梁 鐸 溫永鋼 楊 超 謝 君 李 杰

(內(nèi)蒙古高等級公路建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司1) 呼和浩特 010050) (武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2) 武漢 430070) (中交第一公路工程局有限公司3) 北京 100024)

0 引 言

水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層作為路面主要承重層，其力學(xué)性能和耐久性能對整個(gè)路面服役壽命有重大影響[1-2].鋼渣作為一種常見工業(yè)廢渣，其產(chǎn)生量大、堆積量多、且對環(huán)境污染嚴(yán)重[3].近年來研究發(fā)現(xiàn)鋼渣棱角豐富，物理力學(xué)性能良好，如能將這些鋼渣用作路面材料，將會大大提高鋼渣利用率，減少對環(huán)境的污染[4].

潘放等[5]研究了安徽馬鞍山鋼渣作為瀝青路面基層集料的可行性，結(jié)果表明,鋼渣含有一定活性的游離氧化鈣含量，其制備的混合料的加州承載比(CBR)值可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的250%～400%，同時(shí)其浸水膨脹率也較小.鄭武西[6]研究了日照市鋼渣的體積膨脹性和水泥穩(wěn)定碎石-鋼渣的力學(xué)性能，結(jié)果表明,兩組鋼渣平行樣的浸水膨脹率分別為0.64%和0.67%，水泥穩(wěn)定碎石鋼渣混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度、抗壓回彈模量都會隨著鋼渣摻量增加而增大.馮群英[7]對水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層在昆明繞城公路的工程應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境影響進(jìn)行了初步的分析評價(jià).周啟偉等[8]提出了解決鋼渣膨脹性不良的方法并分析了鋼渣在路面基層中的應(yīng)用前景.Li等[9]研究了水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的干縮和溫度特性，結(jié)果表明，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石干縮應(yīng)變較小，不會產(chǎn)生較大的溫度收縮應(yīng)變，用鋼渣代替基層碎石是可行的，有利于改善半剛性基層材料的干縮和溫縮特性.

綜上所述，鋼渣具備高強(qiáng)度和抗滑耐磨等特性，經(jīng)陳化后的鋼渣體積穩(wěn)定性較好，且用其制備的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料性能良好.基于前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，將CB-1水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料應(yīng)用在G65包茂高速上基層試驗(yàn)段，研究了現(xiàn)場拌和混合料的性能及其試驗(yàn)段的相關(guān)性能，以期推動鋼渣集料在基層中的應(yīng)用.

1 原材料與混合料配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料涉及的主要原材料有鋼渣、安山巖和水泥三種，其中鋼渣來自包頭某嗎有限責(zé)任公司的轉(zhuǎn)爐鋼渣(以下簡稱包鋼鋼渣).通過文獻(xiàn)[10]對包鋼鋼渣的性能進(jìn)行檢測，其測試結(jié)果見表1.由表1可知，包鋼鋼渣的壓碎值和磨耗值等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，其f-CaO含量遠(yuǎn)低于規(guī)范中小于3%的要求.安山巖細(xì)集料和水泥分別來自內(nèi)蒙古某碎石場和某有限責(zé)任公司.

表1 包鋼鋼渣集料相關(guān)性能測試結(jié)果

1.2 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的配合比設(shè)計(jì)

G65高速試驗(yàn)段中鋪設(shè)的水泥穩(wěn)定碎石混合料的設(shè)計(jì)采取兩種摻配方式，分別為粗集料為鋼渣、細(xì)集料為天然集料安山巖的粗鋼細(xì)石組，簡稱為GT組；粗細(xì)集料全為鋼渣的全鋼渣組，簡稱為GG組.粗細(xì)集料分界線為4.75 mm.水泥穩(wěn)定碎石混合料的級配設(shè)計(jì)采用等體積替換方法.GT組和GG組混合料的級配曲線分別見圖1.GT組的水泥劑量為5.0%和4.5%，GG組的水泥劑量為4.0%，三種混合料的標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2.

圖1 混合料合成級配曲線

表2 混合料標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

混合料類型水泥劑量/%最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)GT組5.04.62.787GT組4.54.62.825GG組4.05.02.855

2 試驗(yàn)段的鋪筑與檢測方法

2.1 試驗(yàn)段鋪筑

水泥穩(wěn)定鋼渣集料上基層試驗(yàn)段在G65包茂高速公路(包頭至東勝路段)K70+600—K72+100處鋪筑，長度為1.5 km，采用三種配比的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料分四分段鋪設(shè)，每個(gè)分段對應(yīng)的樁號及混合料的材料組成見表3.試驗(yàn)段的鋪設(shè)過程見圖2.

表3 試驗(yàn)段四段對應(yīng)的樁號及材料組成

圖2 水泥穩(wěn)定集料鋼渣上基層試驗(yàn)段的鋪筑過程

2.2 混合料及其基層試驗(yàn)段性能的檢測方法

在拌合站選取具有代表性的濕料帶回工地試驗(yàn)室采用BKJ-3多功能電動擊實(shí)儀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)，并分別進(jìn)行干密度、含水率和水泥劑量滴定的測試.將拌和站拌和的混合料取回工地試驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試件的成型和養(yǎng)生.成型試件壓實(shí)度按98%控制，采用WE-1000萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜壓成型.養(yǎng)生方式為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6 d，然后浸水1 d.依據(jù)文獻(xiàn)[11]采用WE-300B萬能材料試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，試件尺寸直徑×厚度為150 mm×150 mm，加載速率為1 mm/min.

參照文獻(xiàn)[12]，采用灌砂法(Φ15 mm)和LXBP-5A智能八輪平整度儀測量水泥穩(wěn)定鋼渣集料上基層試驗(yàn)段的壓實(shí)度和平整度.壓實(shí)度按每100 m一個(gè)點(diǎn)，現(xiàn)場量砂的松方密度為1.38 g/cm3.平整度儀的測試速度維持在在7 km/h左右，每隔100 m儀器自動計(jì)算該路段的平均平整度.試驗(yàn)段彎沉值的測量借助CFWD-10T型車載全自動落錘式彎沉儀，該儀器每25 m一點(diǎn)測定彎沉指標(biāo).彎沉代表值為彎沉測量值的上波動界限，可通過式(1)計(jì)算：

lr=l+SZa

(1)

式中：lr為彎沉代表值(0.01 mm)；l為實(shí)測彎沉的平均值；S為測試彎沉值的標(biāo)準(zhǔn)差；Za為與要求保值率有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)規(guī)定水穩(wěn)基層Za值取2.0.

3 試驗(yàn)段性能研究

3.1 現(xiàn)場混合料的含水率和水泥劑量

現(xiàn)場拌合的混合料的濕密度、含水率和水泥劑量滴定結(jié)果見表4.由表4可知，現(xiàn)場測試出的混合料的含水量滿足規(guī)范±2%的要求，滴定出的水泥劑量也滿足規(guī)范±0.5%的要求.三種混合料的濕密度均高于2.9 g/cm3，吸水率高的特性并未使混合料的含水量測定出現(xiàn)偏差.

表4 三種配比的混合料的密度、含水量和水泥劑量

3.2 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生試件的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

三種混合料的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后的試件見圖3，其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表5.表中數(shù)據(jù)顯示三種混合料的強(qiáng)度均超過9.0 MPa，其中5%水泥用量的GT組其抗壓強(qiáng)度最大，高達(dá)9.9 MPa.采用更少水泥用量的GG組混合料的強(qiáng)度略高于水泥用量為4.5%的GT組，這源于GG組含有更多的鋼渣組分.鋼渣集料經(jīng)水泥中的堿性成分激發(fā)后發(fā)生水化反應(yīng)相互結(jié)合在一起，在宏觀上表現(xiàn)為鋼渣間遇水發(fā)生“板結(jié)效應(yīng)”.同時(shí)鋼渣中的硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(β-C2S)礦物與水反應(yīng)生成水化硅酸鈣(C—S—H)和CaCO3、Ca(OH)2及鋁硅酸鹽等物質(zhì)，這能極大地提升整體混合料的抗壓強(qiáng)度.而GG組混合料強(qiáng)度的變異系數(shù)較大，其95%保證率的值RC0.95較GT組小，但仍遠(yuǎn)高于5 MPa的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值.

圖3 現(xiàn)場拌和成型的三種配比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生試件

表5 鋼渣水泥穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果

試件類型GT組(5.0%)GT組(4.5%)GG組(4.0%)強(qiáng)度算術(shù)平均值Rc/MPa9.99.59.7標(biāo)準(zhǔn)差S0.260.390.98變異系數(shù)CV/%2.574.1010.1595%保證率的值RC0.95/MPa9.58.98.0

3.3 壓實(shí)度

水泥穩(wěn)定鋼渣集料上基層試驗(yàn)段的壓實(shí)度測試結(jié)果見表6.試驗(yàn)段的碾壓工藝是車速為2 km/h的初壓、車速為4 km/h的復(fù)壓和車速為5 km/h的終壓的組合碾壓工藝.其中，初壓采取單鋼輪壓路機(jī)來回弱振-強(qiáng)振-弱振輾壓各一遍的工藝；復(fù)壓采取膠輪壓路機(jī)輾壓二遍的工藝；終壓采取雙鋼輪壓路機(jī)靜壓一遍的工藝.此輾壓工藝測定的壓實(shí)度為93.0%，96.2%和96.1%，即為表6中的前3次檢測結(jié)果，不滿足規(guī)范壓實(shí)度98%的要求.經(jīng)觀察現(xiàn)場路面出現(xiàn)鋼渣集料“蹦出”的現(xiàn)象，考慮到是鋼輪壓路機(jī)的強(qiáng)振與堅(jiān)硬的鋼渣發(fā)生碰撞而使得鋼渣彈開，導(dǎo)致混合料出現(xiàn)松散情況，故對輾壓工藝進(jìn)行了一定程度的改進(jìn).

表6 水泥穩(wěn)定鋼渣集料上基層試驗(yàn)段壓實(shí)度檢測結(jié)果

改進(jìn)的初壓工藝為單鋼輪壓路機(jī)靜壓一遍和弱振三遍，復(fù)壓工藝將膠輪壓路機(jī)的二次輾壓提升為四次，終壓工藝保持不變.經(jīng)檢測，此輾壓工藝測定的基層試驗(yàn)段壓實(shí)均滿足要求(即表6后10次檢測結(jié)果)，且最終趨于穩(wěn)定.壓路機(jī)在水泥穩(wěn)定鋼渣集料基層壓實(shí)時(shí)與普通水穩(wěn)基層的不同在于壓實(shí)鋼渣基層時(shí)壓路機(jī)的振動幅度大，易出現(xiàn)振幅涌，振動頻率相對高.因此，水泥穩(wěn)定鋼渣基層相較普通水泥穩(wěn)定碎石基層，其應(yīng)該避免強(qiáng)振，易多采用膠輪壓路機(jī)輾壓，且終壓需采用雙鋼輪壓路機(jī)的靜壓輾壓工藝.

3.4 平整度

基層試驗(yàn)段各分段的平均平整度測試結(jié)果見圖4.由圖4可知，全路段鋼渣水穩(wěn)基層的平整度平均值均小于2 mm，滿足高速公路平整度儀測試方法對平整度的要求，其中第三段(全鋼渣GG路段)的平整度的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)最小.這是因?yàn)殇撛^天然集料的棱角和紋理更加豐富，具備多支撐點(diǎn)集料骨架結(jié)構(gòu)，使其在碾壓中更容易相互嵌擠而成型.

圖4 試驗(yàn)段四分段的平整度

3.5 彎沉值

落錘式彎沉儀在K70+700—K72+100路段左右兩側(cè)每隔25 m記錄一次彎沉值，該區(qū)域每測共記錄59個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)測量點(diǎn)對應(yīng)的彎沉值見圖5.由圖5可知，左右兩側(cè)的彎沉值均位于20(0.01 mm)附近，其中右側(cè)的彎沉值的波動幅度較左側(cè)大，但其最大彎沉值仍不高于35(0.01 mm).選取K70+700—K71+150這150 m路段共計(jì)19個(gè)測量點(diǎn)作為彎沉值的評估路段，該路段的落錘彎沉值與等效貝克曼梁彎沉值的相關(guān)性見圖6.圖6顯示兩者具有良好的線性相關(guān)性，其擬合相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.996 8，這說明該路段具有一定的代表性.根據(jù)測量點(diǎn)的彎沉值計(jì)算得到的試驗(yàn)段的彎沉平均值和代表值見表7.表7顯示落錘彎沉儀測量的彎沉平均值和彎沉代表值分別為18.08(0.01 mm)和23.20(0.01 mm)，滿足試驗(yàn)段27.70(0.01 mm)的彎沉設(shè)計(jì)值的要求.這表明低壓碎值和高磨光值的鋼渣集料的加入能在一定程度上提升水泥穩(wěn)定碎石基層的抗變形能力，使其具有更小的彈性應(yīng)變.

圖5 試驗(yàn)段的彎沉值測試結(jié)果

圖6 代表路段的落錘彎沉值與等效貝克曼梁彎沉值的關(guān)系圖

表7 基層試驗(yàn)段代表路段平均彎沉值和代表彎沉值

4 結(jié) 論

1) 三種水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均超過9.0 MPa，水泥用量更少的GG混合料的強(qiáng)度略高于水泥用量為4.5%的GT組.

2) 水泥穩(wěn)定鋼渣基層碾壓時(shí)應(yīng)避免強(qiáng)振，易多采用膠輪壓路機(jī)輾壓，且終壓需采用雙鋼輪壓路機(jī)的靜壓輾壓工藝.

3) 水泥穩(wěn)定鋼渣基層試驗(yàn)段各分段的平整度平均值均低于2 mm，全鋼渣集料路段的平整度的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)最小.

4) 水泥穩(wěn)定鋼渣基層試驗(yàn)段具備較好的抗彈性變形性能，其彎沉代表值為23.20(0.01 mm)，低于路段的設(shè)計(jì)彎沉值.

5) 鋼渣集料堅(jiān)硬抗磨的特性使其制備的水泥穩(wěn)定碎石基層試驗(yàn)段性能優(yōu)良，表明其能較好地應(yīng)用在高交通量的水泥穩(wěn)定基層中.