文章采用C-B-3級(jí)配，對(duì)鋼渣摻量為0、30%、45%、60%的4種配合比水泥穩(wěn)定鋼渣碎石試件進(jìn)行干燥收縮和溫度收縮試驗(yàn)，分析鋼渣摻量對(duì)混合料收縮特性的影響，并采用半剛性基層開(kāi)裂計(jì)算模型，計(jì)算分析鋼渣摻量對(duì)基層整體抗裂性能的影響。結(jié)果表明：相較于不摻鋼渣的混合料，摻入30％、45％和60％的鋼渣分別使其29 d的干縮系數(shù)降低了19.7％、43.3％和57.3％，溫縮系數(shù)則分別增大了9.6%、21.2%和29.8%；摻入30%、45%和60%的鋼渣可以使得裂縫間距分別增大9.6%、21.2%和48.9%；裂縫寬度呈現(xiàn)先增大后降低的變化，分別增加10.6%，減小1.4%和5.6%；水泥穩(wěn)定碎石摻入鋼渣后，裂縫間距、寬度受干縮作用比溫縮作用顯著，鋼渣替代部分集料摻入水泥穩(wěn)定碎石混合料中能改善其抗裂性能。

水泥穩(wěn)定鋼渣碎石；抗壓強(qiáng)度；干縮；溫縮；抗裂性能

U416.03A030084

基金項(xiàng)目：

河北省交通運(yùn)輸廳科技研發(fā)項(xiàng)目“鋼渣-橡膠瀝青混凝土路面修筑技術(shù)研究”（編號(hào)：TH1-202019）

作者簡(jiǎn)介：

武建民（1971—），博士，副教授，主要從事路基路面工程研究工作。

0" 引言

截至2022年，我國(guó)鋼渣累計(jì)存放超過(guò)18×108t，面臨巨大的環(huán)保壓力。在我國(guó)區(qū)域性的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，缺乏石料已經(jīng)成為常態(tài)，特別是在道路基層施工中，對(duì)于碎石的需求量十分巨大。已有研究表明，將鋼渣用于道路工程中時(shí)，其路用性能較常規(guī)碎石有較大的提升［1］；但目前我國(guó)鋼渣的綜合利用率不到30%［2］，若將鋼渣用于公路的水泥穩(wěn)定碎石基層，不僅能深入落實(shí)國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略中對(duì)大宗工業(yè)固廢有效利用的政策，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼渣的大規(guī)模利用，解決鋼渣堆放占地、污染環(huán)境的問(wèn)題，也有利于緩解公路建設(shè)中對(duì)石料的巨大需求，減少石料開(kāi)采的能源消耗和環(huán)境破壞。

國(guó)外對(duì)鋼渣的利用研究較早且利用率高［3］，目前普遍的研究認(rèn)為，在當(dāng)今天然集料短缺的情況下，使用鋼渣替代瀝青混合料中的集料尤為重要，大多數(shù)情況下，這些替代集料可提高混合料的力學(xué)性能、耐久性和可持續(xù)性［4-5］。鋼渣在國(guó)外已經(jīng)成為一種優(yōu)質(zhì)筑路材料，多用于面層，很少用于道路基層。

從20世紀(jì)80年代到現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)對(duì)鋼渣在路面基層的應(yīng)用研究較為廣泛，各項(xiàng)研究成果表明：鋼渣摻入基層材料中，使基層材料的強(qiáng)度得到了明顯提升，且由于鋼渣的遇水膨脹特性，使混合料的干縮性能得到明顯改善，但溫縮性能卻有所降低［6-9］。各項(xiàng)研究成果并沒(méi)有具體分析摻入鋼渣后對(duì)基層整體抗裂性能的影響，因此本文利用陜西龍鋼鋼渣，進(jìn)行室內(nèi)干縮試驗(yàn)和溫縮試驗(yàn)以研究水泥穩(wěn)定鋼渣碎石的收縮特性，通過(guò)計(jì)算其平均裂縫間距和寬度，具體分析鋼渣膨脹特性對(duì)水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層整體抗裂性能的影響。

1" 鋼渣性能分析

試驗(yàn)采用的鋼渣來(lái)自陜西龍門鋼鐵集團(tuán)，2018年以前，該集團(tuán)采用熱潑工藝進(jìn)行鋼渣處理，后由于環(huán)保及尾渣綜合利用要求，改為熱燜處理工藝。本文主要研究粉狀鋼渣（粒徑＜10 mm）和粒狀鋼渣（粒徑為10～25 mm）應(yīng)用情況，其化學(xué)組成和礦物成分見(jiàn)表1，與碳巖的技術(shù)性能對(duì)比見(jiàn)表2，鋼渣膨脹性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。

由表2可知，鋼渣物理性能符合規(guī)范技術(shù)要求［10］，同時(shí)其密度遠(yuǎn)大于石灰?guī)r集料，且壓碎值與磨耗值均小于石灰?guī)r，說(shuō)明鋼渣的物理力學(xué)性能要優(yōu)于石灰?guī)r，也更能說(shuō)明鋼渣作為集料可以用于道路工程中。

鋼渣10 d的浸水膨脹量如圖1所示，通過(guò)浸水膨脹量計(jì)算分別得到粉狀鋼渣平均浸水膨脹率為1.598%，粒狀鋼渣平均浸水膨脹率為1.305%，均滿足浸水膨脹率≤2%的要求［11］，這是因?yàn)樗娩撛鶠槎逊乓荒暌陨系年惢撛?，體積穩(wěn)定性良好，可以直接用于道路基層。

2" 混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1" 級(jí)配設(shè)計(jì)

根據(jù)鋼渣產(chǎn)地所處地理位置和當(dāng)?shù)毓方ㄔO(shè)情況，考慮將鋼渣主要用于二級(jí)及以下公路建設(shè)和廠區(qū)道路建設(shè)。選用C-B-3級(jí)配、PC32.5硅酸鹽水泥，水泥劑量為3.5%、4.0%；碎石采用石灰?guī)r碎石；鋼渣摻量分別為0、30%、45%、60%，其中30%、45%摻量的鋼渣均摻加粉狀鋼渣，60%摻量的鋼渣采用45%的粉狀鋼渣和15%粒狀鋼渣組成。由此得到4種不同摻配比例下的混合料級(jí)配，見(jiàn)表3。

水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層抗裂性能研究/武建民，赫海濤，武宇琦

2.2" 7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

采用靜力壓實(shí)法成型試件，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由于水泥劑量的增大會(huì)使基層收縮加劇，且更容易開(kāi)裂［12-13］，同時(shí)考慮工程的經(jīng)濟(jì)成本，在后續(xù)收縮特性研究中，選用3.5%的水泥劑量。

3" 收縮特性研究

3.1" 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm的中梁進(jìn)行。每個(gè)配合比成型9個(gè)試件，其中3個(gè)用于干燥收縮變形的測(cè)試，3個(gè)用于試件失水率的測(cè)試，另外3個(gè)用于溫度收縮變形的測(cè)試。將成型合格的試件放入養(yǎng)生箱中進(jìn)行恒溫恒濕養(yǎng)生7 d，再進(jìn)行干縮、溫縮試驗(yàn)。

3.2" 干縮試驗(yàn)

干縮系數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知：未摻加鋼渣的普通水泥穩(wěn)定碎石混合料29 d干縮系數(shù)為141.9×10-6，當(dāng)摻入30%、45%、60%鋼渣時(shí)，干縮系數(shù)分別降低了19.7%、43.3%、57.3%。這是因?yàn)殇撛械幕钚猿煞帜軌蚺c水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生體積膨脹，這部分膨脹能夠抵消部分混合料失水而引起的干縮變形，對(duì)干縮起到一定的“補(bǔ)償作用”［14-15］。隨著鋼渣摻量的增加，其活性成分與水反應(yīng)的量增加，可以抵消更多的干縮變形，從而使干縮系數(shù)降低，由此說(shuō)明鋼渣的摻入能明顯改善水穩(wěn)碎石混合料的干縮性能。

3.3" 溫縮試驗(yàn)

溫縮系數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知：相對(duì)于普通水穩(wěn)碎石的溫縮系數(shù)8.21×10-6，摻加鋼渣分別使得混合料溫縮系數(shù)增加9.6%、21.2%、29.8%。這是因?yàn)殇撛鼘儆跍囟让舾行圆牧希浔绕胀先缡規(guī)r有著較大的脹縮系數(shù)，同時(shí)其水化產(chǎn)物也具有較大的溫度敏感性，這使其在溫差一定時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的溫度收縮變形［16-17］。

3.4" 鋼渣摻量對(duì)基層整體抗裂影響分析

耿任山通過(guò)建立半剛性基層開(kāi)裂計(jì)算模型，提出了裂縫間距和裂縫寬度計(jì)算公式如式（1）、式（2）［18］所示，可以用來(lái)分析不同鋼渣摻量下水穩(wěn)碎石基層裂縫間距的變化情況，研究摻入鋼渣對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層整體抗裂性能的影響。為進(jìn)一步對(duì)比分析，引用單來(lái)等［19］的研究數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，其編號(hào)為SW4.5～SF，分別代表4.5%、5.0%和5.5%水泥劑量的水穩(wěn)碎石及二灰穩(wěn)定碎石；本研究以編號(hào)A1、A2、A3、A4分別代表鋼渣摻量0、30%、45%、60%，水泥劑量為3.5%的水穩(wěn)碎石，其回彈模量、抗拉強(qiáng)度均通過(guò)實(shí)測(cè)得到。同時(shí)，為了分析干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)變化對(duì)基層整體抗裂性能的影響，在A4數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加20%溫縮系數(shù)計(jì)算裂縫間距和寬度，編號(hào)為WZ；增加20%干縮系數(shù)計(jì)算裂縫間距和寬度，編號(hào)為GZ，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

L=1.5EHCxArchαtΔT+AαdΔω-αtΔT+AαdΔω--Xmaxζ（1）

w=2ζ（αtΔT+AαdΔω-）tanhL2ρ（2）

式中：L——裂縫平均間距（m）；

E——半剛性材料的回彈模量（MPa）；

αt——溫縮系數(shù)（10-6）；

αd——干縮系數(shù)（10-6）；

A——干縮松弛系數(shù)，一般取0.8；

ζ——可靠度水平，一般取0.95；

ΔT——溫差（℃）；

Δω-——失水率（%）；

H——基層厚度（mm）；

Cx——水平變形阻力系數(shù)，取0.06（MPa/mm）；

Xmax——半剛性基層容許應(yīng)變（10-6）；

w——平均裂縫寬度（mm）。

計(jì)算得到不同混合料類型的裂縫間距和裂縫寬度見(jiàn)圖4。

由圖4可知：

（1）相對(duì)于普通半剛性基層而言，一定量的鋼渣摻入會(huì)使基層的裂縫間距逐漸變大，當(dāng)鋼渣摻量為60%時(shí)，計(jì)算出的裂縫間距最大，因此可以認(rèn)為，摻入鋼渣使水泥穩(wěn)定碎石基層裂縫數(shù)量減少，提高了其抗裂性能。通過(guò)對(duì)比A4、WZ、GZ3組數(shù)據(jù)，當(dāng)溫縮系數(shù)增長(zhǎng)20%時(shí)，裂縫間距從A4的5.42 m減小到WZ的5.26 m，減小了3.04%；當(dāng)干縮系數(shù)增長(zhǎng)20%時(shí)，裂縫間距從A4的5.42 m減小到GZ的5.21 m，減小了3.87%。由此可見(jiàn)，摻入鋼渣后，裂縫間距受干縮作用較溫縮作用更顯著。

（2）摻入鋼渣后基層的裂縫寬度先增大后減小。由開(kāi)裂模型假設(shè)以及計(jì)算公式可知，基層裂縫寬度受回彈模量、干縮溫縮系數(shù)影響較大，因?yàn)锳1（不摻鋼渣）混合料回彈模量較小，而A2（鋼渣摻量30%）混合料因摻入鋼渣比例比較小，因此摻入鋼渣對(duì)A2干縮溫縮的“補(bǔ)償”作用小于回彈模量增加的作用，最終表現(xiàn)出A2回彈模量較A1大1.46倍，導(dǎo)致計(jì)算出的裂縫寬度變大。而隨著鋼渣摻入的增多，鋼渣對(duì)混合料干縮溫縮的“補(bǔ)償作用”開(kāi)始大于回彈模量增大的作用，因此當(dāng)鋼渣摻入量為45%、60%時(shí)，計(jì)算出的基層裂縫寬度開(kāi)始減小。對(duì)比A4、WZ、GZ 3組數(shù)據(jù)，當(dāng)溫縮系數(shù)增長(zhǎng)20%時(shí)，裂縫寬度從A4的1.34 mm增加到WZ的1.42 mm，增大了5.98%；當(dāng)干縮系數(shù)增長(zhǎng)20%時(shí)，裂縫間距從A4的1.34 mm增加到GZ的1.45 mm，增大8.21%。由此也可以看出，摻入鋼渣后，裂縫寬度受干縮作用較溫縮作用更顯著。與SW4.5～SF對(duì)比，本試驗(yàn)混合料類型A1～A4計(jì)算得到的裂縫寬度更大，這與試驗(yàn)所用材料溫度收縮系數(shù)關(guān)系較大，從表5可以看出，A1～A4類型的溫縮系數(shù)遠(yuǎn)大于SW4.5～SF類型，研究表明，材料溫縮系數(shù)越大，裂縫寬度就越寬［20］。

半剛性基層是瀝青路面的主要承重層，其整體性越好，對(duì)荷載的擴(kuò)散效果越好。因此，半剛性基層的裂縫間距越大、寬度越小，其整體性越好，能夠更有效地?cái)U(kuò)散荷載應(yīng)力，延長(zhǎng)路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。反之，其擴(kuò)散荷載效果會(huì)因裂縫間距小、寬度大而減弱，從而加劇更多裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。因此根據(jù)試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果，當(dāng)鋼渣摻量為60%時(shí)，其裂縫間距最大，裂縫寬度最小，基層抗裂性最好。

4" 結(jié)語(yǔ)

（1）由于鋼渣的水化作用及其優(yōu)良的物理力學(xué)性能，使摻入鋼渣的水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度有顯著的提高，采用3.5%的水泥劑量即可滿足二級(jí)公路基層的強(qiáng)度要求。

（2）鋼渣的摻入對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的收縮性能有著顯著的影響，相較于不摻鋼渣的混合料，摻入30％、45％和60％的鋼渣可以使29 d的干縮系數(shù)分別降低19.7％、43.3％和57.3％，溫縮系數(shù)則分別增加9.6%、21.2%和29.8%。

（3）通過(guò)計(jì)算裂縫間距和裂縫寬度，得出相較于不摻鋼渣的水穩(wěn)碎石基層，摻入30%、45%和60%的鋼渣時(shí)，可以使裂縫間距分別增大9.6%、21.2%和48.9%；摻入鋼渣使裂縫寬度先增大后降低，分別增加10.6%，減小1.4%和5.6%；3種劑量下，60%鋼渣摻量的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層抗裂性能最好。此外，裂縫間距、寬度受干縮作用比溫縮作用影響更顯著。

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20240312