水泥稳定钢渣碎石配合比设计及路用性能研究

王 建

(华实环境保护系统工程有限公司， 湖南 长沙 410000)

0 引言

钢渣是钢铁产业中产生的废渣，密度大于一般碎石，强度较高、抗磨耗性强，且含有类似C3S、C2S等活性成分，若用作水泥稳定碎石半刚性基层材料，可进一步提高基层承载力[1-2]。随着国家对生态环境保护力度加大，优质合格的砂石材料不足问题日益凸显，若将钢渣应用到半刚性基层建设中，既可减少对生态环境的破坏，又可提高工业生产效益。当前，国内学者对掺钢渣的无机结合料稳定材料工程性能进行了研究。陈超等[3]研究了5%水泥掺量稳定钢渣碎石材料的工程性能。陈勇鸿等[4]研究表明，不同钢渣掺量的水泥稳定碎石干缩应变变化规律一致，适量钢渣掺量可延长或减缓沥青路面裂缝形成。吴军[5]通过室内击实试验和无侧限抗压强度试验，发现水泥掺量≥4%时，水泥稳定钢渣碎石存在最佳钢渣掺量。高伏良等[6]对比研究了水泥、石灰、粉煤灰等无机结合料稳定钢渣碎石材料的工程性能。李伟等[7]研究表明，在合理矿料级配和水泥掺量条件下，半刚性钢渣基层材料抗裂性能良好。卢发亮等[8]分别研究了水泥稳定钢渣和水泥粉煤灰稳定钢渣抗压强度和水稳定性。刘玉民等[9]研究表明，水泥稳定钢渣材料强度与刚度均优于一般水泥稳定钢渣材料。

上述研究在水泥稳定钢渣碎石半刚性基层材料工程性能方面取得了一定成果，但配合比设计中较少研究掺入钢渣材料的效果，而钢渣中往往夹杂活性物质和游离氧化钙和游离氧化镁等不稳定成分，易导致配合比设计结果出现偏差，路用性能不满足设计要求。对此，以钢渣掺量75%的水泥稳定钢渣碎石进行配合比设计，优选矿料级配并分析水泥稳定钢渣碎石材料路用性能。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

选用某钢铁厂陈化3个月的钢渣，粒径为4.75～31.5 mm，技术性质见表1。集料选用石灰岩，按粒径大小分为4档，分别为0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～31.5 mm，技术性质见表2。水泥选用尧柏牌P·C32.5级水泥，技术性质见表3。

表1 钢渣技术性质毛体积密度/(g·cm-3)压碎值/%针片状颗粒含量/%膨胀率/%粉化率/%2.7716.70.052.165.22

表2 集料技术性质集料粒径/mm表观密度/ (g·cm-3)吸水率/%针片状颗粒含量/%含泥量/% 0～4.752.7920.69—0.34.75～9.5 2.7760.589.50.3 9.5～19 2.7860.4610.20.3 19～31.52.7900.3510.00.2

1.2 试验方案

1)配合比设计

参照《公路路面基层施工技术准则》(JTG/TF20—2015)中骨架密实型级配，改变粒径≥9.5 mm的集料含量，设计粗、中、细型3种级配并成型水泥稳定钢渣碎石材料试件，通过室内重型击实试验和7 d无侧限抗压强度试验确定最优级配。

表3 水泥技术性质测试项目细度/%安定性凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝3 d28 d3 d28 d测试值3.7合格2914214.38.217.938.2规范值≤10合格≥180≤600≥2.5≥5.5≥11≥32.5

水泥稳定钢渣碎石矿料级配见表4，设计水泥掺量分别为2.0%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%，钢渣掺量为75%。水泥掺量为水泥质量与集料和钢渣质量之和的比值，钢渣掺量为钢渣体积与粗集料体积之比。

表4 矿料级配粒径/mm通过质量百分率/%粗型中型细型26.51001001001982.383.885.51673.576.478.613.265.868.571.69.554.057.360.74.7542.042.042.02.3629.527.324.61.1820.217.514.00.613.611.58.80.39.08.25.50.155.56.54.00.0753.02.52.0

2)路用性能研究

基于配合比设计结果，按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)要求，静压法成型无侧限抗压强度试件、干缩试验试件，研究钢渣掺量对水泥稳定钢渣碎石无侧限抗压强度和水稳定性影响规律，设计最佳钢渣掺量；对照水泥稳定碎石，评价最佳钢渣掺量的水泥稳定碎石干缩性能。试验中，设计钢渣掺量为0%、25%、50%、75%、100%，养护龄期为3、7、28、60、90、180 d。

2 试验结果与分析

2.1 配合比设计

2.1.1级配设计

水泥稳定钢渣碎石最佳含水率和最大干密度见表5，7 d无侧限抗压强度见表6。水泥掺量为3.0%。

表5 水泥稳定钢渣碎石重型击实试验结果矿料级配最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)粗型7.52.566中型7.62.529细型7.82.471

表6 水泥稳定钢渣碎石7 d无侧限抗压强度试验结果MPa粗型中型细型3.23.02.9

由表5、表6可知，骨架密实结构粗型矿料级配的水泥稳定钢渣碎石强度特性最优，中型矿料级配次之。而粗型矿料级配水泥稳定钢渣碎石试件较细型级配试件无侧限抗压强度增加10.3%，说明粗型级配的水泥稳定钢渣碎石形成的骨架密实结构良好，集料间嵌挤咬合作用增强。对此，本文按骨架密实结构粗型矿料级配成型水泥稳定钢渣碎石试件，进行路用性能试验研究。

2.1.2水泥掺量设计

不同水泥掺量的稳定钢渣碎石材料最佳含水率和最大干密度见图1，7 d无侧限抗压强度见图2。

图1 水泥稳定钢渣碎石击实试验结果

图2 水泥稳定钢渣碎石无侧限抗压强度试验结果

由图1、图2可知：

1)随水泥掺量增加，水泥稳定钢渣碎石最大干密度和最佳含水率略微增大，这是因为混合料拌和过程中少许水泥发生了水化反应。

2)随水泥掺量增加，水泥稳定钢渣碎石无侧限抗压强度逐渐提高。在水泥掺量为4.0%时，其抗压强度满足道路基层强度设计要求，较3.0%水泥掺量稳定钢渣碎石抗压强度提高了55.8%，说明增加水泥掺量对稳定钢渣碎石抗压强度提高作用明显。这是因为水泥掺量增加，水化产物硅酸钙等凝胶物质与集料间胶结作用增强，从而抗压强度增大。另外，当水泥掺量≥4.0%时，水泥掺量每增加0.5%，水泥稳定钢渣碎石抗压强度约提高6.8%。因此，考虑经济效益，建议水泥掺量为4.0%～4.5%。

2.2 路用性能

2.2.1力学强度

水泥稳定钢渣碎石无侧限抗压强度见图3。

图3 养护龄期对水泥稳定钢渣碎石无侧限抗压强度影响

由图3可知，随养护龄期增加，不同水泥掺量的稳定钢渣碎石抗压强度趋势一致，养护龄期前28 d抗压强度增长迅速，其28 d抗压强度较3、7d的抗压强度分别至少提高137%、65%；当养护龄期>28 d，水泥稳定钢渣碎石抗压强度增长减缓，其28、90 d抗压强度约分别是180 d抗压强度的76%、92.2%。以4%水泥掺量的稳定钢渣碎石材料无侧限抗压强度为例，分析钢渣掺量对水泥稳定碎石抗压强度影响规律(见图4)。当养生龄期≤7 d，水泥稳定钢渣碎石无侧限抗压强度随钢渣掺量增加呈线性增长，钢渣掺量增加10%，3、7 d的抗压强度分别平均提高2.6%、1.8%；当养生龄期≥14 d，随钢渣掺量增加，水泥稳定钢渣碎石抗压强度先增大后减小，在钢渣掺量75%时抗压强度取得峰值，较未掺钢渣的水泥稳定碎石抗压强度提高26.6%以上，说明钢渣掺量对长龄期水泥稳定钢渣碎石抗压强度影响较显著，且钢渣掺量存在最优值。这是因为钢渣压碎值高于碎石粗集料压碎值，水泥稳定碎石中掺入钢渣有利于提高其强度；同时，钢渣中含有类似C2S、C3S等物质的活性成分，遇水生成具有胶结作用的水化产物，增强了钢渣碎石材料强度。

图4 钢渣掺量对水泥稳定钢渣碎石无侧限抗压强度影响

另外，当养生龄期≥60 d，水泥稳定钢渣抗压强度低于水泥稳定碎石抗压强度，这是因为钢渣掺量过高时，较多的活性物质发生水化反应后体积增大，破坏了水泥稳定钢渣碎石结构的稳定性，从而引起抗压强度降低。

2.2.2水稳定性

水泥稳定钢渣碎石水稳定性试验结果见图5。水稳定性试验中，采用软化系数评价水泥稳定钢渣碎石水稳定性。软化系数指同一养护龄期下水泥稳定钢渣碎石浸水与不浸水抗压强度的比值，表征浸水环境下抗压强度稳定性。

图5 钢渣掺量对水泥稳定钢渣碎石软化系数影响

由图5可知，随钢渣掺量增加，不同养护龄期的水泥稳定钢渣碎石软化系数变化规律一致，软化系数先增大后减小，在钢渣掺量75%时软化系数取得最大值，其抗水破坏能力最大。另外，钢渣掺量≤75%，随养护龄期增加，水泥稳定钢渣碎石软化系数呈增大趋势，水稳定性不断提高，这是因为水化产物含量随龄期增加逐渐提高，不断填充结构内部空隙，致使结构密实性和稳定性提高，抑制了水的渗入，从而软化系数逐渐增大。对此，结合水泥稳定钢渣碎石抗压强度增长规律和长期稳定性，钢渣最佳掺量为75%。

2.2.3耐收缩性

水泥稳定钢渣碎石干缩试验结果见图6。

图6 水泥稳定钢渣碎石干缩试验结果

由图6可知，随干缩时间增加，水泥稳定碎石掺钢渣前后干缩系数变化规律一致，前期干缩系数增长迅速，后期逐渐趋于稳定，且75%钢渣掺量的水泥稳定碎石干缩系数显著低于不掺钢渣的水泥稳定碎石干缩系数，其90 d干缩系数降低了35.4%。说明水泥稳定碎石基层材料中掺入钢渣可显著延缓或抑制裂缝产生，这是因为钢渣中游离氧化钙等物质与水发生反应，减小了水分蒸发，同时体积增大，抵消了材料干燥收缩。

3 结论

1) 骨架密实结构粗型矿料级配的水泥稳定钢渣碎石强度特性最优，在4.0%水泥掺量时，抗压强度满足道路基层强度设计要求，随水泥掺量增加，水泥稳定钢渣碎石无侧限抗压强度增速减缓。建议水泥掺量为4.0%～4.5%。

2) 不同水泥掺量的稳定钢渣碎石养护前28 d抗压强度增长迅速；钢渣掺量对长龄期的水泥稳定钢渣碎石抗压强度影响较显著；水泥掺量为4%时，水泥稳定碎石掺75%钢渣后较掺钢渣前抗压强度至少提高26.6%，且抗水破坏能力最大。建议钢渣最佳掺量为75%。

3) 水泥稳定碎石基层材料中掺入钢渣可显著延缓或抑制裂缝产生，75%钢渣掺量的水泥稳定碎石干缩系数显著低于不掺钢渣的水泥稳定碎石干缩系数，90 d干缩系数降低了35.4%。