不同钢渣砂掺量的水泥稳定基层试验研究

2022-10-22张承业李红明兰素恋

西部交通科技 2022年7期

张承业，李红明，兰素恋,3,4

(1.广西长兴工程建设有限公司，广西南宁 530201；2.广西交科集团有限公司，广西南宁 530007；3.广西道路结构与材料重点实验室，广西南宁 530007；4.广西交通职业技术学院，广西南宁 530023)

0 引言

近十年来，我国的交通建设飞速发展，预计到2035年，我国基本建成“交通强国”。公路工程是我国交通建设的重要组成部分，至2030年计划建成高速公路及普通国道40.1万km[1]。然而，公路建设需要大量的人力、物力，总建设投资中材料费占比较大，尤其需要大量的砂石，但目前砂石材料匮乏，天然河砂已经出现过度开采，且部分地区出现了因过度开采砂石而引发的自然灾害，因此，寻找新的砂石替代资源已迫在眉睫。

钢渣是钢铁冶炼过程中的副产品[2]。随着需钢量的逐渐增大，钢渣的产量也越来越多。据统计，截止至2018年，我国的钢渣产量接近1亿t，堆存量已达17亿t[3-4]，因此，钢渣的处理已成为钢铁工业目前要解决的重大问题之一。与发达国家相比，我国的钢渣利用率较低，综合利用率仅为30%左右[5]，主要在道路工程中用量较大，而美国对钢渣在公路工程建设的利用率达80%以上[6]。将钢渣用于道路工程，一方面可将钢渣“变废为宝”，实现钢渣的资源化利用，从而降低公路集料的消耗，减少因天然砂石开采对生态环境造成的破坏；另一方面也可以促进交通工程绿色发展。

本文考虑在基层混合料中掺入钢渣砂，研究钢渣砂掺量对水泥稳定碎石基层混合料无侧限抗压强度及水稳定性能的影响，为钢渣在公路基层中的设计应用提供参考。

1 原材料及掺钢渣砂水泥稳定基层的配合比

1.1 水泥

水泥采用P·O42.5硅酸盐水泥，水泥技术指标满足《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)[7]。7 d抗压强度为42 MPa，28 d抗压强度为49 MPa，煮沸法安定性合格。

1.2 粗集料

粗集料采用10～20 mm、5～10 mm两档，由石灰岩经过破碎加工而成，表观密度为2.68 g/cm3，针片状含量<8%，压碎值为5.5%，24 h的吸水率为0.4%，0.075 mm以下粉尘含量较低<1%，物理力学性能良好，各项指标满足高速公路用粗集料技术要求。

1.3 细集料

(1)机制砂

机制砂为石灰岩材质人工破碎砂，表观密度为2.7 g/cm3，0.075 mm以下含量塑性指数为8，压碎值为6%，坚固性为1%，含泥量<0.5%，无泥块，物理力学性能良好，各项指标满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG-TF20-2015)[8]对高速公路重型交通的要求。

(2)钢渣砂

本项目所用钢渣砂为防城港某钢厂生产并在露天存放5个月后的转炉钢渣，主要粒径为0～4.75 mm。经X银光分析显示，该钢渣砂主要化学成分为CaO、Fe2O3和SiO2，具体元素含量如下页表1所示。

表1 钢渣砂主要化学成分表(%)

参照《公路工程集料试验规程》(JTG E51-2009)[9]，取足量的钢渣砂进行物理力学分析，分析该钢渣砂压碎值为15%，坚固性为3.3%、表观密度为3.298 g/cm3、松散堆积密度为1.84 g/cm3、空隙率为44.2%，24 h吸水率为3.4%，物理力学性能良好。参考《钢渣稳定性试验方法》(GB/T 24175-2009)[10]测得钢渣砂的浸水膨胀率为1.8%。各项指标满足道路用钢渣砂应用技术要求[11]。

1.4 钢渣砂配合比掺量

本次试验采用密实悬浮基层结构，10～20 mm∶5～10 mm∶0～5 mm粗细集料按体积比0.48∶0.12∶0.4的比例混合，其中，0～5 mm细集料等体积掺入25%、50%、75%、100%的钢渣砂替换0～5 mm机制砂集料，按比例合成后，按体积比例各筛孔级配累计通过率在C-B-2级配范围内。合成后的目标配合比如表2所示。

表2 原材料级配及目标配合比表

2 试验结果分析

为探究掺钢渣砂水泥稳定基层力学特性，本文开展了不同钢渣砂掺量的水泥稳定基层的击实特性、无侧限抗压强度及水稳定性能试验，试验结果如下。

2.1 击实特性

初步拟定水泥掺量为3%、4%、5%、6%这4个梯度，根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)[12]，配制不同水泥掺量下的水泥稳定碎石混合料。如图1所示为5%水泥剂量下掺0及100%钢渣砂混合料，采用乙法进行击实试验，击实试验相关参数如表3所示。根据击实试验，得到3%、4%、5%、6%的水泥掺量下不同钢渣砂掺量的最佳含水量和最大干密度如图2、图3所示。

表3 击实试验方法及参数表

图1 5%水泥剂量下掺0及100%钢渣砂混合料示例图

图2 最佳含水量随钢渣砂掺量变化曲线图

图3 最大干密度随钢渣砂掺量变化曲线图

图2显示，水泥稳定基层混合料的最佳含水量随水泥掺量的增加而增大，钢渣砂掺量对水泥稳定基层混合料的最佳含水量有较大影响，在同一水泥掺量下，最佳含水量随着钢渣砂掺量的增加而增大。由图3可知，水泥稳定基层混合料的最大干密度随水泥掺量的增加而增大，且随着钢渣砂掺量的增加，最大干密度也随之增大，钢渣砂掺量在0～50%时的最大干密度增长速率比钢渣砂掺量在50%～100%时的增长速率大。

2.2 无侧限抗压强度

根据上述击实试验结果，在最佳含水率下采用静力压实法分别制作不同水泥掺量下的掺钢渣砂水泥稳定基层混合料试件，并将试件放入温度为20 ℃±2 ℃、相对湿度为95%以上的环境下养生7 d和28 d。养护7 d后，对0%、100%钢渣砂掺量的6%水泥稳定碎石试件，根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)，采用液压式压力机进行无侧限抗压强度试验。为保证结果的准确性，每组以13个试件检测其无侧限抗压强度，以强度保证率系数为95%、同一组试验变异系数<15%分别计算不同水泥掺量下的掺钢渣砂水泥稳定基层混合料7 d和28 d无侧限抗压强度，并将结果绘制成曲线，如图4～5所示。

图4 7 d无侧限抗压强度随钢渣砂掺量变化曲线图

图5 28 d无侧限抗压强度随钢渣砂掺量变化曲线图

如图4～5所示，水泥稳定基层混合料的7 d和28 d无侧限抗压强度随水泥掺量的增加而增大，钢渣砂掺量对水泥稳定基层混合料的7 d无侧限抗压强度影响较小，对28 d无侧限抗压强度有一定影响。在同一水泥掺量下，随着钢渣砂掺量的增加，水泥稳定基层混合料的28 d无侧限抗压强度先增大后减小。在低水泥剂量(<4%)条件下，当钢渣砂体积掺量为50%时，水泥稳定基层混合料的28 d无侧限抗压强度达到最大值；在较高水泥剂量(>5%)条件下，当钢渣砂体积掺量为75%时，水泥稳定基层混合料的28 d无侧限抗压强度达到最大值；且在较高水泥剂量条件下的水泥稳定基层混合料28 d无侧限抗压强度随钢渣砂掺量的波动幅度比低水泥剂量条件下的波动幅度大。

2.3 水稳定性

为了进一步研究掺钢渣砂水泥稳定基层混合料的水稳定性能，定义软化系数为同一养护龄期20 ℃条件下浸水48 h的无侧限抗压强度与不浸水抗压强度的比值，来表征掺钢渣砂水泥稳定基层混合料在水环境下的抗压强度稳定性，表达式如式(1)所示。

(1)

式中：η——软化系数；

R′a——20 ℃条件下浸水48 h无侧限抗压强度(MPa)；

Ra——水泥稳定碎石混合料试件无侧限抗压强度(MPa)。

通过式(1)计算，得到不同养护龄期掺钢渣砂水泥稳定基层混合料的软化系数随钢渣砂掺量的变化曲线如图6～7所示。分析显示，养护龄期为28 d的掺钢渣砂水泥稳定基层混合料软化系数大于养护龄期为7 d的软化系数。由此可见，随着养护龄期的延长，掺钢渣砂水泥稳定基层混合料的软化系数越增大，水稳定性越好。当养护龄期为7 d时，3%、4%、5%水泥掺量下的基层混合料软化系数随着钢渣砂掺量的增加而增大，且掺量为75%情况下的软化系数与掺量为100%情况下的软化系数几乎相等。当水泥掺量为6%时，钢渣砂掺量为75%时，软化系数达到最大值。当养护龄期为28 d时，3%水泥掺量下的基层混合料软化系数随着钢渣砂掺量的增加而增大，而4%、5%、6%水泥掺量下的基层混合料软化系数随着钢渣砂掺量的增加呈先增大后减小的趋势，钢渣砂掺量为75%时，软化系数达到最大值。这主要是由于掺入钢渣砂后，钢渣自身的活性增强了基层混合料颗粒之间的胶结，从而提高了混合料的水稳定性，但当钢渣砂掺量较大时，需要更多的胶凝材料包裹，所以在相同的水泥剂量条件下，水稳定性有所降低。因此，在考虑水稳定性条件下，钢渣砂的最佳掺量为50%～75%。