水泥稳定钢渣碎石基层材料配合比设计及力学强度评价_王英帅.pdf

合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期105水泥稳定钢渣碎石基层材料配合比设计及力学强度评价王英帅（郑州路桥建设投资集团有限公司，河南郑州 450000）摘要：为有效利用钢渣力学性质，通过室内无侧限抗压试验、CBR 试验和浸水膨胀试验优选钢渣碎石级配，并设计水泥稳定钢渣碎石材料水泥剂量，研究钢渣掺量和养生龄期对水泥稳定钢渣碎石力学强度影响规律。研究表明，C 级配的钢渣碎石材料击实特性、CBR 和浸水膨胀率最优，水泥掺量 4%的级配钢渣碎石 7d 抗压强度满足公路工程基层抗压强度设计要求，且水泥掺量超过 4.0%时，抗压强度增长速率降低显著；养生初期，水泥稳定钢渣碎石力学强度随钢渣掺量增加呈线性提高；养生龄期超过 7d 时，钢渣掺量 80%的水泥稳定钢渣碎石力学强度最大；不同钢渣掺量的水泥稳定钢渣碎石力学强度在养生前期增长迅速，养生龄期超过 28d 时，抗压强度增速减缓。关键词：水泥稳定碎石；钢渣；基层材料；级配设计；路用性能中图分类号：U 416Mix Proportion Design and Mechanical Strength Evaluation of Cement Stabilized Steel Slag Macadam Base MaterialWANG Ying-shuai(Zhengzhou Road and Bridge Construction and Investment Group Co.,LTD,Zhengzhou 450000,Henan,China)Abstract:In order to eff ectively use the mechanical properties of steel slag,the steel slag crushing grade was selected through the indoor unconfi ned compressive test,CBR test and water immersion expansion test,and the cement dosage of cement stabilized steel slag crushed stone material was designed,and the infl uence of steel slag dosage and curing age on the mechanical strength of cement stabilized steel slag crushed stone was studied.The results show that the solidifi cation characteristics,CBR and immersion expansion rate of C-grade steel slag crushed stone materials are optimal,and the 7d compressive strength of the graded steel slag crushed stone with a cement dosage of 4%meets the design requirements of the compressive strength of highway base,and when the cement dosage exceeds 4.0%,the compressive strength growth rate decreases signifi cantly;In the early stage of age,the mechanical strength of cement stabilized steel slag crushed stone increases linearly with the increase of steel slag mixing;When the curing age is more than 7d,the cement stabilized steel slag crushed stone with 80%of the steel slag mixing has the greatest mechanical strength.The mechanical strength of cement stabilized steel slag crushed stone mixed with diff erent amounts of steel slag increase rapidly in the early stage of age,and when the curing age exceeds 28d,the growth rate of compressive strength slows down.Key words:cement stabilized crushed stone;steel slag;base material;gradation design;road performance目前，我国道路基层材料常用无机结合料稳定材料和级配碎（砾）石，其力学性质高、施工简便，但随生态环境保护力度逐渐增大，导致优质级配良好的砂砾石材料不断减少。同时，伴随我国工业化快速发展，工业废渣产量逐年增多，若废渣处治措施不当，大大降低了生态效益和经济效益1-2。因此，将工业废渣应用于道路工程建设中，不仅能有效防止生态环境污染破坏，也可实现工程绿色可持续发展。黄优等3研究表明，钢渣工程力学性能较好，适量钢渣掺量可改善水泥稳定碎石基层材料力学性能和干缩性能。吴军4研究表明，较高水泥掺量下，水泥稳定钢渣碎石材料击实特性提高，且力学强度满足规范要求。陶松等5研究表明，合适的稳定剂利于磷石膏在道路工程的应用。张向东等6研究了水泥稳定煤渣碎石基层材料的力学强度，水泥稳定碎石掺入煤渣后强度降低，适量的煤渣可用作基层填料使用。钱国平等7从力学强度论证了磷矿渣粉代替水泥稳定级配碎石基层材料的可行性。徐鸥明等8对比研究了粉煤灰、粒化高炉矿渣对水泥稳定碎石强度影响规律，发现粒化高炉矿渣改善水泥稳定碎石强度效果较优。黄浩9、陈云飞10等研究了未陈化钢渣在水泥稳定碎石基层中的应用效果，发现基层材料掺入 0.5%掺量硅灰和 40%掺量的未陈化钢渣，其强度满足规范设计要求。钢渣是常见的工业废渣之一，压碎值高、耐磨耗性好，且含有 C3S、C2S 等活性物质，但在实体道路工程应用案例较少，且钢渣中 f-CaO、f-MgO 等化学成分不稳定11-12，易发生膨胀，致使水泥稳定钢渣碎石材料中配合比设计存在变差。另外，不同炼钢技术致使钢渣成分不一，其应用在道路工程材料中具有一定局限性。鉴于此，笔者基于钢渣技术性质，通过室内无侧限抗压试验、CBR 试验和浸水膨胀试验优选钢渣碎石级配，结合水泥作者简介：王英帅，大学本科，高级工程师，主要从事道路工程专业工作。DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.034106王英帅 水泥稳定钢渣碎石基层材料配合比设计及力学强度评价稳定钢渣碎石无侧限抗压强度设计水泥剂量，并研究钢渣掺量和养生龄期对水泥稳定钢渣碎石力学强度影响规律，为推广水泥稳定钢渣碎石材料应用提供数据支撑。1 原材料与试验方案1.1 原材料1.1.1 钢渣钢渣粒径范围为 4.7531.5 mm，毛体积密度为 2.769 g/cm3，其物理性质见表 1，渣压碎值、针片状颗粒含量和软弱颗粒含量均满足公路工程集料试验规程要求。另外，钢渣化学成分主要为 CaO、SiO、MgO、Fe2O3，其中未陈化钢渣 f-CaO 和 f-MgO 含量分别为 5.657%、3.865%，陈化 6 个月钢渣 f-CaO 和 f-MgO 含量分别为1.326%、4.522%，说明钢渣 f-CaO 含量随陈化时间增加而不断减小，f-MgO 含量略微增加。按钢渣稳定性检测方法（GB/T 24175-2009）测定陈化 6 个月的钢渣浸水膨胀率为 2.12%，不满足钢渣用于道路基层的技术要求，即膨胀率 2%。表 1 钢渣物理性质Table 1 Physical properties of steel slag测试项目测试值陈化 0 个月钢渣陈化 6 个月钢渣压碎值/%16.518.2针片状颗粒含量/%0.040.06软弱颗粒含量/%1.32.11.1.2 集料集料选用石灰岩，粒径范围为 031.5 mm，技术性质见表 2。表 2 集料技术性质Table 2 Technical properties of the aggregate测试项目不同粒径的集料测试值04.75 mm4.759.5 mm9.519 mm1931.5 mm表观密度/(gcm-3)2.7922.7762.7862.790吸水率/%0.690.580.460.35针片状颗粒含量/%9.510.210.0含泥量/%0.30.30.30.21.1.3 水泥水泥选用 P.O42.5 级普通硅酸盐水泥，技术性质见表 3。表 3 水泥技术性质Table 3 Technical properties of cement项目细度/(m2kg-1)烧失量/%凝结时间/min 抗压强度/MPa 抗折强度/MPa初凝终凝3d28d3d28d测试值3620.916526228.553.24.38.1规定值3003.04560017.042.53.56.51.2 试验方案1.2.1 方案设计选用陈化 6 个月钢渣等体积替换碎石，通过室内击实试验、CBR 试验和浸水膨胀率试验，优选矿料级配，并基于水泥稳定钢渣碎石材料强度设计水泥掺量，研究分析钢渣掺量和养生龄期对级配钢渣碎石材料力学性能影响规律。试验中，拟水泥掺量为2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%，钢渣掺量为 0%、20%、40%、60%、80%、100%，养生龄期为 3、7、14、28、60、90、180 d。1.2.2 试件制备按级配钢渣碎石材料室内重型击实试验结果，采用静压法成型 150mm150mm 的试件。试件制备完成后，放入(202)、相对湿度 95%以上的标准养生室，养护至规定龄期。1.2.3 性能测试方法按公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTG E51-2009）中无侧限抗压试验、劈裂抗拉试验评价级配钢渣碎石材料力学性能。试验仪器选用液压伺服万能试验机 WAW-300B。2 配合比设计2.1 级配设计按 JTG/T F20-2015公路路面基层施工技术细则中底基层级配碎（砾）石级配设计要求，选用骨架密实型级配，级配钢渣碎石材料级配见表 4，C 级配粗集料质量比最大，Z 级配次之，钢渣与碎石体积比为 60：40。表 4 钢渣碎石材料级配Table 4 Steel slag crushed stone material grade级配类型通过下列粒径(mm)颗粒质量百分比/%37.531.526.519.016.013.29.54.752.360.075C10091.882.468.962.054.546.232.025.03.0Z10093.286.672.567.259.550.832.022.83.0X10096.590.580.572.664.555.232.020.53.02.2 物理力学特性级配钢渣碎石材料击实特性、CBR 和浸水膨胀率分别如图 1 图 3 所示。级配类型最佳含水率/%最大干密度/(gcm-3)最佳含水率最大干密度 级配类型CBR/%变异系数/%CBR变异系数 图 1 钢渣碎石材料击实试验结果 图 2 级配钢渣碎石 CBR 试验结果 Fig.1 Results of compaction test Fig.2 CBR test results of gradeof steel slag crushed stone material steel slag gravel 级配类型浸水膨胀率/%浸水膨胀率图 3 级配钢渣碎石浸水膨胀率试验结果Fig.3 Test results of steel slag gravel由图 1 图 3 可知：（1）C 级配的钢渣碎石材料最佳含水率最低，Z 级配次之，而钢渣碎石材料最大干密度呈相反趋势。这是因为粗集料比表面积较细集料小，吸水率偏低，从而粗集料质量比降低，级配钢渣碎石最佳含水率增大，最大干密度降低。（2）C 级配的钢渣碎石材料 CBR 最高，Z 级配次之。这是因为 C 级配的粗集料质量比高，结构具有较好的骨架嵌挤作用，承载能力提高。另外，C 级配的钢渣碎石材料 CBR 变异系数偏大，这与粗集料拌和不均匀及粗集料击碎相关。合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期107另外，不同级配的钢渣碎石材料浸水膨胀率均满足钢渣填筑道路基层要求，C 级配的钢渣碎石材料膨胀率最小，Z 级配次之。综上，由级配对钢渣碎石材料物理力学特性影响规律可知，C 级配的钢渣碎石材料性能相对较优。因此，笔者以 C 级配为基础，制备相应试件，研究水泥掺量对水泥稳定钢渣碎石材料力学强度影响规律。2.3 水泥掺量设计不同水泥掺量下水泥稳定钢渣碎石材料无侧限抗压强度如图 4 所示。试件养生龄期为 7d。水泥掺量/%无侧限抗压强度/MPa图 4 水泥掺量-水泥稳定钢渣碎石无侧限抗压强度关系Fig.4 The relationship between cement content and unconfined compressive strength of cement stabilized steel slag gravel由图 4 可知，随水泥掺量增加，水泥稳定钢渣碎石抗压强度逐渐增大，且水泥掺量超过 4.0%时，其增长速率显著降低。当水泥掺量 4.0%，水泥稳定钢渣碎石抗压强度随水泥掺量增加呈线性趋势增大，水泥掺量每增加 0.5%，其抗压强度提高 20.6%；当水泥掺量 4.0%，水泥掺量每增加 0.5%，其抗压强度提高不超过 4.9%。另外，水泥掺量 4%的级配钢渣碎石 7d 抗压强度为 5.64 MPa，满足公路工程水泥稳定碎石基层材料抗压强度要求（4.0MPa）。因此，笔者选用 4%水泥掺量，制备水泥稳定钢渣碎石试件，研究钢渣掺量和养生龄期对水泥稳定钢渣碎石力学性能影响规律。3 力学性能试验结果与分析3.1 无侧限抗压强度不同钢渣掺量及养生龄期下水泥稳定钢渣碎石材料无侧限抗压强度如图 5 所示。钢渣掺量/%无侧限抗压强度/MPa3d7d14d28d60d90d180d 养生龄期/d无侧限抗压强度/MPa0%钢渣掺量20%钢渣掺量40%钢渣掺量60%钢渣掺量80%钢渣掺量100%钢渣掺量 (a)钢渣掺量 无侧限抗压强度关系 (b)养生龄期 无侧限抗压强度关系图 5 水泥稳定钢渣碎石无侧限抗压试验结果Fig.5 Unlimited compressive test results of cement stabilized steel slag and gravel由图 5 可知：（1）养生初期水泥稳定钢渣碎石无侧限抗压强度随钢渣掺量增加呈线性提高，后随龄期增加，抗压强度与钢渣掺量关系曲线近似凸型抛物线，在钢渣掺量 80%时，其抗压强度取得峰值。这是因为钢渣掺量过大，钢渣内部活性物质发生物理化学作用，破坏既有稳定孔隙结构，从而其抗压强度不同程度降低。养生龄期前 7d，水泥稳定钢渣碎石抗压强度与钢渣掺量线性相关系数达到 0.99以上，钢渣掺量每增加 10%，水泥稳定钢渣碎石抗压强度提高 2.2%；养生龄期超过 7d，随钢渣掺量增加，水泥稳定钢渣碎石抗压强度提高幅度增大，在钢渣掺量 80%时，其抗压强度较水泥稳定碎石提高 17.5%以上。（2）不同钢渣掺量的水泥稳定钢渣碎石抗压强度和养生龄期关系曲线相近。养生初期，水泥稳定钢渣碎石抗压强度增长迅速，其中水泥稳定碎石 3、7 d 抗压强度约分别为其 28d 抗压强度的 35.5%、58.5%，水泥稳定钢渣碎石 3、7 d 抗压强度与其 28d 抗压强度的比值分别为 41.7%、62.6%；养生龄期超过 28d，抗压强度增速减缓，逐渐趋于稳定。这是因为养生初期水泥水化反应迅速，随龄期增加，水泥熟料不断被消耗，水泥稳定钢渣碎石结构趋于稳定，同时钢渣含有活性物质，生成具有胶结作用的水化产物随龄期增加逐渐增大，提高了钢渣碎石材料的承载性能。3.2 劈裂抗拉强度不同钢渣掺量及养生龄期下水泥稳定钢渣碎石材料劈裂抗拉强度如图 6 所示。钢渣掺量/%劈裂抗拉强度/MPa3d7d14d28d60d90d180d 养生龄期/d0%钢渣掺量20%钢渣掺量40%钢渣掺量60%钢渣掺量80%钢渣掺量100%钢渣掺量劈裂抗拉强度/MPa (a)钢渣掺量 劈裂抗拉强度关系 (b)养生龄期 劈裂抗拉强度关系图 6 水泥稳定钢渣碎石劈裂抗拉试验结果Fig.6 Split and tensile test results of cement stabilized steel slag gravel由图 6 可知，水泥稳定钢渣碎石劈裂抗拉强度和抗压强度变化规律一致，不同钢渣掺量的水泥稳定级配碎石养生初期抗拉强度增长迅速，养生龄期超过 28d，抗拉强度增长速率减小，逐渐趋于稳定值。养生龄期前 7d时，水泥稳定钢渣碎石抗拉强度随钢渣掺量增加呈线性趋势增长，钢渣掺量每增加 10%，其 3、7 d 抗拉强度分别提高 5.6%、4.7%；养生龄期超过 14d 时，水泥稳定钢渣碎石抗拉强度先增大后减小，在钢渣掺量 80%时，抗拉强度取得最大值，较水泥稳定碎石抗拉强度提高31.4%以上，且随养生龄期增加，钢渣掺量对水泥稳定钢渣碎石抗拉强度影响逐渐减小。4 结论（1）C 级配的钢渣碎石材料击实特性、CBR 和浸水膨胀率最优，且制备的水泥稳定钢渣碎石试件抗压强度与水泥掺量关系呈正相关，水泥掺量超过 4.0%时，抗压强度增长速率降低显著，且水泥掺量 4%的级配钢渣碎石 7d 抗压强度满足公路工程基层抗压强度设计要求。（2）养生初期，水泥稳定钢渣碎石无侧限抗压强度随钢渣掺量增加呈线性提高，养生龄期超过 7d 时，钢渣掺量 80%的水泥稳定钢渣碎石抗压强度最大，较水泥稳定碎石强度提高 17.5%以上；不同钢渣掺量的水泥稳定钢渣碎石抗压强度在养生前期增长迅速，养生龄期超过28d 时，抗压强度增速减缓。（3）不同钢渣掺量的水泥稳定钢渣碎石劈裂抗拉强度和抗压强度变化规律一致，养生初期抗拉强度增长迅108王英帅 水泥稳定钢渣碎石基层材料配合比设计及力学强度评价速，养生龄期超过 28d，抗拉强度增长速率减小；养生龄期前 7d 时，钢渣掺量每增加 10%，水泥稳定钢渣碎石材料 3、7 d 抗拉强度分别提高 5.6%、4.7%。参考文献1 乐群力.磷石膏对水泥稳定碎石基层性能影响研究J.合成材料老化与应用,2019,48(05):91-95,106.2 毛新亚.有色金属冶炼废渣在道路基层材料中的应用研究 D.辽宁:大连交通大学,2017.3 黄优,刘朝晖,柳力,等.钢渣-水泥稳定碎石性能及环境影响试验 J.长安大学学报(自然科学版),2021,41(05):43-53.4 吴军.水泥稳定钢渣碎石混合料力学性能发展规律研究J.公路交通科技(应用技术版),2017,13(07):152-154.5 陶松,苏亚兰,李杰,等.稳定剂对磷石膏作为道路填料性能的影响 J.交通科技,2012(03):107-110.6 张向东,任昆.水泥稳定煤渣碎石基层的强度与损伤特性 J.交通运输工程学报,2018,18(06):1-9.7 钱国平,蒋博,巨锁基.水泥稳定磷渣碎石混合料早期强度试验 J.中外公路,2016,36(01):254-257.8 徐鸥明,王士珩,白敏,等.粉煤灰与粒化高炉矿渣对水泥稳定碎石强度和收缩特性影响研究 J.广西大学学报(自然科学版),2019,44(02):509-515.9 黄浩.未陈化钢渣在水泥稳定碎石基层中的应用研究D.陕西:长安大学,2018.10 陈云飞,祝建华,周剑波,等.未陈化钢渣在水稳碎石基层的应用 J.筑路机械与施工机械化,2019,36(08):59-63.11 刘春,赵德强,张昺榴,等.钢渣对道路基层水泥水化产物的影响 J.武汉理工大学学报,2020,42(02):24-28.12 刘玉民,王兰,王玉.钢渣混合料用作道路基层材料工程应用研究 J.中外公路,2018,38(05):209-213.小，复合改性沥青居中。说明橡胶粉对于沥青混合料的水稳定性改善效果并没有 SBS 强，且在 SBS 改性沥青中加入橡胶粉还会一定程度削弱混合料的水稳定性能。由于 SBS 或橡胶粉加入沥青后增加了沥青的粘性，改善了沥青与矿料的界面粘结强度，防止水分进入油石界面而产生剥离破坏，从而改善了沥青混合料的抗水损害性能，但一般橡胶粉掺量会较大，难免会有部分橡胶粉颗粒与石料界面直接接触，导致油石界面的粘结效果变差，这可能是导致 SBS 改性沥青加入橡胶粉后水稳定性降低的原因，还需进一步研究。5 结论依托某高速公路中修工程，通过室内试验对路面原材料的检测及橡胶粉/SBS 复合改性沥青混合料的使用性能进行试验研究，主要得出以下结论：（1）通过常规试验检测原材料性能满足要求，并得出了橡胶粉和 SBS 改性剂的掺量宜为 20%和 4%。结合马歇尔方法并控制各项体积指标得到橡胶粉/SBS 复合改性沥青混合料的最佳油石比为 6.13%。（2）SBS 或橡胶粉对于改善沥青混合料的高温稳定性都具有很大作用，且橡胶粉/SBS 复合改性沥青混合料高温抗车辙性能更为明显。（3）从低温小梁弯曲试验发现，由于 SBS 在沥青中的三维网络结构状态以及橡胶粉固有的柔韧性，橡胶粉/SBS 复合改性沥青混合料的低温性能优势更明显。（4）通过浸水马歇尔、冻融劈裂试验得出，SBS 改性剂在混合料水稳定性方面比橡胶粉效果好，且橡胶粉对SBS改性沥青混合料水稳定性能具有一定的削弱作用。参考文献1 黄娟.高速公路沥青路面结构层层间粘接稳定性状态研究 J.合成材料老化与应用,2021,50(04):146-148,110.2 张志伟.再生沥青路面-粉煤灰地聚物作为可持续稳定路面材料 J.武汉理工大学学报,2022,44(02):7-14.3 张晓萌,胡超,朱世超,等.基于改扩建工程的路面温度场对沥青混合料动态模量影响规律 J.科学技术与工程,2022,22(04):1617-1626.4 樊娟.SBS 改性沥青混合料在高速公路路面维修扩建工程中的应用 J.中国公路,2021(02):108-109.5 王伟明,吴旷怀.冷拌冷铺沥青路面材料性能研究 J.公路,2022,67(01):58-62.6 贺果蒙,夏永,徐金玉.潮湿多雨地区沥青路面层间结构改善研究 J.合成材料老化与应用,2021,50(05):37-40.7 常艳婷,田丰.基于抗剪性能的城市道路沥青路面材料研究 J.粘接,2020,43(07):172-174,179.8 李超.废胶粉改性沥青混合料在高速公路施工中的应用 J.辽宁科技学院学报,2019,21(06):10-12,18.9 卞海洋,黄毅,郑炳锋,等.高速公路改扩建工程高模量沥青混合料路用性能研究 J.中外公路,2019,39(05):221-225.10 刘林林,卢勇,吴春颖,等.沥青路面用相变材料研究进展 J.化工新型材料,2021,49(S1):252-255,259.11 宋大伟.SBS 橡胶粉复合改性沥青混合料在城市小修改造中的应用研究 J.合成材料老化与应用,2021,50(02):70-72,42.(上接第 72 页)