吳 旻，王元綱，陳德鵬

(1.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山243002;2.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京210037)

大量積存的鋼渣占用土地，對(duì)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生不良影響，解決鋼渣的綜合利用問(wèn)題是國(guó)內(nèi)外的重要研究課題.目前，將鋼渣用于道路工程已有不少成功實(shí)例，但主要是將粗鋼渣用作路堤填料或者碎石集料，而對(duì)于細(xì)鋼渣的研究較少.從對(duì)鋼渣類(lèi)材料的路用性能研究現(xiàn)狀來(lái)看，主要集中于抗壓強(qiáng)度和回彈模量的研究［1－4］.另一方面，二灰土是道路中常用的一種基層材料，但其使用初期容易受到大氣降水和地下滲水的作用，水穩(wěn)定性不良，從而出現(xiàn)早期裂縫，裂縫反射到瀝青面層，將嚴(yán)重影響行車(chē)安全和道路使用壽命. 鑒于此，筆者將細(xì)鋼渣摻入到二灰土中，分析不同吸水時(shí)間和不同干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)二灰鋼渣土性能的影響，并探討了不同含水率影響下二灰鋼渣土強(qiáng)度的變化規(guī)律，對(duì)二灰鋼渣土的水穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)分析.

1 試驗(yàn)原材料及配合比

1.1 石 灰

選用鈣質(zhì)生石灰，充分消解并烘干后碾碎過(guò)0.71 mm篩. 測(cè)得其有效氧化鈣和氧化鎂含量為58.96%，屬于Ⅲ級(jí)消石灰.

1.2 粉煤灰

選用熱電廠的濕排灰，燒失量為7.08%，氧化物(SiO2+Al2O3+Fe2O3)含量為83.64%，0.075 mm篩通過(guò)率為71.2%，0.3 mm 篩通過(guò)率為91.8%.

1.3 鋼 渣

采用馬鋼公司鋼渣廠的細(xì)鋼渣，陳化時(shí)間為1 a.試驗(yàn)主要利用5 mm 以下的鋼渣，就顆粒組成而言，屬于砂類(lèi)土，其不均勻系數(shù)為11.2，曲率系數(shù)為1.9，級(jí)配良好，表觀密度為3.139 g/cm3.

鋼渣化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1. 由表1可以看出，鋼渣中CaO 含量達(dá)到43.71%，堿度為3.15，屬于高堿度鋼渣，活性較大.

表1 鋼渣主要化學(xué)成分含量 %

1.4 土

試驗(yàn)用土液限為37.24，塑限為23.50，塑性指數(shù)為13.74，為低液限黏土，可以用石灰和粉煤灰進(jìn)行穩(wěn)定.

1.5 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)固定石灰和粉煤灰含量，用鋼渣等質(zhì)量取代土，選取4 種配合比，其中配合比為1 的二灰土為對(duì)比試樣，各配合比材料組成見(jiàn)表2.

表2 試驗(yàn)配合比 %

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

對(duì)4 種配合比混合料分別進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示.可以看出:摻入鋼渣后，混合料的最大干密度顯著增加;3 種摻鋼渣的配比擊實(shí)曲線(xiàn)較二灰土的平緩，說(shuō)明二灰鋼渣土的干密度對(duì)于含水率的敏感性比二灰土小，可擊實(shí)區(qū)間更大，這使得二灰鋼渣土壓實(shí)質(zhì)量更加容易控制;由于粉煤灰顆粒較細(xì)，吸水性強(qiáng)，4 種配比的最佳含水率均較高，總體相差不大.

圖1 干密度與含水率變化關(guān)系

2.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

測(cè)定二灰鋼渣土浸水和不浸水兩種情況下的抗壓強(qiáng)度，將兩種強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果的比值作為基層材料的水穩(wěn)性系數(shù)［5］.其中浸水強(qiáng)度測(cè)定方法是指在養(yǎng)生齡期的最后一天將試件浸沒(méi)水中，強(qiáng)度測(cè)定前需要先擦干試件表面的自由水.強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.水穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4.

表3 二灰鋼渣土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度 MPa

表4 二灰鋼渣土的水穩(wěn)定系數(shù) %

由表3可以看出:不同配合比試件的抗壓強(qiáng)度均隨著齡期的增長(zhǎng)而不斷增長(zhǎng);摻入不同比例的鋼渣后，混合料不同齡期的抗壓強(qiáng)度較二灰土的均有一定提高，配比3 各齡期抗壓強(qiáng)度最高. 鋼渣2 ～5 mm的顆粒含量比土多，這有利于混合料壓實(shí)成型.另一方面，鋼渣中含有的f-CaO 消解生成Ca(OH)2，能夠與鋼渣及粉煤灰中的SiO2和Al2O3發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和鋁酸鈣［6］. 這些膠凝物質(zhì)有利于混合料后期強(qiáng)度的形成.

由表4可以看出:二灰鋼渣土7 d 水穩(wěn)性系數(shù)較低，隨著齡期的增長(zhǎng)，粉煤灰和鋼渣參與混合料加固穩(wěn)定的程度不斷深入，水穩(wěn)性系數(shù)逐漸提高;不摻鋼渣的配比1 各齡期的水穩(wěn)定系數(shù)最低.

2.3 飽水性能試驗(yàn)

為模擬施工現(xiàn)場(chǎng)路面基層的吸水過(guò)程，將4 種配合比試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)30 d，自然風(fēng)干1 d，放置于水槽中的透水石上，透水石距水面1 mm［7］，測(cè)試吸水0，1，2，3，5，10 d 后試件的含水率、抗壓強(qiáng)度及回彈模量，結(jié)果如圖2所示.

圖2 二灰鋼渣土飽水試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可以看出:隨著吸水天數(shù)的增加，二灰鋼渣土的含水率逐漸增加，早期增長(zhǎng)較為顯著，后期增幅較小，并趨于一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值;4 種配合比試件吸水10 d 后含水率增量分別為5.14%，4.57%，4.53%和4.92%，摻鋼渣后含水率增量減小，表明鋼渣的摻入能夠有效改善混合料的水穩(wěn)定性.

由圖2還可以看出，吸水天數(shù)增加后，4 種配合比試件的抗壓強(qiáng)度和回彈模量均有所下降.其中，吸水1 d 的試驗(yàn)數(shù)值急劇下降，這與其飽水1 d 后含水率的急劇增加有關(guān)，表明含水率對(duì)二灰鋼渣土的早期強(qiáng)度影響很大，含水率越高的配合比其早期強(qiáng)度越低.對(duì)比相同飽水時(shí)間下不同配比的抗壓強(qiáng)度和回彈模量，摻鋼渣的配比優(yōu)于二灰土配比，其中鋼渣摻量為30%的配比的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小了0.5 MPa，回彈模量減小了143 MPa，衰減值小于其他3 個(gè)配比.

2.4 干濕循環(huán)試驗(yàn)

為模擬施工現(xiàn)場(chǎng)吸水和失水過(guò)程，將試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)30 d 后風(fēng)干1 d，再放置于透水石上吸水1 d 后自然風(fēng)干1 d，以風(fēng)干1 d 再吸水1 d 作為1 次干濕循環(huán)［8］.測(cè)定循環(huán)次數(shù)為0，1，2，3，5，10時(shí)不同配比的含水率和力學(xué)性能參數(shù)，結(jié)果如圖3所示.

圖3 二灰鋼渣土干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，在干濕循環(huán)過(guò)程中，試件含水率及力學(xué)性能參數(shù)的變化規(guī)律與飽水試驗(yàn)基本類(lèi)似，但當(dāng)循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，由于自然風(fēng)化條件的差異，試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在波動(dòng).隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，二灰鋼渣土的抗壓強(qiáng)度和回彈模量均呈現(xiàn)出減小的特點(diǎn)，并最終趨于穩(wěn)定.其中，二灰土的抗壓強(qiáng)度和回彈模量減小幅度大于其他3 種配合比，而鋼渣占混合料總量30%的配比經(jīng)過(guò)10 次干濕循環(huán)，抗壓強(qiáng)度最終減小0.55 MPa，回彈模量減小158 MPa，衰減程度小于其他配比，但變化幅度大于飽水試驗(yàn)，這主要是由于干濕循環(huán)試驗(yàn)對(duì)混合料試件的損傷程度大于飽水試驗(yàn).

3 結(jié) 語(yǔ)

1)二灰鋼渣土對(duì)于含水率的敏感性比二灰土小，因此施工時(shí)其壓實(shí)質(zhì)量更加容易控制.

2)二灰鋼渣土各齡期水穩(wěn)定性系數(shù)均大于二灰土配比，表明摻鋼渣后混合料的水穩(wěn)定性能有了一定提升.該系數(shù)呈現(xiàn)出早期低、后期高的規(guī)律，表明水對(duì)其強(qiáng)度的衰減作用在早期表現(xiàn)較為顯著.

3)飽水試驗(yàn)中，二灰鋼渣土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和回彈模量均表現(xiàn)出先急劇衰減，然后趨于穩(wěn)定的特征.摻鋼渣的配比衰減程度小于二灰土配比，鋼渣摻量為30%的配比衰減值最小.

4)干濕循環(huán)試驗(yàn)中，二灰鋼渣土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與回彈模量均表現(xiàn)出與飽水試驗(yàn)相似的變化特征，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)衰減幅度增加，鋼渣摻量為30%的配比衰減值最小.

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可以看出，二灰鋼渣土與二灰土相比，具有更好的水穩(wěn)定性能.同時(shí)，鋼渣的摻入利用符合節(jié)能減排的原則，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值.

［1］馬士賓，許素蘭，孫維豐，等.無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定鋼渣路用性能研究［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，35(5):105－107.

［2］袁玉卿，吳傳海，周鑫，等.二灰鋼渣混合料力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(12):38－40.

［3］喬軍志，胡春林，陳中學(xué). 鋼渣作為路用材料的研究及應(yīng)用［J］.國(guó)外建材科技，2005，26(5):6－8.

［4］Motz H，Geiseler J.Products of steel slags an opportunity to save natural resources［J］.Waste Managment，2001，21(3):27－29.

［5］杜小婷.半剛性基層的路用性能研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2006.

［6］沈衛(wèi)國(guó)，周明凱，趙青林，等.鋼渣粉煤灰路面基層材料的研制［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24(23):15－17.

［7］交通部公路科學(xué)研究院.JTG E 51—2009 公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［8］梁波，丁立.粉煤灰作為填料的水穩(wěn)性試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24(1):112－114.