公路工程中鋼渣應(yīng)用研究

吳松蕓

（上饒市交通運輸綜合服務(wù)中心，江西上饒 334000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)隨之得到飛躍的發(fā)展，同時伴隨的固體鋼渣廢棄物也逐漸增多，不僅占用耕地，也污染了環(huán)境，為解決鋼渣廢棄問題，許多研究學(xué)者提出將鋼渣運用于公路工程中，作為路基的填料或?qū)⑵渑c水泥碎石材料結(jié)合形成水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料，并對此方案進行了大量的研究。

本文為研究鋼渣在公路工程中應(yīng)用的可能性，在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，重點關(guān)注將陳化鋼渣作為路基填料的適用性及穩(wěn)定性，并對水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的力學(xué)性能進行研究。

1 鋼渣作為路基填料的研究

1.1 鋼渣的路基填注原理

鋼渣可以作為路基材料進行路基填注，主要是因為鋼渣中的CaO 能與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)Ca(OH)，經(jīng)過碾壓養(yǎng)護后形成變形模量遠大于原地基土的水化物，大幅度提高路基強度。由于鋼渣的多孔性，使其具有較好的滲水性，當(dāng)在承受荷載后，板結(jié)的鋼渣具有較好的應(yīng)力擴散作用，能夠減小覆土的附加應(yīng)力。

1.2 鋼渣的路基填注檢測

鋼渣能否作為路基填注材料，需對其進行檢測，一般的檢測項目包括液限、塑限、自由膨脹率、CBR 試驗、浸水膨脹試驗及擊實試驗。以下案例為某工程試驗段的具體研究介紹：該工程位于某市，道路填注高度為9m，路基寬度為26m，試驗段原設(shè)計中大部分填注材料為紅褐色黏土、亞黏土和亞砂土，更改設(shè)計為采用填注材料為堆放約2年的鋼渣，填注時采用分層填注，分層碾壓的方法進行，對攤鋪機及壓實層的厚度進行嚴(yán)格控制，通過試驗測定鋼渣的松鋪系數(shù)為1.2，最大松鋪厚度為30cm，對填注完成的鋼渣路基彎沉值進行檢測，平均彎沉值為90cm。

1.2.1 鋼渣塑液限試驗結(jié)果

試驗方法采用液限和塑限聯(lián)合測定法，試驗儀器為光電式LP-100 型液、塑限聯(lián)合測定儀（100g 錐），樣品置于100C 的烘箱中烘干至恒重，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 鋼渣液塑限試驗結(jié)果

從表1 可知，鋼渣的液限為37.4%～39.4%，塑限為17.1%～18.0%，塑性指數(shù)為19.6～21.7，因此可以將鋼渣視為低液限黏土。

1.2.2 鋼渣自由膨脹率試驗結(jié)果

自由膨脹率能體現(xiàn)無結(jié)構(gòu)力影響下的膨脹特性，膨脹率一般與黏粒含量有關(guān)，黏粒含量越高，礦物親水性越強，自由膨脹率就越大，通過對粒徑小于0.5mm 的鋼渣樣品進行自由膨脹率試驗，試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 鋼渣自由膨脹率試驗結(jié)果

從表2 可知，鋼渣的自由膨脹率與普通的土材料自由膨脹率相近。

1.2.3 鋼渣擊實試驗結(jié)果

擊實試驗是通過儀器設(shè)備對試樣瞬間施加荷載，使試樣變緊密，在擊實的過程中，將原試樣內(nèi)的氣體排出，測量出試樣含水量與干密度之間的關(guān)系，通過繪制擊實曲線，確定最佳含水量和最大干密度，為路基施工壓實提供質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。本文為測定不同含水率的影響，共準(zhǔn)備五個試樣，每個試樣的含水率差2%，分別為9%、11%、13%、15% 及17%。經(jīng)過試驗得到鋼渣試樣最大干密度對應(yīng)的最佳含水量約10.45%。

1.2.4 鋼渣CBR 試驗結(jié)果

《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3610—2019)中規(guī)定，一級公路和高級公路的路基填料CBR 值不得小于3%，二級公路及以下等級公路路基填料CBR 值不得小于2%，試驗段鋼渣CBR 試驗結(jié)果見圖1。

圖1 鋼渣干密度與CBR 關(guān)系圖

從圖1 中知，隨著干密度的增加，鋼渣的CBR 值隨之增大，且均能滿足《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3610—2019)的要求。

2 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料力學(xué)性能研究

鋼渣不僅能直接作為路基的填注材料，還能在水泥碎石混合料中摻入一定比例的鋼渣代替碎石，形成水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料，這種材料在滿足路用性能的基礎(chǔ)上，減少了碎石的使用量，從而達到廢物利用、保護環(huán)境的目的。使用前需對其力學(xué)性能進行研究，為研究三種材料不同摻量對力學(xué)性能的影響，設(shè)置如下分組，如表3 所示。

表3 水泥穩(wěn)定碎石鋼渣混合料試驗分組

2.1 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

對上述試驗組進行無側(cè)限抗壓強度檢測，試驗結(jié)果如表4 所示。

表4 水泥穩(wěn)定碎石鋼渣混合料無側(cè)限抗壓強度結(jié)果

從表4 可知，在鋼渣摻量為60%時，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的無側(cè)限抗壓強度隨著水泥劑量的增大而增大，且隨時間的增加而增大；在相同的水泥劑摻量情況下（例如A1-2 與B1-2），鋼渣摻量為60%時的無側(cè)限抗壓強度比鋼渣摻量為80%時大，說明鋼渣的摻量存在一個最佳值，不宜過大。

2.2 劈裂強度試驗結(jié)果

對水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的劈裂強度進行檢測，檢測方法為制作150mm×150mm×150mm 的試件，浸入水中24h，用軟質(zhì)舊布吸去表面自由水，用游標(biāo)卡尺進行測量后，進行劈裂強度試驗。試驗結(jié)果如表5 所示。

表5 水泥穩(wěn)定碎石鋼渣混合料劈裂強度試驗結(jié)果

表5 中劈裂強度可根據(jù)以下公式進行計算：

式（1）中：表示試件破壞時的最大荷載（N）；表示浸水后試件的高度（mm）。

從表5 中可知，當(dāng)齡期與水泥劑量一定時，鋼渣摻量為60%試件的劈裂強度大于鋼渣摻量為80%試件，說明鋼渣摻量存在一個最佳值，不宜過大；當(dāng)鋼渣摻量一定時，試件的劈裂強度隨水泥劑量的增大而減大，是因為混合料內(nèi)部分化學(xué)反應(yīng)隨著時間的延長而不斷進行，因此水泥劑量大的試件能不斷進行強化；通過對比水泥碎石的性能指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水泥劑量為4%～5%時，其劈裂強度與水泥碎石相當(dāng)，所以在此水泥劑量下，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石可以代替水泥碎石。

2.3 抗壓回彈模量試驗結(jié)果

抗壓回彈模量是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要參數(shù)之一，其計算可以通過以下公式進行計算：

式（2）中：E表示抗壓回彈模量；表示單位壓力（MPa）；表示試件的高度（mm）；表示試件的回彈形變（mm）。

對水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料進行抗壓回彈模量試驗，試驗結(jié)果如表6 所示。

表6 抗壓回彈模量試驗結(jié)果

從表6 中可知，當(dāng)齡期和水泥劑量一定時，鋼渣摻量為60%的試件抗壓回彈模量大于鋼渣產(chǎn)量為80%的試件，說明鋼渣摻量存在一個最佳值，不宜過大；當(dāng)鋼渣摻量一定時，試件的抗壓回彈模量隨著水泥劑量的增大而增大；通過對比水泥碎石的性能指標(biāo)，當(dāng)水泥劑量的摻量為4%～5%時，其抗壓回彈模量與水泥碎石相當(dāng)，所以水泥穩(wěn)定鋼渣碎石可以代替水泥碎石。

3 社會、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益分析

從經(jīng)濟效益的角度出發(fā)，上述研究表明，當(dāng)鋼渣摻量為60%、碎石摻量為40%、水泥劑摻量為4%時，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的性能指標(biāo)達到峰值，將該材料與水泥穩(wěn)定碎石材料進行經(jīng)濟對比分析，按每公里造價進行對比計算，結(jié)果如表7 所示。

表7 經(jīng)濟對比分析

從表7 中可知，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石材料造價遠低于水泥穩(wěn)定碎石，在大幅度、長距離進行道路鋪設(shè)時可產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。

從環(huán)境效益的角度出發(fā)，將廢棄的鋼渣重新利用，不僅能解決廢渣污染環(huán)境的問題，還能減少道路建設(shè)中石材的開采，保護和節(jié)約了環(huán)境資源。

從社會效益的角度出發(fā)，減少采石量即減少石場建設(shè)的投入經(jīng)費，不僅能夠減輕交通負(fù)擔(dān)，也大大減少人力及物力的投入。

綜上所述，充分利用廢棄鋼渣參與公路建設(shè)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)變廢為寶，而且促進人與自然的和諧相處，保護動植物的生存環(huán)境，減少對自然環(huán)境的破壞。

4 結(jié)語

本文通過對將鋼渣用于路基填注的研究，發(fā)現(xiàn)其液限、塑限、CBR 及回彈模量試驗結(jié)果均能滿足規(guī)范要求。通過對水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料力學(xué)性能的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料中水泥漿摻量增加時，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度及回彈模量均逐漸增大，且隨著齡期的延長而增大；鋼渣摻量存在一個最佳值，可以采用級配合理的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石代替水泥穩(wěn)定碎石，作為公路基層鋪筑材料，鋼渣的使用在社會、環(huán)境及經(jīng)濟上均能夠取得可觀的效益。