掺钢渣水泥稳定碎石在道路基层中的应用

余 亮，张家强，成 军

(1.南京市公路事业发展中心，江苏 南京 210000；2.东南大学，江苏 南京 210096；3.华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210000)

钢渣是钢铁生产中的主要副产品，其产量约为钢铁产量的8%～15%。而我国基础设施建设力度大，每年的钢铁产量也很大，据统计2020年我国钢产量超过13亿t，因此，随之产生的大量钢渣需要妥善处理，但钢渣在我国的使用率仅为29.5%，而日本的利用率高达98.4%，美国的利用率也达到87%[1]。由于钢渣有很好的抗压强度、粗糙度和耐久性等特性，钢渣可被应用于道路工程领域，通常在混合料中以30%～70%的钢渣取代天然集料[2]。吴少鹏等人[3]研发生产的钢渣沥青混合料成功应用在武英高速、汉鄂高速、汉宜高速等部分道路上。李新明[4]对钢渣稳定土和钢渣石灰稳定土的路用性能进行试验研究，结果表明用钢渣替换40%土组成的钢渣稳定土的CBR值显著高于相应的石灰土和水泥土。张东海[5]通过对钢渣水泥粉煤灰稳定碎石基层抗压强度和劈裂强度的研究，发现其早期强度高于不掺钢渣的普通混合料，并且各龄期的抗压回弹模量均高于普通混合料。Mymrin等人[6]将粉煤灰和磷石膏与钢渣的混合料用于道路基层，在对混合料的性能进行研究时，发现其长期抗剪强度和水稳定性指数远高于水泥稳定碎石。Li等人[7]研究了水泥稳定钢渣的干缩和温缩性能，结果表明中等级配的水泥稳定钢渣的干缩应变最大，因此中等级配的水泥稳定钢渣不适用于基层，水泥稳定钢渣基层相比于水泥稳定碎石基层可以明显减少干缩、温缩变形。可以看出，钢渣可以广泛应用在道路工程中并有比普通碎石更优异的性能。但将钢渣应用于道路中还要解决好钢渣存在的体积膨胀性问题，钢渣中含有游离态的氧化钙和氧化镁(f-CaO，f-MgO)等物质，其与水反应会产生膨胀，这两种物质会使钢渣的膨胀率分别达到98%、148%，从而危害道路的稳定性[8]。冯群英[9]通过实验研究发现，钢渣体积膨胀主要是由f-CaO的水和反应引起的，在初始阶段1～5 d膨胀较快，第10 d膨胀量趋于最大值并稳定。朱光源[10]研究发现，掺加硅灰、粉煤灰等矿质材料可以抑制钢渣膨胀，并且矿物材料的掺量比种类对钢渣膨胀的影响更大，并且掺入矿物材料可以提高混合料的抗压强度值。

综上，本文用钢渣替换部分碎石用作道路基层材料，并研究不同因素对混合料强度的影响，以及硅灰对掺钢渣水泥稳定碎石混合料膨胀性的抑制效果，以期为钢渣在道路基层中的应用提供一些参考。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

(1)集料

试验为研究将钢渣用作道路基层的性能，优选含钢渣水泥稳定材料的最佳组成设计。原料采用沙钢钢厂的钢渣与石灰岩集料，两种集料物理性能见表1。

(2)水泥

试验采用国标P·O 42.5普通硅酸盐水泥，物理性能见表2。

表1 集料物理性能

表2 P·O 42.5水泥物理性能

(3)硅灰

试验采用白色硅灰，SiO2含量≥94%，pH值中性。

1.2 试验方案

水泥稳定碎石混合料的级配设计有悬浮密实、骨架密实和骨架孔隙三种结构[11]。其中骨架结构是按嵌挤原则充分利用粗集料的嵌挤作用来形成结构强度，并且骨架孔隙结构其内部的孔隙率较大，为钢渣体积膨胀提供空间。故本试验采用骨架级配类型，拟定2种不同级配，中级配(JP-M)和粗级配(JP-C)，级配见表3，级配曲线见图1。

表3 拟定级配

图1 级配曲线

水泥在混合料中起粘结作用，水泥含量少会导致混合料的强度不足，含量太大会导致混合料硬化后干缩变形过大，从而使基层开裂进而影响面层。试验拟定3.5%、4%、4.5%三种水泥掺量。

考虑钢渣存在体积安定性问题，试验拟定30%、50%、70%三种钢渣替换量。并且，钢渣的密度比碎石大，试验以体积作为钢渣替换碎石的指标。

采用正交试验设计方法设计试验。选用L9(34)正交表，针对级配类型因素只有两个水平的情况，用拟水平法将级配类型因素的水平3拟定为粗级配，即级配类型因素中的粗级配水平是中级配水平的2倍，可以满足正交设计法的基本要求。另外，设计中不考虑因素间的交互作用。试验组设计见表4。

采用7 d无侧限抗压强度评价3种因素对掺钢渣水稳碎石基层强度影响。为研究硅灰对掺钢渣水稳碎石混合料体积膨胀的抑制效果，选择试验组5作为对照组，并分别掺加3%、6%、9%的硅灰，采用浸水膨胀率试验研究掺钢渣水泥稳定碎石混合料的体积膨胀性。

表4 正交试验设计结果

1.3 试验方法

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[12]采用丙类型进行室内重型击实试验，试桶尺寸为Φ152 mm×120 mm的圆柱体，分3层每层锤击98次。

无侧限抗压强度试验按规程利用静压法成型Φ100 mm×100 mm的圆柱体试件，在标准养护室中养护7 d后测试，养护温度(20±2)℃，养护湿度(60±5)%。

钢渣混合料浸水膨胀率试验原理为在90 ℃水浴养护条件下，钢渣中含有的游离态氧化钙和氧化镁经过一段时间后消解而使钢渣膨胀。按照《钢渣稳定性试验方法》(GB/T 24175—2009)[13]进行试验，利用击实法成型试件，后将试件放入90 ℃恒温水浴箱，持续加热6 h后自然冷却，连续观察10 d，记录百分表读数，计算混合料膨胀率。

2 结果与分析

2.1 击实试验

按照规程[12]对不同水泥掺量、钢渣掺量和级配类型的9个试验组进行击实试验，结果见表5。

表5 试验组最佳含水量

由试验结果可以得到：

(1)掺钢渣水泥稳定碎石混合料的最佳含水量和最大干密度与钢渣掺量成正相关性。原因是钢渣的表观相对密度大于碎石，当钢渣替换碎石量增大时，相同体积下质量更大，因此其最大干密度也更大。另外，钢渣表面呈多孔结构使得其比表面积大于碎石，从而吸水饱和所需的水量也就更大。

(2)掺钢渣水泥稳定碎石混合料的最佳含水量和最大干密度与水泥掺量成正相关性。原因是水泥在混合料中起胶凝作用，其掺量越多，水化反应时需水量就越多，从而混合料最佳含水量越大。另外，水泥水化反应生成的胶凝作用会使集料间粘结更紧密，使得混合料最大干密度增大。

2.2 无侧限抗压强度试验

对9个试验组进行7 d无侧限抗压强度试验，得到掺钢渣水泥稳定碎石混合料试件的抗压强度值见表6。

表6 混合料7 d无侧限抗压强度值

利用正交设计助手对试验结果进行分析，首先进行直观分析计算水泥掺量、钢渣替换量和级配类型三种因素的均值与极差，计算结果见表7。

表7 直观分析

正交试验的均值代表某一因素的不同水平影响试验结果显著性的差别，极差代表不同因素影响试验结果显著性的差别。从表7中可以得到：对钢渣水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度影响最为显著的因素是水泥掺量，其次是钢渣的替换量，级配类型对混合料强度的影响最小。

利用效应曲线图可以更直观的观察混合料强度与不同因素中各水平间的影响关系，效应曲线图见图2。

图2 效应曲线图

从效应曲线图中可以得到。

(1)掺钢渣水泥稳定碎石混合料的7 d无侧限抗压强度随着水泥掺量的增多逐渐增大，原因是水泥水化作用随着水泥掺量的增加可以使得混合料内部的胶结作用与固化效果更强，抗压强度也增强。

(2)掺钢渣水泥稳定碎石混合料的7 d无侧限抗压强度随着钢渣掺量的增多逐渐增大，并且钢渣替换量从30%增加到50%时强度增长明显，钢渣替换量从50%增加到70%时强度增长缓慢。

(3)粗级配钢渣水泥稳定碎石混合料的强度相比于中级配更大，说明粗粒径的集料对混合料强度的影响最显著。

Li等人[7]的研究表明随着水泥掺量的增加，混合料的干缩变形也随之增大。考虑过高的水泥掺量会使基层产生更多的干缩裂缝，并综合上述结论，建议掺钢渣水泥稳定碎石混合料的组成设计为粗级配、水泥掺量4%、钢渣替换量50%。

2.3 浸水膨胀率试验

基本试验组选用粗级配(即JP-C)、水泥掺量4%、钢渣替换量50%。按照《钢渣稳定性试验方法》(GB/T 24175—2009)[13]中的要求，对钢渣水泥稳定碎石试件连续观测10 d，试件的体积膨胀率见图3。

图3 累计膨胀量与水浴天数关系

试验结果表明。

(1)掺钢渣水泥稳定碎石混合料的体积膨胀量随着试验天数的增加而增大。未掺硅灰的混合料膨胀量在10 d内均有增长，硅灰掺量为3%、6%的混合料膨胀量在第6 d时就趋于稳定。说明在混合料中掺入硅灰可以促进钢渣中游离氧化钙的反应。硅灰掺量为9%时，混合料的膨胀量随水浴试验时间不断增大，原因为硅灰掺量过多改变了混合料原有级配，导致体积膨胀增大。

(2)除去硅灰掺量9%的试验组，随着硅灰掺量的增多，混合料的体积膨胀率有明显降低，说明硅灰的掺入可以有效抑制钢渣的体积膨胀。

(3)综合上述因素，硅灰掺量的推荐值为3%，既可抑制钢渣体积膨胀，又不致硅灰掺量过多改变原有级配。

3 结 语

用钢渣替换部分碎石应用于水泥稳定基层中，既可有效的处理废弃钢渣，又可以在一定程度提高道路基层的服务水平。选用2种级配类型、3种水泥掺量和3种钢渣替换量，通过正交试验以混合料7 d无侧限抗压强度为评价指标，研究不同因素对掺钢渣水泥稳定基层强度的影响。通过浸水膨胀率试验研究掺硅灰对混合料膨胀性的影响。得出以下结论。

(1)掺钢渣水泥稳定碎石混合料的最佳含水量和最大干密度均与钢渣替换量和水泥掺量成正相关性。

(2)掺钢渣水泥稳定碎石混合料的7 d无侧限抗压强度在钢渣替换量从30%增加到50%时增长明显，从50%增加到70%时增长缓慢；采用粗级配的混合料抗压强度更大。推荐掺钢渣水泥稳定碎石混合料的最佳组成设计为粗级配、水泥掺量4%、钢渣替换量为50%，试验7 d无侧限抗压强度为4.03 MPa，满足规范要求。

(3)硅灰可以促进钢渣中游离氧化钙的反应并有效抑制钢渣体积膨胀，混合料的膨胀率在一定范围内随硅灰掺量的增加而降低，推荐硅灰最佳掺量为3%。