺量范围。黄凯健等[10]对硅灰与矿渣微粉进行复掺，改善钢渣碎石混凝土并对其作用机理进行分析。粉煤灰和石灰作为常见混凝土填料，具有稳定性好、生产成本低等特点。本研究将二灰（粉煤灰、石灰）作为改良材料对钢渣碎石基层材料进行力学性能提升研究，旨在对该种道路基层筑路材料技术性能和适用性进行评估。

1 原材料

1.1 钢渣

本研究采用的钢渣取自南阳汉冶特钢有限公司，为电炉钢渣，其在干燥条件下呈黑灰色。将钢渣进行浸水陈化处理，自然条件下放置半年后进行试验。钢渣的棱角性较好，磨耗值低，相关化学组成如表1所示。钢渣颗粒级配如表2所示。

1.2 集料

研究选用的集料为石灰岩矿料，集料表观洁净无杂陈，压碎值为21.6%，其抗压强度要低于钢渣集料。石灰岩集料级配如表3所示。

1.3 粉煤灰

粉煤灰是发电厂燃煤产生的灰渣，颗粒直径范围为1～50 μm，呈球状颗粒态。材料内部含有大量矿物质，烧失量为12.5%。粉煤灰相关的技术指标如表4所示。

1.4 石灰

碳酸钙在煅烧后形成氧化钙，在遇水后产生硝化反应形成石灰，其含有大量的氧化钙和氧化镁成分。石灰的技术指标如表5所示。

2 二灰结合料性能研究

石灰和粉煤灰作为稳定碎石材料中的填料，具有增强碎石粘结和稳定的作用。但石灰和粉煤灰二者具备的特性不同，在拌和过程中也存在性能差异，需对石灰、粉煤灰的调配比例进行适用性研究。本文将石灰和粉煤灰分别按1∶1、1∶1.1、1∶1.2、1∶1.3、1∶1.4、1∶1.5比例进行调配，制备二灰结合料，对其最大干密度、最佳含水量、无侧限抗压强度、间接抗拉强度指标进行测试。测试结果如表6所示。

將不同石灰、粉煤灰比例下结合料的无侧限抗压强度和间接抗拉强度绘制成曲线进行分析，如图1所示。

试验表明，当二灰比例在1∶1.3时，结合料的抗压强度和抗拉强度均达到峰值。粉煤灰和石灰两种材料在基层材料中主要起到增强粘结和填充作用，石灰中的氧化钙和粉煤灰均具备一定的活性成分，在稳定碎石拌和过程中会进行化合反应，进一步提升基层材料的内部稳定性。研究采用石灰与粉煤灰1∶1.3的调配比例进行后续二灰稳定钢渣碎石基层材料试验。

3 二灰稳定钢渣碎石基层材料性能研究

3.1 配合比设计

研究采用骨架型稳定类碎石级配设计，其目标级配如表7所示。

为进一步探究钢渣和二灰在基层稳定碎石中的掺配比例，对钢渣的掺配分别设计了0、25%、50%、75%和100%五种水平，对二灰（石灰、粉煤灰）的掺配比例（占总质量）分别设计了15%、20%、25%三种水平。试验组合方案如表8所示。

3.2 抗压回弹模量

抗压回弹模量是材料在受力状态下的应力-应变关系，是材料宏观力学性能的反映。本研究对二灰稳定钢渣碎石基层材料的抗压回弹模量进行测试，结果如表9所示。

将不同钢渣和二灰掺量下碎石材料的抗压回弹模量进行绘图分析，如图2所示。

由表9和图2可知，随着钢渣掺量的增加，稳定碎石的抗压回弹模量逐渐增大，钢渣相较于普通天然集料水化硬化活性高，且钢渣的硬度较高，与石灰、粉煤灰共同拌和下会进一步提升材料的整体强度。从三种不同二灰掺量的碎石材料的抗压回弹模量来看，20%二灰掺量对碎石材料的抗压回弹模量提升效果最为显著。说明适宜掺量的二灰可增强碎石材料内部的粘结性，但二灰掺量过多会导致碎石材料内部分散不均匀，在一定程度上削弱碎石材料的抗压回弹模量。

3.3 间接抗拉强度试验

沥青路面在长期的服役过程中会发生性能劣化，车辆荷载作用到基层后会形成裂缝破坏，使基层材料的底部产生较大的拉应力。研究采用间接抗拉强度作为测试指标，试验结果如表10所示。

由表10和图3可知，钢渣稳定碎石基层材料的抗拉强度随钢渣掺量和二灰掺量的增加而不断提升，表明二灰和钢渣对稳定碎石的抗拉强度具有增益效果。钢渣是炼钢矿料产生的渣料，具有较高比例的化学成分，其化学组分与石灰、粉煤灰拌和能进一步提升碎石材料整体的稳定性，材料内部的嵌挤和粘结作用会使得稳定碎石具备抵抗受拉破坏的能力。以25%二灰掺量为例，纯钢渣稳定碎石较天然集料稳定碎石抗拉强度提升约31%。但是随着钢渣材料掺量的不断增加，稳定碎石抗拉强度的增长速率逐渐放缓。

3.4 干燥收缩试验

基层稳定碎石受路面雨水倒灌和内部水分子蒸发等因素影响，材料会产生一定的收缩变形，而钢渣材料由于硬度较高，更易产生收缩变形和裂缝开展。本研究对不同钢渣掺量和二灰掺量90 d养护龄期下水稳碎石材料的干缩性能进行测试。试验结果如图4～6所示。

由图4～6可知，总干缩系数是总干缩应变与总失水率的比值，总干缩系数越小表明钢渣碎石的干缩性能越好。从钢渣碎石的总失水率来看，随着钢渣掺量的增加，钢渣碎石材料的总失水率呈先上升后下降的趋势。其中，钢渣掺量达到50%时，碎石材料的总失水率达到峰值，其主要原因是钢渣和天然集料的特性存在较大差异，钢渣表面疏松多孔，吸水率大于天然集料，二者在拌和过程中导致材料内部水分子分布不均匀。随着养护龄期的增加，原先的水分子会逐渐蒸发，导致总失水率偏大。从总干缩应变来看，钢渣碎石的总干缩應变随钢渣掺量的增加而变大，这与钢渣材料特性有关，钢渣过多会导致材料的嵌挤性削弱，进而导致收缩变形加剧。由此可知，20%二灰掺量下钢渣碎石干缩系数较低，一方面表明二灰有利于改善钢渣碎石的干缩性能，另一方面表明二灰掺量不宜过多，二灰的过量掺入会导致总失水率加大，加剧材料的开裂损伤破坏。

3.5 冻融试验

在冬季寒冷地区，伴随着雨雪融化灌入地下，在昼夜温差变化下会导致路基产生冻融损伤破坏。本研究对钢渣碎石进行冻融循环试验，将养生龄期28 d的试件进行16 h、-20 ℃冷冻和8 h、20 ℃浸水解冻，按此步骤循环5次后进行无侧限抗压强度测试，以冻融残余强度比作为抗冻性能评价指标。试验结果如表11所示。

将不同钢渣和二灰掺量下冻融残余强度比绘制曲线图进行分析，如图7所示。

由表11和图7可知，随着钢渣掺量的增加，钢渣碎石的冻融残余强度比逐渐增大，且二灰掺量越大，冻融残余强度比越大。钢渣材料在经高温煅烧后，材质较为坚硬，钢渣掺量越多，稳定碎石整体的强度显著提升。石灰、粉煤灰作为填料，与钢渣产生活性反应，会进一步增强材料的黏性和强度。

4 结语

本文研究采用石灰、粉煤灰对钢渣碎石进行性能改善试验，得到以下结论：

（1）对石灰、粉煤灰进行结合料性能研究，通过无侧限抗压强度、间接抗拉强度测试，推荐石灰和粉煤灰的调配比例为1∶1.3。

（2）钢渣掺量和二灰掺量的增加可以有效提升钢渣碎石的抗压回弹模量和间接抗拉强度。

（3）钢渣碎石的总失水率随钢渣掺量的增加呈先上升后下降趋势，总干缩系数呈缓慢增长趋势。其中，20%二灰掺量下，钢渣碎石的总干缩系数最小。

（4）钢渣掺量和二灰掺量的增加可以有效提升钢渣碎石的冻融残余强度比，表明钢渣和二灰可以增强钢渣碎石的抗冻性能。

参考文献

[1]王立军，张一，郝勇，等.矿粉稳定钢渣基层材料干缩温缩性能试验研究[J].建材世界，2021，42（5）：19-22.

[2]彭伟.水泥稳定钢渣碎石基层材料路用性能研究[J].路基工程，2021（3）：100-104.

[3]梁铎，温永钢，杨超，等.钢渣在水泥稳定碎石基层中的工程应用研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2020，44（2）：250-254.