水泥穩定鋼渣—礫石混合料的路用性能研究

李永偉,劉尊青,俞海明

(1. 新疆農業大學交通與物流工程學院 烏魯木齊市 830052;2.奇臺縣交通運輸局 昌吉回族自治州 831800;3. 新疆中合大正冶金科技有限公司 烏魯木齊市 830022)

0 引言

2022年末,新疆高速(一級)公路總里程突破10000km,成為新疆快速發展的基石。新疆多數高速公路基層使用水泥穩定礫石混合料,砂石等資源消耗巨大。烏魯木齊的烏拉泊地區和頭屯河沿線因挖砂取石,生態環境受創程度較高。鋼鐵業作為新疆支柱性產業,每年排放鋼渣超過250萬噸卻難以有效利用,不利于生態環境的可持續發展。

1 鋼渣在半剛性基層的應用現狀

李瑞雪[1]認為鋼渣筑路的資源效益最高,特別是鋼渣混凝土的綜合效益高于其他資源化途徑。龔耀[2]認為水泥穩定碎石混合料內加入鋼渣后,能顯著改善彈性模量,亦能降低干縮系數,他提出配制混合料時應選用細型骨架密實級配,并結合60d抗壓強度進行決策。鄭武西[3]研究鋼渣在水泥穩定基層的應用,證實鋼渣的各項性能指標比普通碎石更加優異;摻入鋼渣的水泥穩定碎石基層的力學性能也比普通水泥穩定碎石基層更加優良。解英明[4]等人研究了熱悶渣在烏魯木齊市92小學和八鋼“三供一業”等市政道路中的應用,上述工程部分路段使用摻入鋼渣的混合料鋪筑半剛性基層,工程竣工后的相關研究表明,使用鋼渣能顯著降低成本,簡化工藝,縮短工期并減少路面病害,工程、經濟和環境效益提升明顯。

2 提高鋼渣路用性的方法

2.1 選用合適的成渣工藝

李云云[5]等認為國內主要成渣工藝有熱潑、熱燜、滾筒、風淬、水淬和盤潑六種,其中前三種是主流工藝。除熱潑法和盤潑法外,其余工藝處理的鋼渣穩定性較好。新疆地區使用最多的是熱悶法和滾筒法,得到的鋼渣易用,安定性、粒徑和級配良好,適合替代礫石形成骨架密實型級配用于半剛性基層。

2.2 改善鋼渣的安定性

鋼渣內的f-CaO(游離氧化鈣)和f-MgO(游離氧化鎂)水化活性不佳,當其他膠凝物質完成水化且漿體固化成型后兩者仍然繼續水化,且分別在生成Ca(OH)2(氫氧化鈣)和 Mg(OH)2(氫氧化鎂)的過程中體積急劇膨脹,會破壞已基本成型穩定的水泥漿體。磨煉同[6]等人認為鋼渣體積膨脹受f-CaO的分布、含量及鋼渣粒徑的影響,而控制好鋼渣近表面f-CaO含量更重要。

吳少鵬[7]等人認為鋼渣處于高溫熔融態時,即可使用滾筒法和熱悶法處理,或者添加粉煤灰等調質組分。鋼渣固化成型后還需要進一步處理,一是應用水熱陳化、蒸汽加壓等方法促進f-CaO水化;二是應用如外摻硅粉等無機改性劑,或摻入有機硅等有機改性劑阻斷f-CaO水化;三是使用弱酸溶液的酸堿中和法、微硅粉等混合料的摻合料法消除f-CaO。鄭琪[8]等人使用了蒸壓技術和復合改性劑,不僅f-MgO和f-CaO消解效果顯著,還實現了兩種物質的活性化利用。

2.3 激發鋼渣的活性

鄒敏[9]等人認為主流方法有3種。一是物理(機械)激發,即通過破碎、粉磨等方式提高鋼渣比表面積來增強反應效果。二是化學激發,包括酸性激發和堿性激發,堿性激發即使用堿金屬的硅酸鹽、碳酸鹽等材料為鋼渣水化創造堿性環境,而一些堿性激發劑還能提高鋼渣的早期水化活性;酸性激發的機理是利用適量的酸中和體系中的部分堿性物質,促進未水化鋼渣進一步溶解水化。三是復合激發,即將上述激發方法聯合使用,從而獲得更好的效果。

3 鋼渣的基本性質

3.1 物理性質

樣品來自八鋼,鋼渣顏色為黑色,表面粗糙且多孔,棱角性較好,其外觀類似于塊狀水泥熟料。從表1試驗篩分數據可知,鋼渣的粒徑主要分布在2.36～9.5mm,適合代替部分礫石并形成骨架密實型級配。根據相關規范[10-12]檢測樣品的物理性能,所得數據見表2。鋼渣的放射性檢測數據見表3。根據相關規范[13]檢測浸出物濃度數據見表4。系列數據表明,鋼渣多項物理性能指標符合規范要求,初步具備應用于高速公路半剛性基層的條件。

表1 試驗篩分數據

表2 鋼渣物理性能試驗結果

表3 鋼渣放射性檢測

表4 鋼渣浸出物濃度檢測

3.2 化學成分

表5 鋼渣主要成分

4 水泥穩定鋼渣混合料設計研究

4.1 集料級配設計

骨架密實型級配能通過骨架嵌擠提高基層整體強度,并預留空間緩解鋼渣微膨脹,故配制此級配類型的混合料。對鋼渣進行10d的膨脹檢測,得到鋼渣及鋼渣混合料的膨脹率分別為0.7%和1.3 %,滿足相關規范不大于2.0%的要求。設計鋼渣的摻量分別為 60%、40%和30%,三組混合料的級配設計數據見表6。

表6 水泥穩定鋼渣混合料級配設計

4.2 鋼渣及水泥摻量的確定

在級配設計的基礎上,將混合料均分為2份,分別摻入4%和5%的水泥,得到6組混合料后,制成相應試件并檢測強度,數據見表7。

表7 不同鋼渣及水泥摻量試件的強度 單位:MPa

水泥劑量相同時,鋼渣摻量為30%時試件強度均表現最高,而從40%增加到60%的過程中,混合料強度有所回升;當水泥劑量為5%時,混合料整體強度更高。

4.3 混合料的路用性能研究

4.3.1抗折及抗壓強度

半剛性基層作為主要承重結構,其抗折及抗壓強度至關重要?；旌狭蠐魧嵲囼灁祿姳?。

表8 擊實試驗數據

鋼渣摻量為40%～60%時,試件的最佳含水量和最大干密度趨于穩定,以此制作試件并測得7d強度數據,見表9。

表9 7d無側限抗壓強度 單位:MPa

由表9可知,試件7d無側限抗壓平均強度高達6.1MPa,基本滿足高速公路在極重和特重交通荷載等級下,基層7d無側限抗壓強度為5.0～7.0MPa的要求[15]。此外,將鋼渣與普通水泥、超級水泥按照C30強度拌和混凝土,其水灰比為0.7,得到摻入普通水泥試件的7d抗折強度為4.7MPa,抗壓強度為27.2MPa;摻入超級水泥試件的抗折強度為6.3MPa,抗壓強度為41.3MPa。

4.3.2劈裂強度

無機結合料穩定材料的抗拉強度遠不及抗壓強度,路面受交通荷載發生彎拉破壞較普遍,故設計此試驗。各混合料不同齡期的劈裂強度數據見表10。

表10 劈裂強度試驗結果

水泥劑量為4%和5%混合料的劈裂強度分別見圖1和圖2。

圖1 水泥為4%混合料的劈裂強度

圖2 水泥為5%混合料的劈裂強度

水泥劑量和養護齡期相同時,混合料的劈裂強度與鋼渣摻量和水泥劑量均呈正相關;鋼渣摻量和養護齡期相同時,水泥含量較高的混合料強度更大;水泥劑量和鋼渣摻量一定時,混合料劈裂強度隨養護齡期增長而增大。例如,保持水泥劑量4%不變,鋼渣摻量為40%和60%時,齡期從28d增加到60d,再到90d的過程中,劈裂強度的增長率分別為24.2%和14.1%,25.9%和14.5%。鋼渣對提升混合料前期強度效果一般,提升后期強度緩慢且持續。

結合上述試驗結果,初步得出結論:鋼渣的合理摻量應為40%～60%;提升水泥劑量對混合料強度提升有幫助。

4.3.3干縮性能

干縮是半剛性基層主要破壞形式之一。干縮裂縫是在混合料拌和并攤鋪壓實后,其內部因水分蒸發和水化反應導致水分含量下降而收縮開裂。

參照前期擊實試驗數據配制混合料,制作試件后標準養護,最后進行干縮試驗。試驗測得混合料的失水率與齡期關系變化趨勢見圖3。

圖3 失水率與齡期關系變化趨勢

由圖3可知,隨著齡期增長,不同鋼渣摻量的混合料的失水率均呈現下降趨勢。分析失水率降低原因,0～9d陡降是因為水化反應消耗大量水分,此后趨于平緩是由于殘存水分較少,且鋼渣被前期水化反應的生成物裹附難以繼續發生反應。同一水泥劑量時,鋼渣摻量越大,失水率則越大;鋼渣占比等量時提高水泥劑量,則失水率升高。

干縮應變與齡期變化趨勢見圖4。

圖4 干縮應變與齡期變化趨勢

由圖4可知,干縮應變速度隨齡期增長而遞減,初期陡降,后期趨于平緩,與失水率變化規律相似;干縮應變和失水率的變化規律表現為正相關;水泥劑量相同時,提高鋼渣摻量可降低干縮應變,表明鋼渣有助于緩解干縮現象。

干縮系數與齡期變化趨勢見圖5。

圖5 干縮系數與齡期變化趨勢

由圖5可知,干縮系數隨齡期推移呈上升趨勢,初期速度較大,后期趨于平緩。水泥劑量一定時,隨著鋼渣摻入比例的增加,混合料的干縮系數會明顯降低;而在同等鋼渣含量下增加水泥劑量時,則會小幅度增大混合料的干縮系數。

混合料干縮系數數據見表11?？刂扑鄤┝繛?%,鋼渣摻量由30%增加至60%時,干縮系數降低總量達到83.64×10-6,下降總幅度高達54.5%;控制水泥劑量為5%,當鋼渣摻量從30%增加到60%時,干縮系數減少總量達到77.39×10-6,下降總幅度高達50.3%?？梢姄饺脒m量鋼渣能降低干縮量。原因是混合料內部水分蒸發會導致混合料產生干縮變形,但可通過鋼渣與水反應產生體積的微膨脹來緩解,以此減輕混合料干縮。

表11 不同鋼渣摻量水泥穩定鋼渣礫石混合料干縮系數(×10-6)

綜上,結合擊實試驗與干縮性能研究結果,水泥劑量增加不僅會提高最佳含水量,且在降低最大干密度的同時,會導致混合料干縮抗裂性變差,因此控制好水泥用量有利于提高混合料抗裂能力。此外,混合料拌和時使用振動攪拌,可提升混合料分布均勻度和路用性能,混合料更易壓實,節約水泥用量[16]。

5 結論

綜合來看,熱悶渣具備應用于高速公路半剛性基層建設的性能條件。由50%左右礫石、40%～60%鋼渣、4%～5%水泥配制的骨架密實型混合料鋪筑的半剛性基層,其強度、抗裂性能等多項路用性能表現良好。