鋼渣對水泥穩定碎石混合料路用性能的影響

王紅偉，張紅日，藍天助

(1.廣西新發展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；3.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

鋼渣是煉鋼的副產品之一，主要來源于鐵水和廢渣形成的氧化物。據統計，2018年中國鋼鐵產能超過1億t[1]。因此，需妥善處理大量的廢渣。通常，廢渣有部分可以被鋼廠回收利用[2]，而其余則可用于工程等領域，但大部分均是堆放處理。這種固體廢棄物的處置方式不僅占用了大量的土地資源，而且由于鋼渣中有害成分的泄漏，可能會給環境帶來負擔。

鋼渣具有較高的硬度和耐磨性，使其足以用于道路和建筑工程領域[1]。如果用鋼渣部分或全部代替道路用混合料中的骨料，不僅可以提高鋼渣的利用率，而且可以緩解土木工程資源的短缺，減少對環境的破壞。許多國家鋼渣的利用率已達到90%以上[1]。而我國離這一目標還很遠，我國“十四五”規劃已重視固廢資源化利用的關鍵問題，交通運輸部相關規劃也將其作為重要一環。因此，加快鋼渣在道路工程的應用研究有重要的社會和經濟價值。

目前關于鋼渣在道路工程的應用研究，主要集中于面層和基層的應用。如謝勇等[3]測試了三種鋼渣瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性以及體積膨脹性能，均符合工程要求。徐方[4]探討了鋼渣及鋼渣基層材料的體積穩定性。曾夢瀾[5]研究了鋼渣在路面基層中的應用。鄭武西[6]研究了鋼渣在水泥穩定碎石基層中的應用。可見，鋼渣對路面基層材料的各項路用性能具有一定影響，且這些影響與多種因素有關，如鋼渣摻量與性質、水泥摻量、級配等。因此，本文主要研究不同水泥和鋼渣摻量對水泥穩定碎石混合料路用性能的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗所用水泥為42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥。根據JTG E42-2005[7]，測定了鋼渣和石灰巖的物理和力學性質，結果如表1所示。可見，鋼渣和石灰巖的表觀密度相差很大，而壓碎值則更小。鋼渣的形狀多為均勻的圓形顆粒，幾乎不存在針片狀顆粒。由于鋼渣表面多孔，比表面積較大，因此鋼渣的吸水率比石灰巖高。這些指標均滿足相關規范要求。鋼渣的級配如表2所示。采用X射線熒光光譜儀測定了其化學成分，如表3所示。CaO、Fe2O3、MgO、SiO2是鋼渣的主要氧化物成分，四者總量占81.48%。

表1 瀝青技術指標表

表2 鋼渣的篩分結果表

表3 鋼渣的化學成分表

1.2 混合料制備

水泥穩定碎石混合料的級配如表4所示。由于鋼渣具有較大的表觀密度，當利用鋼渣替代石灰巖時，采用體積等價方法。因此，應對各粒徑集料進行體積-質量轉換。合適的水泥含量將確保混合料具有足夠的強度及早期開裂的抵抗能力，因此選取水泥含量為3%～5%。鋼渣替代方案配比如表5所示。

表4 水泥穩定碎石的級配表

表5 水泥穩定鋼渣碎石配比方案表

根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》[8]，對不同鋼渣含量的樣品進行擊實試驗，以確定含水量與干密度之間的關系。繪制壓實曲線，計算最大干密度(MDD)和最佳含水量(OMC)。

采用直徑和高度均為150 mm的圓柱形試樣進行無側限抗壓強度、抗壓彈性模量和劈裂強度試驗。用于收縮試驗的試樣為100 mm×100 mm×400 mm棱柱試樣。模制樣品的壓實度控制在98%。每個試驗條件至少制備三個樣品。抗壓回彈模量與劈裂強度試驗試件在95%相對濕度和25 ℃溫度下養護90 d，干縮樣品養生7 d，其余樣品養生28 d。

2 水泥穩定鋼渣碎石混合料的路用性能研究

2.1 最佳含水量和最大干密度

本文所測得的不同鋼渣摻量的最佳含水量和最大干密度結果如下頁圖1所示。由圖1可知，對具有相同水泥含量的混合料，最佳含水量隨鋼渣摻量增加而增大，這主要是由于鋼渣表面孔隙較多，吸水率較大所導致；最大干密度隨鋼渣摻量的增加而增加，這主要是由于鋼渣的容重較大所致。

2.2 無側限抗壓強度

下頁圖2給出了不同混合料的7 d無側限抗壓強度試驗結果圖。由圖2可知，7 d無側限抗壓強度隨水泥摻量的增加而增大，而4%摻量時的最小無側限抗壓強度滿足《公路瀝青路面設計規范》[9]的要求。因此，重點關注4%含量時不同鋼渣含量的混合料性能。

(a)最佳含水量

圖2 不同鋼渣摻量混合料的7 d無側限抗壓強度結果柱形圖

圖3給出了水泥含量為4%時混合料在28 d時的無側限抗壓強度。鋼渣摻量從40%增加到60%，該強度是增大趨勢，這可能是因為鋼渣表面的粗糙紋理增強了試件內部顆粒的嵌擠，增加了抗損傷能力。另外，鋼渣中的膠凝組分也會促使試件強度更大。當鋼渣進一步替代碎石，由于孔隙過多和吸水率高，過多的鋼渣會使試樣內部的空隙增大，從而不利于強度的形成。80%鋼渣摻量的試件強度有所下降，表明孔隙率的不利影響開始大于鋼渣粗糙表面結構和膠凝組成的積極影響。

圖3 各混合料的28 d無側限抗壓強度結果柱形圖

2.3 劈裂強度

圖4給出了水泥含量為4%時各混合料的劈裂強度試驗結果。由圖4可知，該強度隨鋼渣摻量的變化趨勢與28 d無側限抗壓強度一致。且劈裂強度大小與規范中水泥碎石的劈裂強度相當，因此水泥穩定鋼渣碎石混合料可以替代水泥碎石混合料，用于瀝青路面的基層。

圖4 各混合料的劈裂強度結果柱形圖

2.4 抗壓回彈模量

基層回彈模量一直是路面設計的一個重要參數，對瀝青路面的整體力學性能有重要的影響。圖5給出了各混合料的抗壓回彈模量的結果。由圖5可知，回彈模量隨鋼渣摻量的變化趨勢與劈裂強度類似。且該值與規范中水泥碎石的要求值相當，因此水泥穩定鋼渣碎石可替代水泥碎石作為路面基層。

圖5 各混合料的抗壓回彈模量結果柱形圖

2.5 干縮性能

干縮主要是毛細管張力作用、吸附水分子間作用、層間水作用及碳化脫水作用引起的宏觀體積的變化。干縮性能與干縮應變有很大關系，所以本文以干縮應變評價干縮性能。各混合料的干縮應變如圖6所示。在前期(7 d)干縮應變的曲率較大，說明干縮問題主要發生在前一周，這主要是因為前期水分迅速損失所致，因此當鋼渣用作基層材料時，施工前期應注意保存基層中的水分，以減少收縮問題。另外，干縮應變隨鋼渣摻量的增加而減小，可見，鋼渣的加入有助于減小基層的收縮。

圖6 含不同鋼渣摻量混合料的干縮應變結果曲線圖

3 結語

(1)水泥穩定鋼渣碎石混合料的抗壓強度、劈裂強度及抗壓回彈模量隨鋼渣摻量的增加呈現先增后減的趨勢。

(2)水泥含量為4%時，水泥穩定鋼渣碎石混合料的劈裂強度與抗壓回彈模量與水泥碎石的規范要求值相當，因此其可以代替水泥穩定碎石用作路面基層。

(3)水泥穩定鋼渣混合料的抗壓強度、劈裂強度及抗壓回彈模量在鋼渣摻量為60%時，達到最大值，因此最佳鋼渣摻量可選為60%。

(4)干縮應變隨鋼渣摻量的增加而減小，因此鋼渣的加入有助于減小干縮問題；干縮應變隨齡期增大而增大，且變化率越來越小，因此在鋼渣基層施工前期應著重控制基層中的水分損失，以防止干縮發生。

(5)目前鋼渣可用于水泥穩定碎石混合料，但后續仍應注意由于鋼渣的引入可能造成的后期基層病害問題。