掺钢渣水泥稳定碎石在道路基层中的应用_余亮.pdf

2023 年第 1 期(总第 347 期)黑龙江交通科技HEILONGJIANG JIAOTONG KEJINo1，2023(Sum No347)掺钢渣水泥稳定碎石在道路基层中的应用余亮1，张家强2，成军3(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)摘要:为了提高废弃钢渣的利用率，减少其对环境的污染，考虑在道路水泥稳定碎石基层中用钢渣替换部分碎石。拟定粗、中两种级配，3 5%、4%、4 5%，三种水泥掺量和 30%、50%、70%，三种钢渣替换量，通过正交试验设计 9 个试验组进行无侧限抗压强度试验，研究不同因素对掺钢渣水泥稳定混合料强度影响。通过浸水膨胀率试验，研究硅灰对掺钢渣混合料膨胀的抑制作用。结果表明:水泥掺量对掺钢渣混合料强度影响最显著，其次是钢渣的替换量，级配类型对混合料强度的影响最小，强度随水泥掺量和钢渣替换量增多而变大;硅灰可以有效抑制钢渣混合料体积膨胀。采用粗级配、水泥掺量 4%、钢渣替换量为 50%，硅灰掺量为 3%的掺钢渣水泥稳定碎石混合料具有较高的强度，体积膨胀性良好，可应用于各等级道路基层。关键词:道路工程;废弃钢渣;基层;强度;膨胀性中图分类号:U416 1文献标识码:A文章编号:1008 3383(2023)01 0006 04Application of Cement Treated Aggregate Mixed with Steel Slag in Base CourseYU Liang1，ZHANG Jia-qiang2，CHENG Jun3(1 Nanjing Highway Development Center，Nanjing，Jiangsu 210000，China;2 Southeast University，Nanjing，Jiangsu 210096，China;3 China Design Group Co，Ltd，Nanjing，Jiangsu 210000，China)Abstract:In order to improve the utilization rate of waste steel slag and reduce its pollution to the environment，it is considered to re-place part of the aggregate with steel slag in cement treated aggregate base course Two different gradations of coarse and mediumgrades，3 kinds of cement content of 3 5%，4%，4 5%and 3 kinds of steel slag replacement amount of 30%，50%，70%are deter-mined，and 9 test groups were designed through orthogonal experiments for 7 day unconfined compressive strength test to study the in-fluence of different factors on the strength of steel slag cement treated aggregate mixture The inhibition effect of silica fume on the ex-pansion of steel slag mixture was studied by immersion expansion rate test The results show that the cement content has the most sig-nificant impact on the strength of the steel slag mixture，followed by the replacement amount of the steel slag，and the gradation type hasthe least impact on the strength of the mixture;Silica fume can effectively inhibit the volume expansion of the steel slag mixture Thesteel slag cement treated aggregate mixture with coarse gradation，cement content of 4%，steel slag replacement amount of 50%and sil-ica fume content of 3%has high strength and good volume expansion，which can be applied to various grades of base courseKeywords:road engineering;waste steel slag;base course;strength;expansibility收稿日期:2022 08 17作者简介:余亮(1976)，男，山西应县人，硕士，高级工程师，研究方向:公路工程建设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 CB 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6DOI:10.16402/ki.issn1008-3383.2023.01.009第 1 期余亮，张家强，成军:掺钢渣水泥稳定碎石在道路基层中的应用总第 347 期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 PO 42 5 普通硅酸盐水泥，物理性能见表 2。表 1集料物理性能指标密度/(gcm3)0 475 mm475 16 mm16 265 mm压碎值/%针片状颗粒含量/%吸水率/%检测结果碎石2 7172713272126 6170 36钢渣3 3723479347223 501 33表 2PO 42 5 水泥物理性能指标安定性初凝/min终凝/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa3 d28 d3 d28 d检测结果合格175235558027549 0(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拟定级配筛孔尺寸/mm265199 5475236060 075规范中值/%100845754026 511525规范下限/%1008253352282JP M/%100845840265113JP C/%100825353522825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7总第 347 期黑龙江交通科技第 1 期图 1级配曲线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正交试验设计结果试验组水泥掺量/%钢渣掺量/%级配类型/%13530JP C23550JP M33570JP C4430JP M5450JP C6470JP C74530JP C84550JP C94570JP M1 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 E512009)12 采用丙类型进行室内重型击实试验，试桶尺寸为 152 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100 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 241752009)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试验组最佳含水量试验组水