水泥粉煤灰稳定钢渣碎石基层水稳定性研究

徐东辉，闫升

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏交通建设股份有限公司，宁夏 银川 750004；3.宁夏道路养护工程技术研究中心，宁夏 银川 750004）

0 引言

钢渣是炼钢过程中产生的固体废弃物，具有优良的物理力学性能和潜在的水硬性，可以代替部分碎石用于道路基层中，能够使基层的强度和变形能力得到提高。在季冻性地区，道路基层受到冻融循环的作用，容易形成低温裂缝，促进水分的流入，从而破坏路面的整体稳定性。

既有研究普遍认为冻融循环将造成混凝土内部发生变化。李金玉等[1]指出，在冻融循环作用下，混凝土会逐渐被剥蚀破坏；商怀帅等[2]基于疲劳累积损伤理论，对混凝土的冻融损伤特性进行了可靠性分析；李家正等[3]研究了冻融循环过程中混凝土性能的劣化特征和混凝土抗折强度、劈裂抗拉强度的变化；赵玉国[4]研究发现，随着半刚性基层材料冻融循环作用次数的增加，其吸水率呈增大的趋势，说明在冻融循环过程中基层材料内部孔隙逐步增加；张春青[5]认为，在冻融循环作用下，增加水泥用量和提高压实度可以增强基层材料的抗冲刷性能。

目前国内外学者对于半刚性基层的水稳定性研究成果较为丰富，提出了冻融循环的破坏理论，对于基层混合料的水稳定性研究主要集中在抗冲刷性能方面。本文基于无机结合料的冻融破坏理论，结合基层的抗冲刷性能，对水泥粉煤灰稳定钢渣碎石基层的水稳定性进行研究，首先对基层试件进行冻融循环试验，然后将试件浸泡不同时间，测量不同浸泡时间下试件的无侧限抗压强度的变化情况。

1 原材料性能

1.1 钢渣

试验所用钢渣取自宁夏某钢铁公司，钢渣颗粒较为松散，边角较为圆钝，颗粒表面布满了大大小小的孔隙，数量较多，导致钢渣的吸水率较大，较多的孔隙又能使其与其他集料更紧密地结合，有利于提高混合料的强度。钢渣的化学成分如表1所示。

表1 钢渣的化学成分

从表1可以看出，钢渣的化学成分主要有CaO,Fe2O3,SiO2,MnO,MgO,Al2O3,P2O5,TiO2等。试验所用钢渣为热闷法处理的陈化钢渣。表2所示为钢渣的集料性质。

表2 钢渣的集料性质

由表2可知，钢渣的集料性质满足规范要求，同时陈化钢渣粒径分布相对均匀，级配较好，能够代替部分碎石应用于道路基层中。

1.2 粉煤灰

试验所用粉煤灰取自宁夏某电厂，其化学成分如表3所示。

表3 粉煤灰的化学成分

从表3可知，粉煤灰中SiO2含量占一半左右，可以作为硅质改性剂，抑制钢渣的体积膨胀。试验所用粉煤灰分为一级灰和原灰，主要以0.045mm筛余量来区分，一级灰的筛余量为9.08%，原灰为56.99%，符合规范对于粉煤灰筛余量的要求。一级灰活性较原灰更大，因为粉煤灰颗粒较细时其活性相对较大，同时粉煤灰和钢渣的火山灰效应和微集料效应更为明显。粉煤灰的技术指标如表4所示。

表4 粉煤灰的技术指标

表4 （续）

由表4可知，一级灰的细度符合技术要求。粉煤灰越细，其自身含有的活性物质越多，有助于提高基层混合料的强度。原灰0.045mm筛余量大于45%，说明原灰的颗粒更大，不利于提高基层混合料的强度。

1.3 水泥

本试验所用水泥均为赛马牌P·F 32.5粉煤灰水泥，密度为3.15g/cm3，技术指标如表5所示。

表5 水泥的技术指标

由表5可知，水泥的各项技术指标均符合规范要求，可以进行室内试验。

1.4 碎石

试验所用碎石来自某矿业公司，碎石颗粒尺寸分为3档，分别为：5～10mm,10～20mm,20～30mm。各档碎石均由石灰岩破碎筛分得到，筛分结果如表6所示。可以看出，筛分结果满足规范要求。

表6 碎石筛分试验结果

碎石性能检测结果如表7所示。

表7 碎石的性能指标

由表7可知，碎石所有指标均满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）要求，可以进行室内试验。

2 试验结果

采用多功能路面材料强度试验机测定无侧限抗压强度，测试时将试件放置在试验机底座上，保持1mm/min的加载速度对试件进行加压，记录试件被压坏时的最大压力P。

试件的无侧限抗压强度按式（1）计算：

式（1）中：Rc为无侧限抗压强度（MPa）；P为试件破坏时的最大压力（N）；A为试件的截面积（mm2）。

试验采用大试件，可以出现2～3个异常值，同一组试件的变异系数Cv≤15%。不能满足要求的，则增加试件数量，重新计算变异系数，直至满足要求。

最终的试验结果以试件的抗压强度代表值为准，即满足95%保证率的值。抗压强度代表值按式（2）计算：

式（2）中：Rr为抗压强度代表值（MPa）；为抗压强度平均值（MPa）；S为抗压强度标准差（MPa）。

2.1 抗冻性

抗冻性已成为检验耐久性的重要指标。冻融循环是冻胀力作用下孔隙扩展、贯通引起基层混合料内部损伤，并造成试件质量损失的过程。经过冻融循环作用，试件的无侧限抗压强度会有一定的损失，通过表征这种损失来说明冻融循环作用对于掺入钢渣和粉煤灰的基层混合料试件无侧限抗压强度的影响。

本文采用规定养护龄期为28d的基层混合料试件，以经过5次冻融循环后的饱水无侧限抗压强度与冻融循环前饱水无侧限抗压强度之比来评价水泥粉煤灰稳定钢渣碎石基层混合料的抗冻性能，并以冻融组试件的无侧限抗压强度和对照组无侧限抗压强度的比值作为冻融系数。

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009），对试件进行抗冻性评价。将试件在标准养护条件下养护28d，最后一天浸水，在-18℃的冷冻箱中放置16h，然后放入20℃的水中浸泡8h，循环5次后测量试件的抗压强度。

经过冻融循环的试件与对照组试件的无侧限抗压强度测试结果如表8和图1所示。

表8 试件的无侧限抗压强度测试结果（冻融循环作用下）

图1 冻融循环

由表8和图1可知，经过5次冻融循环的试件无侧限抗压强度比对照组的强度下降10%左右。水泥粉煤灰稳定钢渣碎石基层的冻融系数均大于0.9，满足规范所要求的试件抗冻系数大于0.75，说明其抗冻性能较好。

2.2 水稳定性

水稳定性是指基层混合料抵抗水损伤的能力。水稳定性不足会造成基层混合料的剥落、强度降低，并影响路面结构稳定性，缩短路面的使用寿命。本文采用不同浸水时间的试件无侧限抗压强度来表征基层混合料的水稳定性。参照无侧限抗压强度测试方法，先将试件按标准养护方式养护7d，然后浸水不同的时间（分别为3d,7d,14d和28d），测量试件的无侧限抗压强度，试验结果如表9、图2所示。

图2 浸水时间对强度的影响

表9 （续）

表9 不同浸水时间下混合料的无侧限抗压强度

从图2可以看出，基层混合料的无侧限抗压强度随着浸水时间的增加呈现先增大后减小的趋势。随着浸水时间的增加，基层混合料中的活性物质不断发生水化反应，使试件的无侧限抗压强度不断增大，同时试件周围大量的水会降低试件的无侧限抗压强度，水化反应和水对试件的破坏作用会达到一个平衡，此时试件的强度达到最大。当浸水时间达到7d时，掺入原灰的试件强度达到最大，而掺入一级灰的试件达到最大强度时的浸水时间更长，为14d，说明水对掺入原灰的基层混合料的强度影响更大。

3 结论

（1）经过冻融循环试验发现，水泥粉煤灰稳定钢渣碎石基层经过5次冻融循环的无侧限抗压强度比正常情况下下降10%左右，即抗冻系数均在0.9以上，满足规范所要求的大于0.75，掺入原灰的基层混合料的抗冻系数较掺入一级灰的更大，说明掺入原灰的水泥粉煤灰稳定钢渣碎石基层混合料的抗冻性更好。

（2）水泥粉煤灰稳定钢渣碎石基层混合料的无侧限抗压强度随浸水时间的增加呈先增大后减小的趋势。随着浸水时间的增加，试件中的水泥不断发生水化，粉煤灰与钢渣之间的火山灰效应不断增强，同时水对试件结构的破坏作用也在不断增强，前期的水化作用较为强烈，随着活性物质的减少，水化作用减弱，水对试件的破坏作用占主导，此时试件强度开始降低。浸水破坏对掺入原灰的基层混合料影响较大。