二灰穩(wěn)定鋼渣碎石基層材料性能試驗(yàn)分析

廖波

摘要：為改善鋼渣碎石基層材料收縮性能，文章采用石灰、粉煤灰（簡稱“二灰”）對鋼渣碎石基層材料進(jìn)行性能提升試驗(yàn)分析。結(jié)果表明：二灰穩(wěn)定鋼渣碎石能夠有效提升基層材料的抗壓回彈模量、間接抗拉強(qiáng)度、干燥收縮性能和抗凍性能，石灰粉煤灰與鋼渣會產(chǎn)生活性化合反應(yīng)，會增強(qiáng)碎石材料內(nèi)部的粘結(jié)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，推薦二灰總摻量為20%，鋼渣摻量為50%。

關(guān)鍵詞：石灰;粉煤灰;鋼渣;基層材料;試驗(yàn)分析

中圖分類號：U416.03A090344

0 引言

長期以來，高等級路面結(jié)構(gòu)采用“強(qiáng)基薄面穩(wěn)土基”的施工方案。其中，半剛性基層材料成為道路基層結(jié)構(gòu)的典型選擇，而集料的材料性能成為影響道路基層剛度的關(guān)鍵因素。隨著礦料資源的日益短缺，探尋可持續(xù)發(fā)展的筑路礦石材料成為循環(huán)經(jīng)濟(jì)的新方向[1-3]。鋼渣是鋼材煅煉過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，其具有強(qiáng)度高、耐磨性好的特點(diǎn)，將其作為道路基層材料可實(shí)現(xiàn)道路基層強(qiáng)度的提升。但鋼渣具備一定水化硬化活性，遇水會產(chǎn)生一定的膨脹，亦會影響道路基層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[4-5]。相關(guān)研究采用水泥、礦粉、堿激發(fā)等材料摻入鋼渣碎石基層材料中，可實(shí)現(xiàn)道路基層材料性能的提升[6-7]。但隨著道路的長期服役和雨水倒灌侵蝕等影響，鋼渣碎石基層材料仍舊會在道路服役一定年限后產(chǎn)生各類收縮裂縫并最終形成反射裂縫，影響路面的行車安全和狀況[8]。王江洋等[9]將石灰和粉煤灰摻入鋼渣碎石中進(jìn)行力學(xué)性能測試，并推薦了鋼渣的適宜摻量范圍。黃凱健等[10]對硅灰與礦渣微粉進(jìn)行復(fù)摻，改善鋼渣碎石混凝土并對其作用機(jī)理進(jìn)行分析。粉煤灰和石灰作為常見混凝土填料，具有穩(wěn)定性好、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)。本研究將二灰（粉煤灰、石灰）作為改良材料對鋼渣碎石基層材料進(jìn)行力學(xué)性能提升研究，旨在對該種道路基層筑路材料技術(shù)性能和適用性進(jìn)行評估。

1 原材料

1.1 鋼渣

本研究采用的鋼渣取自南陽漢冶特鋼有限公司，為電爐鋼渣，其在干燥條件下呈黑灰色。將鋼渣進(jìn)行浸水陳化處理，自然條件下放置半年后進(jìn)行試驗(yàn)。鋼渣的棱角性較好，磨耗值低，相關(guān)化學(xué)組成如表1所示。鋼渣顆粒級配如表2所示。

1.2 集料

研究選用的集料為石灰?guī)r礦料，集料表觀潔凈無雜陳，壓碎值為21.6%，其抗壓強(qiáng)度要低于鋼渣集料。石灰?guī)r集料級配如表3所示。

1.3 粉煤灰

粉煤灰是發(fā)電廠燃煤產(chǎn)生的灰渣，顆粒直徑范圍為1～50? μm，呈球狀顆粒態(tài)。材料內(nèi)部含有大量礦物質(zhì)，燒失量為12.5%。粉煤灰相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

1.4 石灰

碳酸鈣在煅燒后形成氧化鈣，在遇水后產(chǎn)生硝化反應(yīng)形成石灰，其含有大量的氧化鈣和氧化鎂成分。石灰的技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

2 二灰結(jié)合料性能研究

石灰和粉煤灰作為穩(wěn)定碎石材料中的填料，具有增強(qiáng)碎石粘結(jié)和穩(wěn)定的作用。但石灰和粉煤灰二者具備的特性不同，在拌和過程中也存在性能差異，需對石灰、粉煤灰的調(diào)配比例進(jìn)行適用性研究。本文將石灰和粉煤灰分別按1∶1、1∶1.1、1∶1.2、1∶1.3、1∶1.4、1∶1.5比例進(jìn)行調(diào)配，制備二灰結(jié)合料，對其最大干密度、最佳含水量、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行測試。測試結(jié)果如表6所示。

將不同石灰、粉煤灰比例下結(jié)合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度繪制成曲線進(jìn)行分析，如圖1所示。

試驗(yàn)表明，當(dāng)二灰比例在1∶1.3時，結(jié)合料的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均達(dá)到峰值。粉煤灰和石灰兩種材料在基層材料中主要起到增強(qiáng)粘結(jié)和填充作用，石灰中的氧化鈣和粉煤灰均具備一定的活性成分，在穩(wěn)定碎石拌和過程中會進(jìn)行化合反應(yīng)，進(jìn)一步提升基層材料的內(nèi)部穩(wěn)定性。研究采用石灰與粉煤灰1∶1.3的調(diào)配比例進(jìn)行后續(xù)二灰穩(wěn)定鋼渣碎石基層材料試驗(yàn)。

3 二灰穩(wěn)定鋼渣碎石基層材料性能研究

3.1 配合比設(shè)計(jì)

研究采用骨架型穩(wěn)定類碎石級配設(shè)計(jì)，其目標(biāo)級配如表7所示。

為進(jìn)一步探究鋼渣和二灰在基層穩(wěn)定碎石中的摻配比例，對鋼渣的摻配分別設(shè)計(jì)了0、25%、50%、75%和100%五種水平，對二灰（石灰、粉煤灰）的摻配比例（占總質(zhì)量）分別設(shè)計(jì)了15%、20%、25%三種水平。試驗(yàn)組合方案如表8所示。

3.2 抗壓回彈模量

抗壓回彈模量是材料在受力狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，是材料宏觀力學(xué)性能的反映。本研究對二灰穩(wěn)定鋼渣碎石基層材料的抗壓回彈模量進(jìn)行測試，結(jié)果如表9所示。

將不同鋼渣和二灰摻量下碎石材料的抗壓回彈模量進(jìn)行繪圖分析，如圖2所示。

由表9和圖2可知，隨著鋼渣摻量的增加，穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量逐漸增大，鋼渣相較于普通天然集料水化硬化活性高，且鋼渣的硬度較高，與石灰、粉煤灰共同拌和下會進(jìn)一步提升材料的整體強(qiáng)度。從三種不同二灰摻量的碎石材料的抗壓回彈模量來看，20%二灰摻量對碎石材料的抗壓回彈模量提升效果最為顯著。說明適宜摻量的二灰可增強(qiáng)碎石材料內(nèi)部的粘結(jié)性，但二灰摻量過多會導(dǎo)致碎石材料內(nèi)部分散不均勻，在一定程度上削弱碎石材料的抗壓回彈模量。

3.3 間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

瀝青路面在長期的服役過程中會發(fā)生性能劣化，車輛荷載作用到基層后會形成裂縫破壞，使基層材料的底部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。研究采用間接抗拉強(qiáng)度作為測試指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

由表10和圖3可知，鋼渣穩(wěn)定碎石基層材料的抗拉強(qiáng)度隨鋼渣摻量和二灰摻量的增加而不斷提升，表明二灰和鋼渣對穩(wěn)定碎石的抗拉強(qiáng)度具有增益效果。鋼渣是煉鋼礦料產(chǎn)生的渣料，具有較高比例的化學(xué)成分，其化學(xué)組分與石灰、粉煤灰拌和能進(jìn)一步提升碎石材料整體的穩(wěn)定性，材料內(nèi)部的嵌擠和粘結(jié)作用會使得穩(wěn)定碎石具備抵抗受拉破壞的能力。以25%二灰摻量為例，純鋼渣穩(wěn)定碎石較天然集料穩(wěn)定碎石抗拉強(qiáng)度提升約31%。但是隨著鋼渣材料摻量的不斷增加，穩(wěn)定碎石抗拉強(qiáng)度的增長速率逐漸放緩。

3.4 干燥收縮試驗(yàn)

基層穩(wěn)定碎石受路面雨水倒灌和內(nèi)部水分子蒸發(fā)等因素影響，材料會產(chǎn)生一定的收縮變形，而鋼渣材料由于硬度較高，更易產(chǎn)生收縮變形和裂縫開展。本研究對不同鋼渣摻量和二灰摻量90 d養(yǎng)護(hù)齡期下水穩(wěn)碎石材料的干縮性能進(jìn)行測試。試驗(yàn)結(jié)果如圖4～6所示。

由圖4～6可知，總干縮系數(shù)是總干縮應(yīng)變與總失水率的比值，總干縮系數(shù)越小表明鋼渣碎石的干縮性能越好。從鋼渣碎石的總失水率來看，隨著鋼渣摻量的增加，鋼渣碎石材料的總失水率呈先上升后下降的趨勢。其中，鋼渣摻量達(dá)到50%時，碎石材料的總失水率達(dá)到峰值，其主要原因是鋼渣和天然集料的特性存在較大差異，鋼渣表面疏松多孔，吸水率大于天然集料，二者在拌和過程中導(dǎo)致材料內(nèi)部水分子分布不均勻。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，原先的水分子會逐漸蒸發(fā)，導(dǎo)致總失水率偏大。從總干縮應(yīng)變來看，鋼渣碎石的總干縮應(yīng)變隨鋼渣摻量的增加而變大，這與鋼渣材料特性有關(guān)，鋼渣過多會導(dǎo)致材料的嵌擠性削弱，進(jìn)而導(dǎo)致收縮變形加劇。由此可知，20%二灰摻量下鋼渣碎石干縮系數(shù)較低，一方面表明二灰有利于改善鋼渣碎石的干縮性能，另一方面表明二灰摻量不宜過多，二灰的過量摻入會導(dǎo)致總失水率加大，加劇材料的開裂損傷破壞。

3.5 凍融試驗(yàn)

在冬季寒冷地區(qū)，伴隨著雨雪融化灌入地下，在晝夜溫差變化下會導(dǎo)致路基產(chǎn)生凍融損傷破壞。本研究對鋼渣碎石進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，將養(yǎng)生齡期28 d的試件進(jìn)行16 h、-20 ℃冷凍和8 h、20 ℃浸水解凍，按此步驟循環(huán)5次后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，以凍融殘余強(qiáng)度比作為抗凍性能評價指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

將不同鋼渣和二灰摻量下凍融殘余強(qiáng)度比繪制曲線圖進(jìn)行分析，如圖7所示。

由表11和圖7可知，隨著鋼渣摻量的增加，鋼渣碎石的凍融殘余強(qiáng)度比逐漸增大，且二灰摻量越大，凍融殘余強(qiáng)度比越大。鋼渣材料在經(jīng)高溫煅燒后，材質(zhì)較為堅(jiān)硬，鋼渣摻量越多，穩(wěn)定碎石整體的強(qiáng)度顯著提升。石灰、粉煤灰作為填料，與鋼渣產(chǎn)生活性反應(yīng)，會進(jìn)一步增強(qiáng)材料的黏性和強(qiáng)度。

4 結(jié)語

本文研究采用石灰、粉煤灰對鋼渣碎石進(jìn)行性能改善試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）對石灰、粉煤灰進(jìn)行結(jié)合料性能研究，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度測試，推薦石灰和粉煤灰的調(diào)配比例為1∶1.3。

（2）鋼渣摻量和二灰摻量的增加可以有效提升鋼渣碎石的抗壓回彈模量和間接抗拉強(qiáng)度。

（3）鋼渣碎石的總失水率隨鋼渣摻量的增加呈先上升后下降趨勢，總干縮系數(shù)呈緩慢增長趨勢。其中，20%二灰摻量下，鋼渣碎石的總干縮系數(shù)最小。

（4）鋼渣摻量和二灰摻量的增加可以有效提升鋼渣碎石的凍融殘余強(qiáng)度比，表明鋼渣和二灰可以增強(qiáng)鋼渣碎石的抗凍性能。

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作者簡介：

廖 波（1985—），工程師，主要從事公路橋梁施工管理工作。