钢渣对道路基层材料干缩性能的影响.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 17 日 作者简介：倪晓东（1985），男，满族，辽宁抚顺人，中级职称，本科学历，研究方向为钢铁冶金及科技管理。-136-钢渣对道路基层材料干缩性能的影响 倪晓东1 周永盛2 李法敬3 韩作宽1 1.抚顺新钢铁有限责任公司，辽宁 抚顺 113000 2.山东金晶科技股份有限公司，山东 淄博 255086 3.沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168 摘要：摘要：在国家提出的“碳中和”“碳达峰”的理念下，国家对增加固体废弃物资源综合利用的趋势明显增加。钢渣是钢铁企业炼钢生产的副产品，属工业废弃物，钢渣的循环再利用符合国家的发展趋势。目前，我国钢渣利用率较低、大量堆放等这些问题，都会导致环境严重污染。因此，将钢渣大规模地应用于道路建设等工程项目，对保护环境、节约资源都具有非常重要意义。以钢渣代替部分碎石应用在道路基层混合料时，需要对混合料进行级配设计。本文按照规范要求，基层混合料设计了骨架密实结构和悬浮密实结构两种密实结构，并分别制定了偏细、中等和偏粗的三条级配曲线。进而测试了其干缩性能，为钢渣掺入对道路基层材料收缩问题的影响规律提供了理论基础。关键词：关键词：钢渣；混合料；骨架密实结构；级配曲线；干缩性能 中图分类号：中图分类号：U414 为全球第一大铁矿石进口国和钢铁生产国1。在此背景下，钢铁工业迅猛发展的过程中，它所产生的工业废料钢渣，处理就成了一个棘手的问题。钢渣既污染环境又浪费资源。数据表明钢厂每产钢材 1 吨约产生钢渣 0.12t0.18t2。随着社会经济的不断发展和科学技术的不断进步，钢铁冶炼行业也取得了巨大的进步，但是随之而来的问题就是钢渣对环境带来了很大的影响3。将钢渣大规模地应用于道路建设等工程项目，对保护环境、节约资源都具有非常重要意义4。同时，由于四季气候的变化，道路基层材料可能会出现收缩裂缝的问题5。因此，除了考虑强度外，还要考虑基层材料的干燥收缩能力，较大的收缩变形会导致基层开裂，进而导致道路结构中的混合料的面层也会产生裂缝6。干缩试验主要是通过失水率、干缩应变和干缩系数这几个指标来考察材料的干缩性能。因此本文将对掺钢渣基层混合料进行干燥收缩测试，以此来评价钢渣的掺入对水泥稳定材料的影响规律。1 概述 1.1 原材料 钢渣：本试验所用钢渣均来自辽宁省抚顺新钢铁公司，该厂的钢渣所采取的处理工艺为热闷。对钢渣样品进行测试，其筛分结果与基本物理性能见表 1 和表 2 所示。水泥，选用的抚顺大伙房水泥公司生产的 P.O 42.5 水泥，其相关技术指标如表 3 所示。碎石采用当地普通碎石，其物理性能指标如表 4所示。表 1 钢渣的筛分结果 粒径/mm 26.5 19 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.075 通过率/%100 99.3 98.1 97.5 72.27 43.60 26.55 15.35 6.2 通过率/%100 98.1 96.5 96.4 66.3 36.80 25.9 13.3 4.1 通过率/%100 100 98.6 97.6 75.0 47.20 28.7 16.2 5.8 通过率/%100 98.6 97.7 97.3 72.4 44.60 25.5 13.6 3.96 表 2 钢渣的物理性能指标 粒径 表观密度(g/cm3)压碎值(%)含水率(%)针片状含量(%)9.5mm 3.353 6.03 0.7 3.48 4.75-9.5mm 3.423 0.7 2.36-4.75mm 3.43 0.8 0-2.36mm 3.28 1.11 中国科技期刊数据库 工业 A-137-表 3 试验所用水泥的技术指标 技术指标 细度（%）安定性（mm）凝结时间（min）抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）初凝 终凝 3d 28d 3d 28d 实测值 6.9 1.1 205 510 23.5 45.3 4.3 7.6 表 4 碎石的物理性能指标 粒径（mm）表观密度（g/cm3）堆积密度（g/cm3）压碎值（%）吸水率（%）针片状含量（%）5-25 2.8 1.56 14.56 1.13 8.26 2 配合比设计与击实试验 2.1 基层级配曲线的选择 本文依据 JTGT F20-2015 公路路面基层施工技术准则7进行级配曲线的比选，参照规范中推荐的用于高速公路和一级公路的水泥稳定碎石基层中的三条连续级配曲线 C-B-1、C-B-2 和 C-B-3。为了更直观地分析三条级配曲线之间的差异性，选取每条级配曲线的中值进行绘制和比较，如图 1 所示。图 1 三条级配曲线的级配中值对比图 观察图 1 中三个级配曲线的中值可以看到，C-B-2和 C-B-3 级配曲线使用的粗骨料比较多，细骨料分布也比较均匀，如果将这两条曲线对应的骨架密实结构应用在实际工程中，则其与水泥等形成的结合料则会形成一种非常稳定的体系，同时还会具有较高的强度。2.2 合成级配设计 依据公路路面基层施工技术准则进行级配曲线的比选，本文混合料的配合比设计选用骨架密实和悬浮密实这两种结构，每种结构拟设计偏细、适中、偏粗三条曲线，共计 6 条级配曲线。然后对钢渣进行筛分，其筛分结果、合成级配以及配合比设计。骨架密实结构和悬浮密实结构的合成级配图，如图 2、图 3所示。图 2 骨架密实结构的合成级配图 图 3 悬浮密实结构的合成级配图 考虑到抚顺新钢铁公司的钢渣粒径范围在 04.75mm 和 4.75mm9.5mm 占比高达 96%以上。所以本节将依据前面完成的配合比设计与实际情况相结合设计出可行的方案，在级配选用中，04.75mm 和4.75mm9.5mm 粒径范围的集料全部用钢渣进行代替，剩余的两档较粗的集料则使用天然石料。水的掺量则按照击实试验的要求拟设计 5%，6%，7%，8%，9%五个不同的含水量，水泥剂量则设计为 4%，5%，6%三个不同的掺量。然后进行平行试验以确定试件成型所需要的最佳含水量和最佳水泥用量。因此，各成分掺量的配合比方案设计为：依据规范中推荐的两种结构，每种结构设计偏粗、适中和偏细这三条曲线，共计六条曲线。每条曲线拟定上述 5个不同的含水量和 3 种不同的水泥剂量掺量，即每条曲线做 15 组击实试验，六条曲线共计 90 组击实试验。通过 90 组击实试验的完成，得到每条曲线对应的最佳含水量和最大干密度，用于后续强度和耐久性试验检中国科技期刊数据库 工业 A-138-测所需试件的成型工作。2.3 击实试验 选用乙法进行室内击实试验。两种结构，六条曲线，共 90 组试件的击实试验结果如图 4(a)(f)所示。（a）骨架密实结构（偏细）（b）骨架密实结构（适中）（c）骨架密实结构（偏粗）（d）悬浮密实结构（偏细）（e）悬浮密实结构（适中）（f）悬浮密实结构（偏粗）图 4 各级配的含水量-干密度曲线 通过观察图4中的六个不同的含水量-干密度曲线图，可以发现，在不同的结构和配比的情况下，最大干密度的值不同，且对应的最佳含水量也不同。最大干密度对应的试件成型所需要的最佳水泥含量，和最佳含水量，经过整理总结后，如表 5 所示。中国科技期刊数据库 工业 A-139-表 5 六条曲线击实试验的结果 结构 曲线 最大干密度（g/cm3）最佳含水量（%）最佳水泥含量（%）骨架密实结构 偏细 2.7 4.17 6 适中 2.583 5.04 6 偏粗 2.524 5.3 6 悬浮密实结构 偏细 2.823 4.8 6 适中 2.674 4.49 5 偏粗 2.683 5.7 6 2.4 试件的制备和养护 根据击实试验确定的每组方案试件成型的最佳配合比，来制作不同的混合料试件。所需要成型的干燥收缩的耐久性测试试件尺寸为 100100400mm 的梁式试件。根据最佳含水量及最大干密度混合料，混合料用塑料袋包装，经过 46h 闷料后，使混合料和水充分接触，拌和均匀后分三次加入到模具中，采用电动压力机静压成型，稳压 3min 后再静置 5h 左右对试件进行脱模操作，从而得到成型试件，避免因为过早脱模使没有足够强度的试件发生脱落现象。依据 JTG E51-2009 公路工程无机结合料稳定材料试验规程8中要求的，试样制备好以后脱模，对各试样进行了尺寸及质量测量，然后用塑料袋装好，边排除袋口空气边扎好袋口，包好试样置于养护室内。在一定条件下进行恒温恒湿养护。标准养护温度（202）C、湿度 95%左右。于指定养护龄期结束前1 天取出试件，称重量和量高，再把试样浸入（202）C 水中。实验当天，将试件取出，擦干，并称其重量，然后进行相关的性能测试。3 干燥收缩实验 干缩试验主要是通过失水率、干缩应变和干缩系数这几个指标来考察材料的干缩性能。因此本文将对混合料进行干燥收缩测试，以此来评价钢渣的掺入，对水泥稳定碎石材料的影响。3.1 失水率 试样失水率是试样日失水量和试样烘干后在恒重时失水量之比，图 5 为三种混合料的失水率随龄期的变化情况。由图 5 可明显地看出，试件失水率总体变化趋势是随时间延长逐渐降低。前 7d，失水率下降趋势较明显，特别是前 4 天。经过 7d，失水率变化趋势趋于平缓直至接近 0。这表明试件失水时间以前 7d 为主，试样处于饱和状态时，共出现 3 种耗水量：第 1 种情况为试件中部分水分和水泥持续水化反应，消耗部分水分；第 2 种情况是试件内掺入的钢渣还能和水发生化学反应；第 3 种情况是试件早期蒸发部分水。混合料内也会发生较多反应，所以失水率较高。图 5 试件的失水率随龄期的变化规律 7d 后，早期水化反应产生的 C-S-H 凝胶延缓了水在水泥和钢渣中的水化反应。因此，当 7d 以后处于晚期，失水率将逐渐减小，趋向平坦。而且，由图还可以看到，混合料 A 的失水率变化幅度最大，混合料 C 的变化幅度最小。这是因为从前期的击实试验中可以得到，钢渣掺量越多，混合料的最佳含水量也会越大。所以钢渣掺入的比例越大，试件内水分在相同时间内也将增加，所述钢渣表面呈多孔形，因此吸附了更多水，在这一自然状态下，混合料中水分蒸发还将进一步加剧，水分蒸发损失增加。3.2 干缩应变 针对骨架密实结构的三种混合料的试件测试的干缩应变随龄期变化情况如图 6 所示。由图 4 可以看出，随着龄期的增加，三组混合料的干缩应变都是一个逐渐减小的趋势，前期降低幅度较为明显，后期趋于一个平缓状态。这主要是因为，干缩应变与失水率有着较为密切的联系，试件的干缩一定程度上是由混合料失水导致的，因此干缩应变的曲线就与失水率的变化曲线有着较为相似的一个变化中国科技期刊数据库 工业 A-140-规律。这可能是因为随着钢渣掺入量的增加，钢渣的体积膨胀导致了试件干缩量值的变化幅度的减小。表明适量掺加钢渣对试样干缩应变有补偿作用。3.3 干缩系数 依据失水率与干缩应变的测试结果，计算三种混合料的干缩系数，并研究其随龄期的变化情况，结果如图 7 所示。图 6 试件的干缩应变随龄期的变化规律 由图 7 可以看出，试件干缩系数变化规律为随龄期增长逐渐增大的趋势，开始的几天增长速度较大，到了后期曲线变化趋于平缓。虽然混合料内部的水分蒸发等原因会导致混合料的干缩变形，但是钢渣本身有 f-CaO 和 f-MgO，CaO 和 MgO 遇水后变成 Ca(OH)2 和Mg(OH)2，引起体积膨胀，这无疑在一定程度上补偿了干燥收缩。有效的减少了混合料的干燥收缩，从而使路面的反射裂缝减少。图 7 试件的干缩系数随龄期的变化规律 4 结论（1）钢渣在钢渣-碎石混合料中对混合料的干缩性能起到了一定的抑制作用。骨架密实结构的三种混合料失水率及干缩应变均随时间增加逐渐降低，随着钢渣掺量愈大，失水率愈大，但干缩应变小。（2）干缩试验表明，钢渣体积有一定膨胀性，加入适量钢渣掺加到混合料中，可使混合料干缩形变有所降低，对于混合料干燥收缩有补偿作用。（3）水泥稳定碎石-钢渣混合料作为路面基层或底基层材料，可以有效减缓路面反射裂缝的形成，进一步增强路面耐久性。参考文献 1李博雅.钢铁企业套期保值的问题与对策研究D.天津:天津大学,2021.2吴龙,郝以党,岳昌盛等.钢渣资源化利用技术现况和探讨J.工业安全与环保,2016,42(09):99-102.3Motz H,Geiseler J.Products of steel slags an opportunity to save natural resourcesJ.Waste Management,2001,21(3):285.4严战友,舒玉,刘红峰.在钢渣中掺加粉煤灰作道路基层路用性能试验分析J.石家庄铁道大学学报(自然科学版),2010,23(03):90-93.5 陈勇 鸿,孙 艳华,高伏 良 等.水泥 稳定 钢渣 碎 石道 路基 层材 料干缩 性 质试 验研 究 J.公路 工程,2012,37(05):202-205.6曾梦澜,吴盛华,胡冰,孙艳华,龙劭一.水泥稳定钢渣-碎石路面基层材料试验研究J.湘潭大学自然科学学报,2011,33(01):2011.7李飞.JTGT F20-2015，公路路面基层施工技术细则M.北京:人民交通出版社,2015.8张波.JTG E51-2009,公路工程无机结合料稳定材料试验规程M.北京:人民交通出版社,2009.