表面改性钢渣基层混合料路用性能分析

李冷雪 蔡燕霞

（1.中建路桥集团有限公司，河北 石家庄 050001；2.中路高科交通科技集团有限公司，北京 100088；3.中路高科（北京）公路技术有限公司，北京 100088；4.公路建设与养护新材料技术应用交通运输行业研发中心，北京 100088）

一、引言

钢渣因具有良好的物理力学性能，应用于公路基层中可大幅度提高其性能[1]。通过研究，诸多学者证实了钢渣在公路工程应用的可行性。长安大学黄浩[2]将期龄14d左右的新钢渣掺入0.5%的微硅灰到水稳碎石基层中，发现钢渣的掺入可提高其力学性能，但掺量过高会使水稳基层的压实性变差，另外加入微硅灰也能明显降低钢渣的体积膨胀率，提高基层的耐久性。George[3]等提出水泥剂量、集料成分、土的种类、养护龄期是影响水泥稳定类基层性能的主要因素。喻平[4]经研究发现，水泥稳定钢渣碎石的弯拉强度是其疲劳寿命的主要影响因素，且主要受钢渣掺量和水泥剂量的影响。因钢渣含有f-CaO、f-MgO等活性成分，遇水体积易膨胀，未经处理的钢渣直接用于路面时，易造成结构损坏，影响使用寿命。因此，本文将钢渣改性处理，代替天然碎石用于水稳基层，研究水稳碎石、水稳钢渣、水稳改性钢渣混合料的路用性能，能够为实现废物利用、维护生态平衡、提高钢渣综合利用率提供参考。

二、原材料性能

（一）改性剂

选用甲基硅酸钾溶液（PM）和硅丙乳液（SAE）作为改性剂，二者均具有良好的斥水性，其材料性能如表1所示。

表1 改性剂性能

（二）钢渣理化性质

钢渣物理力学性能结果如表2所示。钢渣的主要化学成分为CaO、SiO2、P2O5，含量分别为54.3%、12.20%和1.65%，碱度为3.9，属于高碱度范围。两种粒径范围的钢渣膨胀率分别为2.3%、2.1%，因为钢渣表面粗糙多孔且内部水化活性成分较高，导致膨胀率不满足规范要求。

表2 钢渣的物理力学性能

三、改性钢渣的制备

（一）钢渣改性方案

采用浸渍法对钢渣进行表面改性处理，每2h搅拌一次溶液，保证钢渣充分浸泡，达到改性处理时间后捞出，自然风干5h～7h得到改性钢渣。然后分析不同浓度、不同处理时间对不同粒径钢渣吸水率、膨胀性的影响，确定改性剂的浓度和改性处理时间。具体方案如表3所示。

表3 钢渣改性方案

（二）改性钢渣性能

1.吸水率

吸水率试验结果如表4所示，改性剂PM和SAE在浓度分别为3wt%、12wt%，改性处理时间为12h时，对钢渣吸水率具有较好的改善效果，因此研究钢渣浸水膨胀性能时，应采用此浓度下的两种改性剂和改性处理时间。

表4 吸水率试验结果

2.浸水膨胀率

浸水膨胀率结果如图1所示，以此评价表面改性对钢渣体积膨胀的抑制效果。相同粒径下不同改性剂对钢渣体积抑制效果也存在差异，4.75mm～9.5mm、9.5mm～13.2mm粒径的PMSSA膨胀率与未改性钢渣相比降低了28.7%、25.7%，SAESSA降低了20%、23.3%。这是由钢渣本身性质、改性工艺和钢渣试件密实程度决定的，可知钢渣表面改性在富水情况下，可延缓钢渣内部活性成分的水化反应速率，进而达到降低钢渣体积膨胀率的目的。

图1 不同粒径不同改性钢渣的浸水膨胀率

根据改性钢渣室内试验研究，两种粒径范围的钢渣吸水率在改性剂PM和SAE浓度分别为3wt%、12wt%，处理时间为12h时降至最低，并且4.75mm～9.5mm的钢渣改性效果较为显著，PM的改性效果优于SAE，后续采用改性剂PM对基层混合料进行路用性能研究。

四、改性钢渣混合料性能

（一）配合比设计

根据《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）要求，选用骨架密实型级配的级配中值作为水泥稳定类基层的设计级配，根据体积-质量换算法[6]，调整钢渣级配。将不同粒径改性钢渣代替同粒径碎石，选择4%、5%两种水泥剂量，组成8种配合比，如表5所示。其中NAM代表水稳碎石混合料；SSAM代表普通钢渣全部代替4.75mm～13.2mm粒径水稳碎石钢渣混合料；IPMSSAM、IIPMSSAM分别代表改性钢渣单档代替4.75mm～9.5mm、9.5mm～13.2mm粒径范围的水稳碎石改性钢渣混合料。水稳碎石改性钢渣混合料的级配受钢渣替代方式的影响较小，各个筛孔的通过率较为接近，不同类型混合料的级配结果如图2所示。

图2 级配曲线

表5 配合比设计

（二）击实特性

各配合比混合料击实试验结果如图3所示，改性钢渣代替未改性钢渣粗集料后，不同配比下混合料的最佳含水量呈先增长后下降再增长的趋势，是由于未改性的小粒径钢渣吸水能力较强，在闷料过程中会吸取更多水分，因此会提高混合料的含水量。各配比下混合料的最大干密度不尽相同，这是由于钢渣经改性处理后，材料表观密度有所变化，导致混合料的干密度有所不同。

图3 各配合比下混合料击实试验结果

（三）无侧限抗压强度

各配比混合料的抗压强度如图4所示。当水泥剂量为4%时，A3的强度最高，比A1、A2分别高出了55.6%、14.3%，说明水泥稳定碎石-改性钢渣混合料具有良好的抗压强度；当水泥掺量为5%时，B3无侧限抗压强度分别比B1、B2高出了37%、3.3%，说明水泥剂量也影响混合料的抗压强度。当改性钢渣代替不同规格的普通钢渣时，其混合料强度也存在差异，这是因为不同档位改性钢渣在成型试件时所需的质量占比不同，其中质量占比较高的改性钢渣对水泥颗粒的吸附作用较少，反之则受吸附作用影响，导致混合料的抗压强度降低。通过对比分析不同配比下混合料的7d无侧限抗压强度可知，采用改性钢渣部分替代同粒径规格的钢渣粗集料与全部替代天然碎石粗集料相比，前者对提高水泥稳定碎石混合料的抗压强度更加有效，其中4.75mm～9.5mm改性钢渣对混合料抗压性能的改善效果更好。

图4 无侧限抗压强度

五、结语

本文通过浸水膨胀率试验测试不同粒径钢渣的体积稳定性，4.75mm～9.5mm、9.5mm～13.2mm粒径范围内的钢渣膨胀率分别为2.3%、2.1%，不满足相关规范要求，须进行进一步处理；经改性剂PM和SAE处理后，钢渣吸水率明显降低，在两种粒径范围内钢渣吸水率分别在浓度为3wt%、12wt%，处理时间为12h时，钢渣吸水率降至最低，PM的改性效果优于SAE；对比分析不同配比混合料的7d无侧限抗压强度，采用部分替代同粒径规格的钢渣粗集料对提高基层混合料的抗压强度非常有效，其中4.75mm～9.5mm改性钢渣对混合料抗压性能的改善效果更好。