公路工程中钢渣应用研究

吴松芸

（上饶市交通运输综合服务中心，江西上饶 334000）

0 引言

随着我国经济快速发展，钢铁材料产业随之得到飞跃的发展，同时伴随的固体钢渣废弃物也逐渐增多，不仅占用耕地，也污染了环境，为解决钢渣废弃问题，许多研究学者提出将钢渣运用于公路工程中，作为路基的填料或将其与水泥碎石材料结合形成水泥稳定钢渣碎石混合料，并对此方案进行了大量的研究。

本文为研究钢渣在公路工程中应用的可能性，在现有的研究基础上，重点关注将陈化钢渣作为路基填料的适用性及稳定性，并对水泥稳定钢渣碎石混合料的力学性能进行研究。

1 钢渣作为路基填料的研究

1.1 钢渣的路基填注原理

钢渣可以作为路基材料进行路基填注，主要是因为钢渣中的CaO 能与水发生化学反应，生产Ca(OH)，经过碾压养护后形成变形模量远大于原地基土的水化物，大幅度提高路基强度。由于钢渣的多孔性，使其具有较好的渗水性，当在承受荷载后，板结的钢渣具有较好的应力扩散作用，能够减小覆土的附加应力。

1.2 钢渣的路基填注检测

钢渣能否作为路基填注材料，需对其进行检测，一般的检测项目包括液限、塑限、自由膨胀率、CBR 试验、浸水膨胀试验及击实试验。以下案例为某工程试验段的具体研究介绍：该工程位于某市，道路填注高度为9m，路基宽度为26m，试验段原设计中大部分填注材料为红褐色黏土、亚黏土和亚砂土，更改设计为采用填注材料为堆放约2年的钢渣，填注时采用分层填注，分层碾压的方法进行，对摊铺机及压实层的厚度进行严格控制，通过试验测定钢渣的松铺系数为1.2，最大松铺厚度为30cm，对填注完成的钢渣路基弯沉值进行检测，平均弯沉值为90cm。

1.2.1 钢渣塑液限试验结果

试验方法采用液限和塑限联合测定法，试验仪器为光电式LP-100 型液、塑限联合测定仪（100g 锥），样品置于100C 的烘箱中烘干至恒重，试验结果如表1所示。

表1 钢渣液塑限试验结果

从表1 可知，钢渣的液限为37.4%～39.4%，塑限为17.1%～18.0%，塑性指数为19.6～21.7，因此可以将钢渣视为低液限黏土。

1.2.2 钢渣自由膨胀率试验结果

自由膨胀率能体现无结构力影响下的膨胀特性，膨胀率一般与黏粒含量有关，黏粒含量越高，矿物亲水性越强，自由膨胀率就越大，通过对粒径小于0.5mm 的钢渣样品进行自由膨胀率试验，试验结果如表2 所示。

表2 钢渣自由膨胀率试验结果

从表2 可知，钢渣的自由膨胀率与普通的土材料自由膨胀率相近。

1.2.3 钢渣击实试验结果

击实试验是通过仪器设备对试样瞬间施加荷载，使试样变紧密，在击实的过程中，将原试样内的气体排出，测量出试样含水量与干密度之间的关系，通过绘制击实曲线，确定最佳含水量和最大干密度，为路基施工压实提供质量标准。本文为测定不同含水率的影响，共准备五个试样，每个试样的含水率差2%，分别为9%、11%、13%、15% 及17%。经过试验得到钢渣试样最大干密度对应的最佳含水量约10.45%。

1.2.4 钢渣CBR 试验结果

《公路路基施工技术规范》(JTG/T 3610—2019)中规定，一级公路和高级公路的路基填料CBR 值不得小于3%，二级公路及以下等级公路路基填料CBR 值不得小于2%，试验段钢渣CBR 试验结果见图1。

图1 钢渣干密度与CBR 关系图

从图1 中知，随着干密度的增加，钢渣的CBR 值随之增大，且均能满足《公路路基施工技术规范》(JTG/T 3610—2019)的要求。

2 水泥稳定钢渣碎石混合料力学性能研究

钢渣不仅能直接作为路基的填注材料，还能在水泥碎石混合料中掺入一定比例的钢渣代替碎石，形成水泥稳定钢渣碎石混合料，这种材料在满足路用性能的基础上，减少了碎石的使用量，从而达到废物利用、保护环境的目的。使用前需对其力学性能进行研究，为研究三种材料不同掺量对力学性能的影响，设置如下分组，如表3 所示。

表3 水泥稳定碎石钢渣混合料试验分组

2.1 无侧限抗压强度试验结果

对上述试验组进行无侧限抗压强度检测，试验结果如表4 所示。

表4 水泥稳定碎石钢渣混合料无侧限抗压强度结果

从表4 可知，在钢渣掺量为60%时，水泥稳定钢渣碎石混合料的无侧限抗压强度随着水泥剂量的增大而增大，且随时间的增加而增大；在相同的水泥剂掺量情况下（例如A1-2 与B1-2），钢渣掺量为60%时的无侧限抗压强度比钢渣掺量为80%时大，说明钢渣的掺量存在一个最佳值，不宜过大。

2.2 劈裂强度试验结果

对水泥稳定钢渣碎石混合料的劈裂强度进行检测，检测方法为制作150mm×150mm×150mm 的试件，浸入水中24h，用软质旧布吸去表面自由水，用游标卡尺进行测量后，进行劈裂强度试验。试验结果如表5 所示。

表5 水泥稳定碎石钢渣混合料劈裂强度试验结果

表5 中劈裂强度可根据以下公式进行计算：

式（1）中：表示试件破坏时的最大荷载（N）；表示浸水后试件的高度（mm）。

从表5 中可知，当龄期与水泥剂量一定时，钢渣掺量为60%试件的劈裂强度大于钢渣掺量为80%试件，说明钢渣掺量存在一个最佳值，不宜过大；当钢渣掺量一定时，试件的劈裂强度随水泥剂量的增大而减大，是因为混合料内部分化学反应随着时间的延长而不断进行，因此水泥剂量大的试件能不断进行强化；通过对比水泥碎石的性能指标，发现当水泥剂量为4%～5%时，其劈裂强度与水泥碎石相当，所以在此水泥剂量下，水泥稳定钢渣碎石可以代替水泥碎石。

2.3 抗压回弹模量试验结果

抗压回弹模量是路面结构设计的主要参数之一，其计算可以通过以下公式进行计算：

式（2）中：E表示抗压回弹模量；表示单位压力（MPa）；表示试件的高度（mm）；表示试件的回弹形变（mm）。

对水泥稳定钢渣碎石混合料进行抗压回弹模量试验，试验结果如表6 所示。

表6 抗压回弹模量试验结果

从表6 中可知，当龄期和水泥剂量一定时，钢渣掺量为60%的试件抗压回弹模量大于钢渣产量为80%的试件，说明钢渣掺量存在一个最佳值，不宜过大；当钢渣掺量一定时，试件的抗压回弹模量随着水泥剂量的增大而增大；通过对比水泥碎石的性能指标，当水泥剂量的掺量为4%～5%时，其抗压回弹模量与水泥碎石相当，所以水泥稳定钢渣碎石可以代替水泥碎石。

3 社会、经济效益和环境效益分析

从经济效益的角度出发，上述研究表明，当钢渣掺量为60%、碎石掺量为40%、水泥剂掺量为4%时，水泥稳定钢渣碎石混合料的性能指标达到峰值，将该材料与水泥稳定碎石材料进行经济对比分析，按每公里造价进行对比计算，结果如表7 所示。

表7 经济对比分析

从表7 中可知，水泥稳定钢渣碎石材料造价远低于水泥稳定碎石，在大幅度、长距离进行道路铺设时可产生可观的经济效益。

从环境效益的角度出发，将废弃的钢渣重新利用，不仅能解决废渣污染环境的问题，还能减少道路建设中石材的开采，保护和节约了环境资源。

从社会效益的角度出发，减少采石量即减少石场建设的投入经费，不仅能够减轻交通负担，也大大减少人力及物力的投入。

综上所述，充分利用废弃钢渣参与公路建设，不仅能够实现变废为宝，而且促进人与自然的和谐相处，保护动植物的生存环境，减少对自然环境的破坏。

4 结语

本文通过对将钢渣用于路基填注的研究，发现其液限、塑限、CBR 及回弹模量试验结果均能满足规范要求。通过对水泥稳定钢渣碎石混合料力学性能的研究，发现当水泥稳定钢渣碎石混合料中水泥浆掺量增加时，水泥稳定钢渣碎石混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度及回弹模量均逐渐增大，且随着龄期的延长而增大；钢渣掺量存在一个最佳值，可以采用级配合理的水泥稳定钢渣碎石代替水泥稳定碎石，作为公路基层铺筑材料，钢渣的使用在社会、环境及经济上均能够取得可观的效益。