水泥稳定钢渣—砾石混合料的路用性能研究

李永伟,刘尊青,俞海明

(1. 新疆农业大学交通与物流工程学院 乌鲁木齐市 830052;2.奇台县交通运输局 昌吉回族自治州 831800;3. 新疆中合大正冶金科技有限公司 乌鲁木齐市 830022)

0 引言

2022年末,新疆高速(一级)公路总里程突破10000km,成为新疆快速发展的基石。新疆多数高速公路基层使用水泥稳定砾石混合料,砂石等资源消耗巨大。乌鲁木齐的乌拉泊地区和头屯河沿线因挖砂取石,生态环境受创程度较高。钢铁业作为新疆支柱性产业,每年排放钢渣超过250万吨却难以有效利用,不利于生态环境的可持续发展。

1 钢渣在半刚性基层的应用现状

李瑞雪[1]认为钢渣筑路的资源效益最高,特别是钢渣混凝土的综合效益高于其他资源化途径。龚耀[2]认为水泥稳定碎石混合料内加入钢渣后,能显著改善弹性模量,亦能降低干缩系数,他提出配制混合料时应选用细型骨架密实级配,并结合60d抗压强度进行决策。郑武西[3]研究钢渣在水泥稳定基层的应用,证实钢渣的各项性能指标比普通碎石更加优异;掺入钢渣的水泥稳定碎石基层的力学性能也比普通水泥稳定碎石基层更加优良。解英明[4]等人研究了热闷渣在乌鲁木齐市92小学和八钢“三供一业”等市政道路中的应用,上述工程部分路段使用掺入钢渣的混合料铺筑半刚性基层,工程竣工后的相关研究表明,使用钢渣能显著降低成本,简化工艺,缩短工期并减少路面病害,工程、经济和环境效益提升明显。

2 提高钢渣路用性的方法

2.1 选用合适的成渣工艺

李云云[5]等认为国内主要成渣工艺有热泼、热焖、滚筒、风淬、水淬和盘泼六种,其中前三种是主流工艺。除热泼法和盘泼法外,其余工艺处理的钢渣稳定性较好。新疆地区使用最多的是热闷法和滚筒法,得到的钢渣易用,安定性、粒径和级配良好,适合替代砾石形成骨架密实型级配用于半刚性基层。

2.2 改善钢渣的安定性

钢渣内的f-CaO(游离氧化钙)和f-MgO(游离氧化镁)水化活性不佳,当其他胶凝物质完成水化且浆体固化成型后两者仍然继续水化,且分别在生成Ca(OH)2(氢氧化钙)和 Mg(OH)2(氢氧化镁)的过程中体积急剧膨胀,会破坏已基本成型稳定的水泥浆体。磨炼同[6]等人认为钢渣体积膨胀受f-CaO的分布、含量及钢渣粒径的影响,而控制好钢渣近表面f-CaO含量更重要。

吴少鹏[7]等人认为钢渣处于高温熔融态时,即可使用滚筒法和热闷法处理,或者添加粉煤灰等调质组分。钢渣固化成型后还需要进一步处理,一是应用水热陈化、蒸汽加压等方法促进f-CaO水化;二是应用如外掺硅粉等无机改性剂,或掺入有机硅等有机改性剂阻断f-CaO水化;三是使用弱酸溶液的酸碱中和法、微硅粉等混合料的掺合料法消除f-CaO。郑琪[8]等人使用了蒸压技术和复合改性剂,不仅f-MgO和f-CaO消解效果显著,还实现了两种物质的活性化利用。

2.3 激发钢渣的活性

邹敏[9]等人认为主流方法有3种。一是物理(机械)激发,即通过破碎、粉磨等方式提高钢渣比表面积来增强反应效果。二是化学激发,包括酸性激发和碱性激发,碱性激发即使用碱金属的硅酸盐、碳酸盐等材料为钢渣水化创造碱性环境,而一些碱性激发剂还能提高钢渣的早期水化活性;酸性激发的机理是利用适量的酸中和体系中的部分碱性物质,促进未水化钢渣进一步溶解水化。三是复合激发,即将上述激发方法联合使用,从而获得更好的效果。

3 钢渣的基本性质

3.1 物理性质

样品来自八钢,钢渣颜色为黑色,表面粗糙且多孔,棱角性较好,其外观类似于块状水泥熟料。从表1试验筛分数据可知,钢渣的粒径主要分布在2.36～9.5mm,适合代替部分砾石并形成骨架密实型级配。根据相关规范[10-12]检测样品的物理性能,所得数据见表2。钢渣的放射性检测数据见表3。根据相关规范[13]检测浸出物浓度数据见表4。系列数据表明,钢渣多项物理性能指标符合规范要求,初步具备应用于高速公路半刚性基层的条件。

表1 试验筛分数据

表2 钢渣物理性能试验结果

表3 钢渣放射性检测

表4 钢渣浸出物浓度检测

3.2 化学成分

表5 钢渣主要成分

4 水泥稳定钢渣混合料设计研究

4.1 集料级配设计

骨架密实型级配能通过骨架嵌挤提高基层整体强度,并预留空间缓解钢渣微膨胀,故配制此级配类型的混合料。对钢渣进行10d的膨胀检测,得到钢渣及钢渣混合料的膨胀率分别为0.7%和1.3 %,满足相关规范不大于2.0%的要求。设计钢渣的掺量分别为 60%、40%和30%,三组混合料的级配设计数据见表6。

表6 水泥稳定钢渣混合料级配设计

4.2 钢渣及水泥掺量的确定

在级配设计的基础上,将混合料均分为2份,分别掺入4%和5%的水泥,得到6组混合料后,制成相应试件并检测强度,数据见表7。

表7 不同钢渣及水泥掺量试件的强度 单位:MPa

水泥剂量相同时,钢渣掺量为30%时试件强度均表现最高,而从40%增加到60%的过程中,混合料强度有所回升;当水泥剂量为5%时,混合料整体强度更高。

4.3 混合料的路用性能研究

4.3.1抗折及抗压强度

半刚性基层作为主要承重结构,其抗折及抗压强度至关重要。混合料击实试验数据见表8。

表8 击实试验数据

钢渣掺量为40%～60%时,试件的最佳含水量和最大干密度趋于稳定,以此制作试件并测得7d强度数据,见表9。

表9 7d无侧限抗压强度 单位:MPa

由表9可知,试件7d无侧限抗压平均强度高达6.1MPa,基本满足高速公路在极重和特重交通荷载等级下,基层7d无侧限抗压强度为5.0～7.0MPa的要求[15]。此外,将钢渣与普通水泥、超级水泥按照C30强度拌和混凝土,其水灰比为0.7,得到掺入普通水泥试件的7d抗折强度为4.7MPa,抗压强度为27.2MPa;掺入超级水泥试件的抗折强度为6.3MPa,抗压强度为41.3MPa。

4.3.2劈裂强度

无机结合料稳定材料的抗拉强度远不及抗压强度,路面受交通荷载发生弯拉破坏较普遍,故设计此试验。各混合料不同龄期的劈裂强度数据见表10。

表10 劈裂强度试验结果

水泥剂量为4%和5%混合料的劈裂强度分别见图1和图2。

图1 水泥为4%混合料的劈裂强度

图2 水泥为5%混合料的劈裂强度

水泥剂量和养护龄期相同时,混合料的劈裂强度与钢渣掺量和水泥剂量均呈正相关;钢渣掺量和养护龄期相同时,水泥含量较高的混合料强度更大;水泥剂量和钢渣掺量一定时,混合料劈裂强度随养护龄期增长而增大。例如,保持水泥剂量4%不变,钢渣掺量为40%和60%时,龄期从28d增加到60d,再到90d的过程中,劈裂强度的增长率分别为24.2%和14.1%,25.9%和14.5%。钢渣对提升混合料前期强度效果一般,提升后期强度缓慢且持续。

结合上述试验结果,初步得出结论:钢渣的合理掺量应为40%～60%;提升水泥剂量对混合料强度提升有帮助。

4.3.3干缩性能

干缩是半刚性基层主要破坏形式之一。干缩裂缝是在混合料拌和并摊铺压实后,其内部因水分蒸发和水化反应导致水分含量下降而收缩开裂。

参照前期击实试验数据配制混合料,制作试件后标准养护,最后进行干缩试验。试验测得混合料的失水率与龄期关系变化趋势见图3。

图3 失水率与龄期关系变化趋势

由图3可知,随着龄期增长,不同钢渣掺量的混合料的失水率均呈现下降趋势。分析失水率降低原因,0～9d陡降是因为水化反应消耗大量水分,此后趋于平缓是由于残存水分较少,且钢渣被前期水化反应的生成物裹附难以继续发生反应。同一水泥剂量时,钢渣掺量越大,失水率则越大;钢渣占比等量时提高水泥剂量,则失水率升高。

干缩应变与龄期变化趋势见图4。

图4 干缩应变与龄期变化趋势

由图4可知,干缩应变速度随龄期增长而递减,初期陡降,后期趋于平缓,与失水率变化规律相似;干缩应变和失水率的变化规律表现为正相关;水泥剂量相同时,提高钢渣掺量可降低干缩应变,表明钢渣有助于缓解干缩现象。

干缩系数与龄期变化趋势见图5。

图5 干缩系数与龄期变化趋势

由图5可知,干缩系数随龄期推移呈上升趋势,初期速度较大,后期趋于平缓。水泥剂量一定时,随着钢渣掺入比例的增加,混合料的干缩系数会明显降低;而在同等钢渣含量下增加水泥剂量时,则会小幅度增大混合料的干缩系数。

混合料干缩系数数据见表11。控制水泥剂量为4%,钢渣掺量由30%增加至60%时,干缩系数降低总量达到83.64×10-6,下降总幅度高达54.5%;控制水泥剂量为5%,当钢渣掺量从30%增加到60%时,干缩系数减少总量达到77.39×10-6,下降总幅度高达50.3%。可见掺入适量钢渣能降低干缩量。原因是混合料内部水分蒸发会导致混合料产生干缩变形,但可通过钢渣与水反应产生体积的微膨胀来缓解,以此减轻混合料干缩。

表11 不同钢渣掺量水泥稳定钢渣砾石混合料干缩系数(×10-6)

综上,结合击实试验与干缩性能研究结果,水泥剂量增加不仅会提高最佳含水量,且在降低最大干密度的同时,会导致混合料干缩抗裂性变差,因此控制好水泥用量有利于提高混合料抗裂能力。此外,混合料拌和时使用振动搅拌,可提升混合料分布均匀度和路用性能,混合料更易压实,节约水泥用量[16]。

5 结论

综合来看,热闷渣具备应用于高速公路半刚性基层建设的性能条件。由50%左右砾石、40%～60%钢渣、4%～5%水泥配制的骨架密实型混合料铺筑的半刚性基层,其强度、抗裂性能等多项路用性能表现良好。