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        水泥穩(wěn)定鋼渣碎石配合比設(shè)計(jì)及路用性能研究

        2021-07-22 14:02:02
        湖南交通科技 2021年2期
        關(guān)鍵詞:礦料側(cè)限鋼渣

        王 建

        (華實(shí)環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)工程有限公司, 湖南 長沙 410000)

        0 引言

        鋼渣是鋼鐵產(chǎn)業(yè)中產(chǎn)生的廢渣,密度大于一般碎石,強(qiáng)度較高、抗磨耗性強(qiáng),且含有類似C3S、C2S等活性成分,若用作水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層材料,可進(jìn)一步提高基層承載力[1-2]。隨著國家對生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度加大,優(yōu)質(zhì)合格的砂石材料不足問題日益凸顯,若將鋼渣應(yīng)用到半剛性基層建設(shè)中,既可減少對生態(tài)環(huán)境的破壞,又可提高工業(yè)生產(chǎn)效益。當(dāng)前,國內(nèi)學(xué)者對摻鋼渣的無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料工程性能進(jìn)行了研究。陳超等[3]研究了5%水泥摻量穩(wěn)定鋼渣碎石材料的工程性能。陳勇鴻等[4]研究表明,不同鋼渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石干縮應(yīng)變變化規(guī)律一致,適量鋼渣摻量可延長或減緩瀝青路面裂縫形成。吳軍[5]通過室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)水泥摻量≥4%時(shí),水泥穩(wěn)定鋼渣碎石存在最佳鋼渣摻量。高伏良等[6]對比研究了水泥、石灰、粉煤灰等無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定鋼渣碎石材料的工程性能。李偉等[7]研究表明,在合理礦料級配和水泥摻量條件下,半剛性鋼渣基層材料抗裂性能良好。盧發(fā)亮等[8]分別研究了水泥穩(wěn)定鋼渣和水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。劉玉民等[9]研究表明,水泥穩(wěn)定鋼渣材料強(qiáng)度與剛度均優(yōu)于一般水泥穩(wěn)定鋼渣材料。

        上述研究在水泥穩(wěn)定鋼渣碎石半剛性基層材料工程性能方面取得了一定成果,但配合比設(shè)計(jì)中較少研究摻入鋼渣材料的效果,而鋼渣中往往夾雜活性物質(zhì)和游離氧化鈣和游離氧化鎂等不穩(wěn)定成分,易導(dǎo)致配合比設(shè)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)偏差,路用性能不滿足設(shè)計(jì)要求。對此,以鋼渣摻量75%的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),優(yōu)選礦料級配并分析水泥穩(wěn)定鋼渣碎石材料路用性能。

        1 原材料與試驗(yàn)方案

        1.1 原材料

        選用某鋼鐵廠陳化3個(gè)月的鋼渣,粒徑為4.75~31.5 mm,技術(shù)性質(zhì)見表1。集料選用石灰?guī)r,按粒徑大小分為4檔,分別為0~4.75 mm、4.75~9.5 mm、9.5~19 mm、19~31.5 mm,技術(shù)性質(zhì)見表2。水泥選用堯柏牌P·C32.5級水泥,技術(shù)性質(zhì)見表3。

        表1 鋼渣技術(shù)性質(zhì)毛體積密度/(g·cm-3)壓碎值/%針片狀顆粒含量/%膨脹率/%粉化率/%2.7716.70.052.165.22

        表2 集料技術(shù)性質(zhì)集料粒徑/mm表觀密度/ (g·cm-3)吸水率/%針片狀顆粒含量/%含泥量/% 0~4.752.7920.69—0.34.75~9.5 2.7760.589.50.3 9.5~19 2.7860.4610.20.3 19~31.52.7900.3510.00.2

        1.2 試驗(yàn)方案

        1)配合比設(shè)計(jì)

        參照《公路路面基層施工技術(shù)準(zhǔn)則》(JTG/TF20—2015)中骨架密實(shí)型級配,改變粒徑≥9.5 mm的集料含量,設(shè)計(jì)粗、中、細(xì)型3種級配并成型水泥穩(wěn)定鋼渣碎石材料試件,通過室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)和7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定最優(yōu)級配。

        表3 水泥技術(shù)性質(zhì)測試項(xiàng)目細(xì)度/%安定性凝結(jié)時(shí)間/min抗折強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa初凝終凝3 d28 d3 d28 d測試值3.7合格2914214.38.217.938.2規(guī)范值≤10合格≥180≤600≥2.5≥5.5≥11≥32.5

        水泥穩(wěn)定鋼渣碎石礦料級配見表4,設(shè)計(jì)水泥摻量分別為2.0%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%,鋼渣摻量為75%。水泥摻量為水泥質(zhì)量與集料和鋼渣質(zhì)量之和的比值,鋼渣摻量為鋼渣體積與粗集料體積之比。

        表4 礦料級配粒徑/mm通過質(zhì)量百分率/%粗型中型細(xì)型26.51001001001982.383.885.51673.576.478.613.265.868.571.69.554.057.360.74.7542.042.042.02.3629.527.324.61.1820.217.514.00.613.611.58.80.39.08.25.50.155.56.54.00.0753.02.52.0

        2)路用性能研究

        基于配合比設(shè)計(jì)結(jié)果,按《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)要求,靜壓法成型無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件、干縮試驗(yàn)試件,研究鋼渣摻量對水泥穩(wěn)定鋼渣碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)定性影響規(guī)律,設(shè)計(jì)最佳鋼渣摻量;對照水泥穩(wěn)定碎石,評價(jià)最佳鋼渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石干縮性能。試驗(yàn)中,設(shè)計(jì)鋼渣摻量為0%、25%、50%、75%、100%,養(yǎng)護(hù)齡期為3、7、28、60、90、180 d。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 配合比設(shè)計(jì)

        2.1.1級配設(shè)計(jì)

        水泥穩(wěn)定鋼渣碎石最佳含水率和最大干密度見表5,7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見表6。水泥摻量為3.0%。

        表5 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果礦料級配最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)粗型7.52.566中型7.62.529細(xì)型7.82.471

        表6 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果MPa粗型中型細(xì)型3.23.02.9

        由表5、表6可知,骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)粗型礦料級配的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石強(qiáng)度特性最優(yōu),中型礦料級配次之。而粗型礦料級配水泥穩(wěn)定鋼渣碎石試件較細(xì)型級配試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加10.3%,說明粗型級配的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石形成的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)良好,集料間嵌擠咬合作用增強(qiáng)。對此,本文按骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)粗型礦料級配成型水泥穩(wěn)定鋼渣碎石試件,進(jìn)行路用性能試驗(yàn)研究。

        2.1.2水泥摻量設(shè)計(jì)

        不同水泥摻量的穩(wěn)定鋼渣碎石材料最佳含水率和最大干密度見圖1,7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖2。

        圖1 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

        圖2 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

        由圖1、圖2可知:

        1)隨水泥摻量增加,水泥穩(wěn)定鋼渣碎石最大干密度和最佳含水率略微增大,這是因?yàn)榛旌狭习韬瓦^程中少許水泥發(fā)生了水化反應(yīng)。

        2)隨水泥摻量增加,水泥穩(wěn)定鋼渣碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸提高。在水泥摻量為4.0%時(shí),其抗壓強(qiáng)度滿足道路基層強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,較3.0%水泥摻量穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度提高了55.8%,說明增加水泥摻量對穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度提高作用明顯。這是因?yàn)樗鄵搅吭黾?,水化產(chǎn)物硅酸鈣等凝膠物質(zhì)與集料間膠結(jié)作用增強(qiáng),從而抗壓強(qiáng)度增大。另外,當(dāng)水泥摻量≥4.0%時(shí),水泥摻量每增加0.5%,水泥穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度約提高6.8%。因此,考慮經(jīng)濟(jì)效益,建議水泥摻量為4.0%~4.5%。

        2.2 路用性能

        2.2.1力學(xué)強(qiáng)度

        水泥穩(wěn)定鋼渣碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖3。

        圖3 養(yǎng)護(hù)齡期對水泥穩(wěn)定鋼渣碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

        由圖3可知,隨養(yǎng)護(hù)齡期增加,不同水泥摻量的穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度趨勢一致,養(yǎng)護(hù)齡期前28 d抗壓強(qiáng)度增長迅速,其28 d抗壓強(qiáng)度較3、7d的抗壓強(qiáng)度分別至少提高137%、65%;當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期>28 d,水泥穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度增長減緩,其28、90 d抗壓強(qiáng)度約分別是180 d抗壓強(qiáng)度的76%、92.2%。以4%水泥摻量的穩(wěn)定鋼渣碎石材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為例,分析鋼渣摻量對水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律(見圖4)。當(dāng)養(yǎng)生齡期≤7 d,水泥穩(wěn)定鋼渣碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨鋼渣摻量增加呈線性增長,鋼渣摻量增加10%,3、7 d的抗壓強(qiáng)度分別平均提高2.6%、1.8%;當(dāng)養(yǎng)生齡期≥14 d,隨鋼渣摻量增加,水泥穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度先增大后減小,在鋼渣摻量75%時(shí)抗壓強(qiáng)度取得峰值,較未摻鋼渣的水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度提高26.6%以上,說明鋼渣摻量對長齡期水泥穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度影響較顯著,且鋼渣摻量存在最優(yōu)值。這是因?yàn)殇撛鼔核橹蹈哂谒槭旨蠅核橹?,水泥穩(wěn)定碎石中摻入鋼渣有利于提高其強(qiáng)度;同時(shí),鋼渣中含有類似C2S、C3S等物質(zhì)的活性成分,遇水生成具有膠結(jié)作用的水化產(chǎn)物,增強(qiáng)了鋼渣碎石材料強(qiáng)度。

        圖4 鋼渣摻量對水泥穩(wěn)定鋼渣碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

        另外,當(dāng)養(yǎng)生齡期≥60 d,水泥穩(wěn)定鋼渣抗壓強(qiáng)度低于水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度,這是因?yàn)殇撛鼡搅窟^高時(shí),較多的活性物質(zhì)發(fā)生水化反應(yīng)后體積增大,破壞了水泥穩(wěn)定鋼渣碎石結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,從而引起抗壓強(qiáng)度降低。

        2.2.2水穩(wěn)定性

        水泥穩(wěn)定鋼渣碎石水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見圖5。水穩(wěn)定性試驗(yàn)中,采用軟化系數(shù)評價(jià)水泥穩(wěn)定鋼渣碎石水穩(wěn)定性。軟化系數(shù)指同一養(yǎng)護(hù)齡期下水泥穩(wěn)定鋼渣碎石浸水與不浸水抗壓強(qiáng)度的比值,表征浸水環(huán)境下抗壓強(qiáng)度穩(wěn)定性。

        圖5 鋼渣摻量對水泥穩(wěn)定鋼渣碎石軟化系數(shù)影響

        由圖5可知,隨鋼渣摻量增加,不同養(yǎng)護(hù)齡期的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石軟化系數(shù)變化規(guī)律一致,軟化系數(shù)先增大后減小,在鋼渣摻量75%時(shí)軟化系數(shù)取得最大值,其抗水破壞能力最大。另外,鋼渣摻量≤75%,隨養(yǎng)護(hù)齡期增加,水泥穩(wěn)定鋼渣碎石軟化系數(shù)呈增大趨勢,水穩(wěn)定性不斷提高,這是因?yàn)樗a(chǎn)物含量隨齡期增加逐漸提高,不斷填充結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙,致使結(jié)構(gòu)密實(shí)性和穩(wěn)定性提高,抑制了水的滲入,從而軟化系數(shù)逐漸增大。對此,結(jié)合水泥穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度增長規(guī)律和長期穩(wěn)定性,鋼渣最佳摻量為75%。

        2.2.3耐收縮性

        水泥穩(wěn)定鋼渣碎石干縮試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

        圖6 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石干縮試驗(yàn)結(jié)果

        由圖6可知,隨干縮時(shí)間增加,水泥穩(wěn)定碎石摻鋼渣前后干縮系數(shù)變化規(guī)律一致,前期干縮系數(shù)增長迅速,后期逐漸趨于穩(wěn)定,且75%鋼渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)顯著低于不摻鋼渣的水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù),其90 d干縮系數(shù)降低了35.4%。說明水泥穩(wěn)定碎石基層材料中摻入鋼渣可顯著延緩或抑制裂縫產(chǎn)生,這是因?yàn)殇撛杏坞x氧化鈣等物質(zhì)與水發(fā)生反應(yīng),減小了水分蒸發(fā),同時(shí)體積增大,抵消了材料干燥收縮。

        3 結(jié)論

        1) 骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)粗型礦料級配的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石強(qiáng)度特性最優(yōu),在4.0%水泥摻量時(shí),抗壓強(qiáng)度滿足道路基層強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,隨水泥摻量增加,水泥穩(wěn)定鋼渣碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增速減緩。建議水泥摻量為4.0%~4.5%。

        2) 不同水泥摻量的穩(wěn)定鋼渣碎石養(yǎng)護(hù)前28 d抗壓強(qiáng)度增長迅速;鋼渣摻量對長齡期的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石抗壓強(qiáng)度影響較顯著;水泥摻量為4%時(shí),水泥穩(wěn)定碎石摻75%鋼渣后較摻鋼渣前抗壓強(qiáng)度至少提高26.6%,且抗水破壞能力最大。建議鋼渣最佳摻量為75%。

        3) 水泥穩(wěn)定碎石基層材料中摻入鋼渣可顯著延緩或抑制裂縫產(chǎn)生,75%鋼渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)顯著低于不摻鋼渣的水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù),90 d干縮系數(shù)降低了35.4%。

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