适用于底基层与水稳路面基层的钢渣材料性能研究

闫永亮，郝文义

（1.河南省鹤新高速公路有限公司，河南 新乡 453100；2.中交二公局第四工程有限公司，河南 洛阳 471000）

工业固体废弃物的循环利用是全球学者关注的焦点[1]。当前我国很多地区的公路建设中都存在严重的集料缺乏情况，这种问题会导致公路基层建设受到影响。钢渣材料的排放量比较大，在工业生产中的利用效率比较低，并且会对环境造成污染。将钢渣材料运用到公路路面建设中，能够有效地解决这种材料污染环境、路用砂石缺乏而导致的工程成本高昂的问题，并且可以发挥这种材料的性能，达到巩固基层建设的要求。但是这种材料的性能尚不确定，这就需要对该材料的体积稳定性进行分析，研究其代替砂、石等天然材料应用于底基层与水稳路面基层的适用性，确定其在公路建设中的运用价值，通过运用科学技术提高钢渣在道路工程中的利用率。

1 试验原材料

1.1 钢渣材料

钢渣材料的选择需要进行试验，充分考虑原材料的使用性能，使之满足工程实际要求。试验中，钢渣材料选择某钢生产集团生产的废弃物钢渣，并进行洗涤和干燥处理，经处理后钢渣的颜色为黑灰色，钢渣化学成分组成见表1。从钢渣的化学成分检测结果中可以看出，碱度为3.60 属于高碱度钢渣，这种钢渣有较强的活性，要想使用这种钢渣还要进行再处理，以达到使用要求。

表1 钢渣化学成分组成

由于钢渣材料碱度比较高，需要使用破碎机进行破碎处理，破碎后再进行工艺处理。破碎后的钢渣应用滚筒水洗工艺技术进行处理，对于其性能进行检测，确定这种钢渣的性能具体情况，在满足使用要求后将其运用到公路基层施工中。

钢渣粗集料性能检测见表2。由表2 可知，钢渣在破碎、水洗处理后的集料性能符合具体要求，各项技术指标都已经达到，可以将这种钢渣材料运用到公路基层和底基层建设中，具有施工应用的价值。

表2 钢渣粗集料性能检测

1.2 水泥

水泥材料选择河南省豫南水泥有限责任公司生产的普通硅酸盐水泥，按照公路水泥及水泥混凝土试验规程进行检验，所得结果见表3。这种水泥符合公路建设要求，可以将其运用在公路建设中，与钢渣材料一起使用，能够满足设计要求[2]。

表3 钢渣化学成分组成

2 材料组成设计

水泥钢渣的材料配比通常是根据其颗粒及组成加水量、水泥类型和所用剂量进行确定，按照公路路面基层施工要求进行配比设计，可以分为两种形式：一是粗细集料全部采用钢渣；二是颗粒小于4.75 mm 的钢渣细集料由玄武岩代替。根据公路工程建设中稳定材料试验要求可以发现，这两种施工材料组成相似[3]。施工中含水量大，从干密度指标看，使用纯钢渣的效果更理想，主要是这种材料的吸水率和密度比较大，符合公路施工技术规范标准和要求，并且在具体使用中可以充分地发挥其价值。同时，钢渣混合材料的参数比较稳定，使用静压法对其进行试验，发现其无侧限抗压强度比较高，符合公路路面建设使用要求。

3 钢渣材料在底基层与水稳路面基层的性能评价

钢渣材料运用于公路路面建设，应从其强度、回弹模量和膨胀性能方面进行分析，了解具体使用要求和结果，这样能够保证其合理运用到公路建设中以提高公路建设质量。

3.1 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度是半刚性基层材料设计的基本指标，这种强度与施工中的骨料之间的嵌锁型结构和结构料的粘结力有较大的关系[4]，需要按照公路工程建设中稳定材料试验规范进行设计，并且要制备符合成型要求的基面，在养生的过程中分别养生7 d、28 d 和60 d，最后一天进水，24 h 之后使用万能试验机进行测试，在加载速度1 mm/min 的状态下，得出试件无侧限抗压强度数值。级配1 钢渣在龄期7 d、28 d、60 d，其无侧限抗压强度分别为4.41 MPa、5.91 MPa、6.62 MPa。级配2 钢渣在龄期7 d、28 d、60 d，其无侧限抗压强度分别为4.54 MPa、5.83 MPa、6.22 MPa。据此可知，两个级配钢渣的抗压强度均随着龄期递增增长，并且两者增长趋势较为近似。龄期不超过28 d 时，两个级配钢渣的强度增长数值，大于28 d 后的强度增幅数值。对比发现，级配2 钢渣7 d 的抗压强度大于级配1 钢渣，而经过28 d 和60 d 的养生，其强度数值均小于级配1 钢渣。由此可知，在反应初期，钢渣细集料受抑制作用影响，水化反应延缓，经过一段时间反应后，钢渣反应活性显现，由此纯钢渣级配1 的抗压强度要优于钢渣与玄武岩级配2。

3.2 回弹模量

钢渣运用在公路基层建设中，需要对其回弹模量进行评估，基层的回弹模量对于公路质量有较大的影响。若回弹模量比较小，沥青面底部会产生比较大的拉应变，并且早期出现开裂的概率会比较高。基层材料回弹模量比较大，容易出现干缩和温度裂纹等现象，这就导致沥青层面容易出现反射裂纹，影响道路整体结构，并且其使用寿命还会降低[5]。因此，要充分地考虑公路工程建设材料规范，针对不同时间的钢渣混合材料使用情况，进行回弹模量测试分析。根据JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[6]试验后，其结果为：级配1 钢渣，经过28 d 和60 d 的龄期后，其抗压回弹模量为2 395.2 MPa、2 585.1 MPa；级配2 钢渣，在经过28 d 和60d 的龄期后，其抗压回弹模量为2275.3MPa、2 460.4 MPa。由此可知，纯钢渣级配1 比钢渣与玄武岩级配2 回弹模量大，对应抗压强度比较大，这种材料在公路建设中运用比较合理，相比于钢渣粗料与玄武岩细料结合的强度更大，更符合适用性能要求。

3.3 膨胀性能

钢渣运用在公路工程集料试验中，需要对其膨胀性能进行分析，尤其是温度变化可能会导致公路的膨胀系数改变，因此要对纯钢渣和钢渣粗集料加玄武岩细集料的膨胀系数进行分析，其具体数据为1.65%和1.42%，满足技术应用要求[7]。而钢渣作为水泥稳定类基层材料，其膨胀性能更良好，更符合公路建设要求。

4 钢渣材料在底基层与水稳路面基层的应用实例

4.1 工程实例

某工业园区起桩号GYYQ 公路，规划全长403 km，路面标准宽为44 m，双向8 车道，路面基层采用垫层，底基层3 层，每层23 cm 设计。路用试件分别为掺钢渣粉煤灰AC-16 混合料、常规AC-16 混合料、掺钢渣粉煤灰AC-13 混合料、常规AC-13 混合料，4 组试件采用马歇尔击实法成型共同置于25 ℃水槽内2 h。按照劈裂强度和劈裂强度比（Tensile Strength Ratio，TSR）进行试验，冻融劈裂试验结果对比见表4。

表4 钢渣沥青混合料冻融劈裂试验结果对比表

由表4 的试验结果可知，掺钢渣粉煤灰AC-16 的冻融后劈裂强度高于AC-13 沥青混合料，且大于规范要求的75%，说明其抗冻性能优于常规AC-16 与AC-13 沥青混合料[8]。钢渣作为道路施工的底层和基底层，其强度回弹模量和抗冻性能均符合要求。

从具体施工中运用可以看出，其相比于传统水泥稳定碎石结构更合理，钢渣作为道路半刚性基层材料的造价比较低，这种材料使用一段时间后，试验路段没有出现车辙裂缝等现象，说明这种设计方法是合理的。将钢渣材料作为公路建设的基料，钢渣复合掺合料只要配比合理就能够取代天然砂作为细骨料，达到既经济又环保的施工要求。

4.2 施工工艺

含钢渣复合掺合料对混凝土耐久性能有明显提高[9]。第一钢渣材料在使用前需要做好准备工作，保证钢渣材料来源和质量符合要求，同时要经过标准招标程序对钢渣和水泥材料进行采购，要提交最新的检验报告。首次使用的钢渣需要进行检查，对其生产条件加工机械覆盖层的清理情况进行分析，并且材料运送到现场后需要进行检查，符合要求后方能使用。其次，材料需要有专门的场地存放，保证其符合具体应用要求，要对材料来源进行再次核对。最后，施工前要对相关设备等进行调试，并且对其配套情况、技术性能进行分析，保证符合底基层与水稳路面基层适用性能要求。通过将粗粒度10～16.5 mm 的钢渣和细粒度5～10 mm 的矿渣与商品硅酸盐水泥进行配伍[10]，制备出的钢渣矿渣复合掺合料7 d 抗压活性指数可达到93.99%，28 d 抗压活性指数可达到100.95%。

5 结束语

钢渣材料在GYYQ 公路建设中运用，要对基层材料的强度和性能及材料价值进行分析，还要结合公路建设相关要求开展具体工作。钢渣材料运用于公路建设，要充分考虑结合料的胶凝性，这样可以提高基层材料的强度。同时，钢渣材料在公路基层建设中运用，还要达到工程建设底基层与水稳路面基层适用性能要求。钢渣材料的运用，可以有效降低公路工程建设的造价，有利于节能环保，具有较高的经济价值和社会价值，在未来发展中也有良好的应用前景。