鋼渣集料在高速公路水泥碎石基層中的應用研究

趙寶軍,吳 琛,王 俊,譚 鵬,孔德智,陳美祝

(1.深圳海龍建筑科技有限公司，深圳 518000；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

我國高速公路大多采用瀝青面層與半剛性基層的路面結構，其中半剛性基層多采用水泥穩定類材料[1]。公路工程對集料需求量巨大，同時天然集料開采過程中對環境破壞嚴重，集料生產與運輸成本越來越高。為此，研究者致力于尋找天然集料的替代材料。

鋼渣與天然巖石有很多相似之處，同時具有致密、堅固和耐磨的特點[2,3]。因此，國內外關于鋼渣作為替代集料應用于路面材料中有很多研究。其中，轉爐鋼渣是一種常見的鋼渣，其產生量也是最高的。轉爐鋼渣比天然集料具有更高的硬度和耐久性，將其作為天然集料替代品應用，不僅可有助于減少工業固體廢棄物的堆積，而且還可有效減少公路工程對天然集料的需求[4,5]。

在我國現行使用的國家規范中，對水泥碎石基層級配設計提出了相應粒徑通過率的上下限，而鋼渣與天然集料在密度、吸水性等方面有明顯差異，僅使用現有級配上下限對鋼渣集料水泥穩定碎石進行配合比設計難以滿足相關規范的性能指標要求[6]。因此，在鋼渣集料水泥穩定碎石CB-1配比設計時，應根據鋼渣特有物化性能，對配比設計進行相應優化調整，以確定合理的礦料級配、水泥用量和最佳用水量等參數。

1 原材料選擇與檢測

根據相關設計要求，選用32.5普硅水泥和兩種集料，分別為鋼渣和安山巖。32.5普硅水泥性能如表1所示，滿足相關技術要求。

表1 32.5普硅水泥性能指標

鋼渣和安山巖的性能對比如表2所示，兩種集料性能皆滿足規范要求。

表2 集料基本性能

2 鋼渣集料水泥穩定碎石組成設計及優化

2.1 天然集料CB-1配合比設計

根據《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)配合比的設計要求，進行CB-1目標配合比設計，傳統設計思路為：在鋼渣集料水泥穩定碎石的礦料級配設計中，主要趨近于配合比范圍中值，得到相對應的各檔集料的配合比。經調整后，配比為： 19～26.5 mm∶9.5～19 mm∶4.75～9.5 mm∶2.36～4.75 mm∶0～2.36 mm∶礦粉=17%∶23%∶20%∶16%∶24%。 天然集料CB-1級配設計范圍的上限、下限、中值和國標規范中的CB-1級配中值曲線具有較好的擬合效果，其配比設計目標基本達成。

2.2 高速公路鋼渣集料水泥穩定碎石配合比優化

對高速公路鋼渣集料水泥穩定碎石配合比設計主要根據以下三條原則進行優化：

1)在對鋼渣集料CB-1水泥穩定碎石配合比設計時，為使其具有穩定骨架結構，首先保證礦料級配中粗集料的比例，使水泥穩定碎石中集料形成穩定骨架結構，同時合理調整粗、細集料比例，減少鋼渣粒形等特性對水泥穩定碎石施工性能產生的不利影響。

2)充分考慮鋼渣與天然集料間密度的差異，配合比設計優化方案中，使用天然集料作為細集料使用，所用鋼渣表觀相對密度約為3.6，安山巖約為2.7。在配合比設計中使用等體積原則，對體積比例和質量比例進行相應換算。

3)鋼渣相較于天然集料具有更高的吸水率，故在最佳用水量確定時，應適當增加用水量以使鋼渣水泥穩定碎石具有較好的工作性能。

根據以上原則，結合重型擊實實驗結果，得到鋼渣集料CB-1水泥穩定碎石配合比設計優化的質量配合比為：19～31.5 mm∶9.5～19 mm∶4.75～9.5 mm∶2.36～4.75 mm∶0～2.36 mm∶礦粉=17%∶23%∶20%∶3%∶11.6%∶17.4%。如表3所示，在鋼渣集料CB-1水泥穩定碎石配比設計優化中，其合成級配與級配中值擬合程度較好，同時，在對體積比例和質量比例換算后，其質量比例與天然集料差異在5%～10%之間。

表3 鋼渣集料水泥穩定碎石礦料比例

2.3 鋼渣集料水泥穩定碎石性能分析

在對鋼渣集料水泥穩定碎石配合比設計優化后，制備出對應樣品，并進行相應水泥穩定碎石性能驗證試驗，其中不同水泥摻量7 d無側限抗壓強度如表4所示。其中，水泥用量是指使用的水泥與總集料質量的比例。實驗結果表明，三個水泥用量條件下的混合料試件7 d無側限抗壓強度代表值RC0.95分別為5.01 MPa、5.77 MPa、6.71 MPa，均滿足設計文件底基層強度不小于3.0 MPa的要求，其中，水泥用量在3.5∶100以上時，單個試件強度實測值均大于4.0 MPa，代表值RC0.95均大于4.0 MPa，高于規范文件底基層強度技術要求，且具有較高的強度富余系數。

同時對該底基層配合比進行3.5∶100水泥用量條件下的90 d齡期彎拉強度驗證實驗，測試水泥穩定碎石底基層混合料彎拉強度。試件的制備按T0844方法成型100 mm×100 mm×400 mm的中梁試件，壓實度按97%控制，標準條件養生90 d，養生到期后采用UTM-25材料試驗系統進行中心點加載模式進行加載試驗，其90 d抗彎拉強度平均值約為0.95 MPa，同時其抗彎拉強度代表值可達到0.85 MPa以上。鋼渣集料水泥穩定碎石的力學性能均高于規范中的技術要求指標。

3 結 論

組成設計優化充分考慮了鋼渣與天然集料間密度與吸水率的差異，通過控制粗集料用量，建立了穩定的骨架結構。在對組成設計進行優化后，制備的鋼渣集料水泥穩定碎石具有較高的最大干密度，同時無側限抗壓強度與抗彎拉強度等力學性能滿足技術要求，并高于同類型天然集料水泥穩定碎石材料。

該研究主要解決了鋼渣集料用于水泥穩定碎石中時配比設計、水泥及最佳用水量確定困難的問題。經高速公路工程實踐驗證，其施工效果良好，具有較好應用效果，可為同類型的公路建設項目提供參考依據。