水泥粉煤灰穩定鋼渣碎石基層水穩定性研究

徐東輝，閆升

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏交通建設股份有限公司，寧夏 銀川 750004；3.寧夏道路養護工程技術研究中心，寧夏 銀川 750004）

0 引言

鋼渣是煉鋼過程中產生的固體廢棄物，具有優良的物理力學性能和潛在的水硬性，可以代替部分碎石用于道路基層中，能夠使基層的強度和變形能力得到提高。在季凍性地區，道路基層受到凍融循環的作用，容易形成低溫裂縫，促進水分的流入，從而破壞路面的整體穩定性。

既有研究普遍認為凍融循環將造成混凝土內部發生變化。李金玉等[1]指出，在凍融循環作用下，混凝土會逐漸被剝蝕破壞；商懷帥等[2]基于疲勞累積損傷理論，對混凝土的凍融損傷特性進行了可靠性分析；李家正等[3]研究了凍融循環過程中混凝土性能的劣化特征和混凝土抗折強度、劈裂抗拉強度的變化；趙玉國[4]研究發現，隨著半剛性基層材料凍融循環作用次數的增加，其吸水率呈增大的趨勢，說明在凍融循環過程中基層材料內部孔隙逐步增加；張春青[5]認為，在凍融循環作用下，增加水泥用量和提高壓實度可以增強基層材料的抗沖刷性能。

目前國內外學者對于半剛性基層的水穩定性研究成果較為豐富，提出了凍融循環的破壞理論，對于基層混合料的水穩定性研究主要集中在抗沖刷性能方面。本文基于無機結合料的凍融破壞理論，結合基層的抗沖刷性能，對水泥粉煤灰穩定鋼渣碎石基層的水穩定性進行研究，首先對基層試件進行凍融循環試驗，然后將試件浸泡不同時間，測量不同浸泡時間下試件的無側限抗壓強度的變化情況。

1 原材料性能

1.1 鋼渣

試驗所用鋼渣取自寧夏某鋼鐵公司，鋼渣顆粒較為松散，邊角較為圓鈍，顆粒表面布滿了大大小小的孔隙，數量較多，導致鋼渣的吸水率較大，較多的孔隙又能使其與其他集料更緊密地結合，有利于提高混合料的強度。鋼渣的化學成分如表1所示。

表1 鋼渣的化學成分

從表1可以看出，鋼渣的化學成分主要有CaO,Fe2O3,SiO2,MnO,MgO,Al2O3,P2O5,TiO2等。試驗所用鋼渣為熱悶法處理的陳化鋼渣。表2所示為鋼渣的集料性質。

表2 鋼渣的集料性質

由表2可知，鋼渣的集料性質滿足規范要求，同時陳化鋼渣粒徑分布相對均勻，級配較好，能夠代替部分碎石應用于道路基層中。

1.2 粉煤灰

試驗所用粉煤灰取自寧夏某電廠，其化學成分如表3所示。

表3 粉煤灰的化學成分

從表3可知，粉煤灰中SiO2含量占一半左右，可以作為硅質改性劑，抑制鋼渣的體積膨脹。試驗所用粉煤灰分為一級灰和原灰，主要以0.045mm篩余量來區分，一級灰的篩余量為9.08%，原灰為56.99%，符合規范對于粉煤灰篩余量的要求。一級灰活性較原灰更大，因為粉煤灰顆粒較細時其活性相對較大，同時粉煤灰和鋼渣的火山灰效應和微集料效應更為明顯。粉煤灰的技術指標如表4所示。

表4 粉煤灰的技術指標

表4 （續）

由表4可知，一級灰的細度符合技術要求。粉煤灰越細，其自身含有的活性物質越多，有助于提高基層混合料的強度。原灰0.045mm篩余量大于45%，說明原灰的顆粒更大，不利于提高基層混合料的強度。

1.3 水泥

本試驗所用水泥均為賽馬牌P·F 32.5粉煤灰水泥，密度為3.15g/cm3，技術指標如表5所示。

表5 水泥的技術指標

由表5可知，水泥的各項技術指標均符合規范要求，可以進行室內試驗。

1.4 碎石

試驗所用碎石來自某礦業公司，碎石顆粒尺寸分為3檔，分別為：5～10mm,10～20mm,20～30mm。各檔碎石均由石灰巖破碎篩分得到，篩分結果如表6所示?？梢钥闯?，篩分結果滿足規范要求。

表6 碎石篩分試驗結果

碎石性能檢測結果如表7所示。

表7 碎石的性能指標

由表7可知，碎石所有指標均滿足《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20—2015）要求，可以進行室內試驗。

2 試驗結果

采用多功能路面材料強度試驗機測定無側限抗壓強度，測試時將試件放置在試驗機底座上，保持1mm/min的加載速度對試件進行加壓，記錄試件被壓壞時的最大壓力P。

試件的無側限抗壓強度按式（1）計算：

式（1）中：Rc為無側限抗壓強度（MPa）；P為試件破壞時的最大壓力（N）；A為試件的截面積（mm2）。

試驗采用大試件，可以出現2～3個異常值，同一組試件的變異系數Cv≤15%。不能滿足要求的，則增加試件數量，重新計算變異系數，直至滿足要求。

最終的試驗結果以試件的抗壓強度代表值為準，即滿足95%保證率的值?？箟簭姸却碇蛋词剑?）計算：

式（2）中：Rr為抗壓強度代表值（MPa）；為抗壓強度平均值（MPa）；S為抗壓強度標準差（MPa）。

2.1 抗凍性

抗凍性已成為檢驗耐久性的重要指標。凍融循環是凍脹力作用下孔隙擴展、貫通引起基層混合料內部損傷，并造成試件質量損失的過程。經過凍融循環作用，試件的無側限抗壓強度會有一定的損失，通過表征這種損失來說明凍融循環作用對于摻入鋼渣和粉煤灰的基層混合料試件無側限抗壓強度的影響。

本文采用規定養護齡期為28d的基層混合料試件，以經過5次凍融循環后的飽水無側限抗壓強度與凍融循環前飽水無側限抗壓強度之比來評價水泥粉煤灰穩定鋼渣碎石基層混合料的抗凍性能，并以凍融組試件的無側限抗壓強度和對照組無側限抗壓強度的比值作為凍融系數。

根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009），對試件進行抗凍性評價。將試件在標準養護條件下養護28d，最后一天浸水，在-18℃的冷凍箱中放置16h，然后放入20℃的水中浸泡8h，循環5次后測量試件的抗壓強度。

經過凍融循環的試件與對照組試件的無側限抗壓強度測試結果如表8和圖1所示。

表8 試件的無側限抗壓強度測試結果（凍融循環作用下）

圖1 凍融循環

由表8和圖1可知，經過5次凍融循環的試件無側限抗壓強度比對照組的強度下降10%左右。水泥粉煤灰穩定鋼渣碎石基層的凍融系數均大于0.9，滿足規范所要求的試件抗凍系數大于0.75，說明其抗凍性能較好。

2.2 水穩定性

水穩定性是指基層混合料抵抗水損傷的能力。水穩定性不足會造成基層混合料的剝落、強度降低，并影響路面結構穩定性，縮短路面的使用壽命。本文采用不同浸水時間的試件無側限抗壓強度來表征基層混合料的水穩定性。參照無側限抗壓強度測試方法，先將試件按標準養護方式養護7d，然后浸水不同的時間（分別為3d,7d,14d和28d），測量試件的無側限抗壓強度，試驗結果如表9、圖2所示。

圖2 浸水時間對強度的影響

表9 （續）

表9 不同浸水時間下混合料的無側限抗壓強度

從圖2可以看出，基層混合料的無側限抗壓強度隨著浸水時間的增加呈現先增大后減小的趨勢。隨著浸水時間的增加，基層混合料中的活性物質不斷發生水化反應，使試件的無側限抗壓強度不斷增大，同時試件周圍大量的水會降低試件的無側限抗壓強度，水化反應和水對試件的破壞作用會達到一個平衡，此時試件的強度達到最大。當浸水時間達到7d時，摻入原灰的試件強度達到最大，而摻入一級灰的試件達到最大強度時的浸水時間更長，為14d，說明水對摻入原灰的基層混合料的強度影響更大。

3 結論

（1）經過凍融循環試驗發現，水泥粉煤灰穩定鋼渣碎石基層經過5次凍融循環的無側限抗壓強度比正常情況下下降10%左右，即抗凍系數均在0.9以上，滿足規范所要求的大于0.75，摻入原灰的基層混合料的抗凍系數較摻入一級灰的更大，說明摻入原灰的水泥粉煤灰穩定鋼渣碎石基層混合料的抗凍性更好。

（2）水泥粉煤灰穩定鋼渣碎石基層混合料的無側限抗壓強度隨浸水時間的增加呈先增大后減小的趨勢。隨著浸水時間的增加，試件中的水泥不斷發生水化，粉煤灰與鋼渣之間的火山灰效應不斷增強，同時水對試件結構的破壞作用也在不斷增強，前期的水化作用較為強烈，隨著活性物質的減少，水化作用減弱，水對試件的破壞作用占主導，此時試件強度開始降低。浸水破壞對摻入原灰的基層混合料影響較大。