水泥稳定钢渣碎石混合料研究

周 林

(广西壮族自治区恭城公路养护中心，广西 桂林 541000)

0 引言

钢渣是一种在钢铁工业冶炼过程中排出的冶炼废弃物。根据相关的研究表明[1-3]，该废弃物可以在道路工程中作为路基的填筑材料，用其代替水泥稳定混合料中的集料，不仅能合理地处理废弃钢渣，还能降低工程造价，对钢渣进行充分的再利用，减少环境污染。本文为进一步研究水泥稳定钢渣碎石混合料，基于实际的工程案例对其力学特性和抗裂性能的影响因素进行分析，以期为相关研究提供参考。

1 工程案例

本工程为某市的四级公路，所研究路段路线的起点为K0+220，终点为K+400，路线全长为180 m，道路的路基宽度为6.5 m，公路的设计等级为四级；所处地区的地势平均海拔为1.8 km，年平均气温为14.7 ℃。路面的结构层从下至上依次为150 mm厚的级配碎石底基层、250 mm厚的水泥稳定钢渣碎石基层、50 mm厚的AC-20沥青混凝土及40 mm厚的AC-16沥青混凝土。本文主要对250 mm厚的水泥稳定钢渣碎石混合料进行研究。

2 水泥稳定钢渣碎石混合料力学特性

2.1 无侧限抗压强度分析

设置两组不同配合比的混合料，在分别对其不同水泥剂量影响下的无侧限抗压强度进行试验，相应的配合比设计见表1和表2，具体的无侧限抗压强度试验结果见表3。

从表1和表2中可知，当水泥稳定混合料集料中钢渣与碎石的配合比分别为A(60%∶40%)和B(80%∶20%)，其级配能满足规范的要求。从表3中可知，对于同一种配合比下的水泥稳定混合料，随着水泥含量的增加，其在固定级配内的无侧限抗压强度随之提高；对比不同配合比的两组混合料，例如A-4与B-4两组，发现在相同的时间和相同的水泥剂量下，随着钢渣含量的增大，其对应的无侧限抗压强度相对较小。说明在混合料中钢渣的含量不宜过多。

表1 A组配合比表

表2 B组配合比表

表3 无侧限抗压强度试验结果表

2.2 劈裂强度分析

劈裂试验所采用的仪器较为简单，通过劈裂试验得到的劈裂抗拉强度是反映材料刚性的重要指标。当发现材料劈裂破坏时主要表现为混合料整体的错动性破坏，材料抵抗劈裂破坏的力主要来源于集料与基体材料间的粘结作用。本文按照《公路物价结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)[4]的要求，制作标准的150 mm×150 mm试件进行试验。具体的试验结果如表4所示。

表4 劈裂强度试验结果表

表4中劈裂抗拉强度的计算可以按式(1)进行：

(1)

式中：R——材料的劈裂抗拉强度( MPa)；

P——试件破坏时的最大荷载(N)；

H——浸水后试件的高度(mm)。

从表4可知，在相同的龄期和相同的水泥剂量下，掺入碎石含量为20%的试件比掺入碎石含量为40%的试件劈裂强度要小；相同的配合比下，随着水泥剂量的增大，混合料的劈裂抗拉强度随之增大。通过研究发现当水泥的剂量为4%以上时，其混合料的劈裂抗拉强度与水泥碎石混合料相当，因此水泥稳定钢渣碎石可以代替水泥碎石作为填筑材料使用，但钢渣的含量不宜过多。

2.3 抗压回弹模量分析

在公路工程中回弹模量是路面结构设计的重要参数之一[5]，本文采用顶面法进行混合料的抗压回弹模量试验，结果如表5所示。

表5 抗压回弹模量试验结果表

抗压回弹模量的计算可以根据式(2)进行：

(2)

式中：Ec——抗压回弹模量(MPa)；

P——单位压力(MPa)；

H——试件的高度(mm)；

L——试件的回弹变形(mm)。

从表5可知，在相同的龄期和相同的水泥剂量下，掺入碎石含量为20%的试件比掺入碎石含量为40%的试件回弹模量要小；相同的配合比下，随着水泥剂量的增大，混合料的抗压回弹模量随之增大。

3 水泥稳定钢渣碎石混合料抗裂性影响因素分析

水泥稳定碎石类填筑材料经过压实后，由于内部发生水化作用，使得混合料的水分不断减小，从而发生材料收缩变形，由此容易产生裂缝，裂缝的产生将会影响路面的使用性能及使用寿命。本文通过设置不同的参数变化，进一步对含水量和水泥剂量对水泥稳定碎石混合料干缩变形的影响进行研究。

3.1 含水量对水泥稳定钢渣碎石混合料抗裂性的影响分析

本文在配合比为A组情况下将水泥剂量控制在5%，分别设置三组不同的含水量试件进行试验，分别为A-A组含水量为最佳含水量，A-B组含水量为最佳含水量-1%，A-C组含水量为最佳含水量+1%，对三组试件进行35 d的干缩试验，将干缩应变与时间的关系绘制成曲线，具体的结果如图1所示。

从图1中可以看出，干缩应变随时间的推移先增加后减小，最后趋于平缓，含水量与干缩应变的关系大致上呈正相关。

图1 不同含水量的混合料干缩应变随时间的变化曲线图

3.2 水泥含量对水泥稳定钢渣碎石混合料抗裂性的影响分析

本文在配合比为A组影响下将含水量控制在最佳含水量，分别设置水泥剂量为4%、5%、和6%制备三组试件，对三组试件进行39 d的干缩试验，将干缩应变与时间的关系绘制成曲线，具体的结果如后页图2所示。

图2 不同水泥剂量的干缩应变随时间的变化曲线图

从图2中可以看出，干缩应变随时间的推移，出现先增加后减小，最后趋于平缓的情况，水泥剂量的含量越大，混合料的干缩应变越大，说明水泥稳定钢渣碎石的抗裂能力随水泥剂量含量的增加而减弱。主要是因为随着水泥剂量含量的增多使得水泥与集料发生生成物增多，凝胶孔和毛细孔也随之增多，扩大了表面的张力、分子间力和层间水的作用范围，从而使得材料的干缩变大，抗裂能力变弱。

4 结语

本文对水泥稳定钢渣碎石混合料的力学特性及其抗裂性能的影响因素进行研究，结果表明：水泥稳定钢渣碎石的基本力学特性与常规材料的基本力学特性相近，其强度和模量会随龄期的增加而增长，可以将其作为路基的填筑材料；水泥稳定钢渣碎石的抗裂性能随混合料含水率的增大而减小，随混合料中水泥剂量含量的增加而减小。本文仅对水泥稳定钢渣碎石混合料的部分内容进行研究，相关研究有待进一步推进。