水泥稳定钢渣-砾石混合料的路用性能研究.pdf

文章编号:():./.水泥稳定钢渣砾石混合料的路用性能研究李永伟刘尊青俞海明(.新疆农业大学交通与物流工程学院 乌鲁木齐市.奇台县交通运输局 昌吉回族自治州.新疆中合大正冶金科技有限公司 乌鲁木齐市)摘 要:新疆公路建设飞速发展加速资源消耗冶金炼钢产生的钢渣排放量增多 文章通过集料的级配设计、混合料掺量确定、抗折、抗压强度及劈裂强度等多项试验配制钢渣掺量分别为、和 的三组骨架密实型混合料在水泥剂量分别为 和 时通过测定试件强度认为 掺量的钢渣和 剂量的水泥为合理区间 此后通过干缩试验进一步验证上述结论确定混合料最优设计为:的钢渣、的砾石和 的水泥 此类型骨架密实型混合料铺筑的半刚性基层其强度、抗裂性等路用性能良好满足高等级公路半刚性基层建设要求 关键词:道路工程水泥稳定钢渣砾石混合料半刚性基层路用性能中图分类号:文献标识码:基金项目:自治区级大学生创新项目“钢渣在公路水稳层的应用”()引言 年末新疆高速(一级)公路总里程突破成为新疆快速发展的基石 新疆多数高速公路基层使用水泥稳定砾石混合料砂石等资源消耗巨大 乌鲁木齐的乌拉泊地区和头屯河沿线因挖砂取石生态环境受创程度较高 钢铁业作为新疆支柱性产业每年排放钢渣超过 万吨却难以有效利用不利于生态环境的可持续发展 钢渣在半刚性基层的应用现状李瑞雪认为钢渣筑路的资源效益最高特别是钢渣混凝土的综合效益高于其他资源化途径 龚耀认为水泥稳定碎石混合料内加入钢渣后能显著改善弹性模量亦能降低干缩系数他提出配制混合料时应选用细型骨架密实级配并结合 抗压强度进行决策 郑武西研究钢渣在水泥稳定基层的应用证实钢渣的各项性能指标比普通碎石更加优异掺入钢渣的水泥稳定碎石基层的力学性能也比普通水泥稳定碎石基层更加优良 解英明等人研究了热闷渣在乌鲁木齐市 小学和八钢“三供一业”等市政道路中的应用上述工程部分路段使用掺入钢渣的混合料铺筑半刚性基层工程竣工后的相关研究表明使用钢渣能显著降低成本简化工艺缩短工期并减少路面病害工程、经济和环境效益提升明显 提高钢渣路用性的方法.选用合适的成渣工艺李云云等认为国内主要成渣工艺有热泼、热焖、滚筒、风淬、水淬和盘泼六种其中前三种是主流工艺 除热泼法和盘泼法外其余工艺处理的钢渣稳定性较好 新疆地区使用最多的是热闷法和滚筒法得到的钢渣易用安定性、粒径和级配良好适合替代砾石形成骨架密实型级配用于半刚性基层.改善钢渣的安定性钢渣内的 (游离氧化钙)和 (游离氧化镁)水化活性不佳当其他胶凝物质完成水化且浆体固化成型后两者仍然继续水化且分别在生成()(氢氧化钙)和()(氢氧化镁)的过程中体积急剧膨胀会破坏已基本成型稳定的水泥浆体 磨炼同等人认为钢渣体积膨胀受 的分布、含量及钢渣粒径的影响而控制 年 第 期 北方交通好钢渣近表面 含量更重要吴少鹏等人认为钢渣处于高温熔融态时即可使用滚筒法和热闷法处理或者添加粉煤灰等调质组分 钢渣固化成型后还需要进一步处理一是应用水热陈化、蒸汽加压等方法促进 水化二是应用如外掺硅粉等无机改性剂或掺入有机硅等有机改性剂阻断 水化三是使用弱酸溶液的酸碱中和法、微硅粉等混合料的掺合料法消除 郑琪等人使用了蒸压技术和复合改性剂不仅 和 消解效果显著还实现了两种物质的活性化利用.激发钢渣的活性邹敏等人认为主流方法有 种 一是物理(机械)激发即通过破碎、粉磨等方式提高钢渣比表面积来增强反应效果 二是化学激发包括酸性激发和碱性激发碱性激发即使用碱金属的硅酸盐、碳酸盐等材料为钢渣水化创造碱性环境而一些碱性激发剂还能提高钢渣的早期水化活性酸性激发的机理是利用适量的酸中和体系中的部分碱性物质促进未水化钢渣进一步溶解水化 三是复合激发即将上述激发方法联合使用从而获得更好的效果 钢渣的基本性质.物理性质样品来自八钢钢渣颜色为黑色表面粗糙且多孔棱角性较好其外观类似于块状水泥熟料 从表 试验筛分数据可知 钢渣的粒径主要分布在.适合代替部分砾石并形成骨架密实型级配 根据相关规范 检测样品的物理性能所得数据见表 钢渣的放射性检测数据见表 根据相关规范检测浸出物浓度数据见表 系列数据表明钢渣多项物理性能指标符合规范要求初步具备应用于高速公路半刚性基层的条件表 试验筛分数据筛孔尺寸/.通过率/第 组.第 组.平均值.化学成分钢渣的成分数据见表 其中 含量最高亦是钢渣呈现碱性的原因 由碱度值计算公式 表 钢渣物理性能试验结果试验项目试验结果规范要求压碎值/.吸水率/.表观相对密度.压碎值/.吸水率/.表观相对密度.坚固性/洛杉矶磨耗值/.软弱颗粒含量/.混合料针片状颗粒含量/表 钢渣放射性检测放射性核素比活度新渣陈渣规范要求.内照射指数.外照射指数.表 钢渣浸出物浓度检测组分实测值/(/)限值.()()()评价钢渣的凝胶活性样品碱度值一般大于.属活性较高的高碱度钢渣有助于提升混合料强度 检测钢渣的活性指数发现 和 活性指数分别为 和 符合相关规范中 和 的要求 钢渣的主要矿物组成为(硅酸二钙)与(硅酸三钙)、()(氢氧化钙)以及 相(以、为主的金属氧化物固溶体)、是钢渣胶凝性的主要来源也是提高混合料强度的重要成分 水泥稳定钢渣混合料设计研究.集料级配设计骨架密实型级配能通过骨架嵌挤提高基层整体强度并预留空间缓解钢渣微膨胀故配制此级配类型的混合料 对钢渣进行 的膨胀检测得到钢渣及钢渣混合料的膨胀率分别为.和.满足相关规范不大于.的要求 设计钢渣的掺北方交通 年 第 期表 钢渣主要成分成分/热闷法第 组.第 组.第 组.平均值.热泼法第 组.第 组.第 组.平均值.量分别为、和 三组混合料的级配设计数据见表 表 水泥稳定钢渣混合料级配设计筛孔尺寸/.砾石钢渣.规范要求 .钢渣及水泥掺量的确定在级配设计的基础上将混合料均分为 份分别掺入 和 的水泥得到 组混合料后制成相应试件并检测强度数据见表 表 不同钢渣及水泥掺量试件的强度单位:水泥量钢渣掺量钢渣掺量钢渣掺量.水泥剂量相同时钢渣掺量为 时试件强度均表现最高而从 增加到 的过程中混合料强度有所回升当水泥剂量为 时混合料整体强度更高.混合料的路用性能研究.抗折及抗压强度半刚性基层作为主要承重结构其抗折及抗压强度至关重要 混合料击实试验数据见表 表 击实试验数据钢渣掺量最佳含水量/最大干密度/(/).钢渣掺量为 时试件的最佳含水量和最大干密度趋于稳定以此制作试件并测得 强度数据见表 由表 可知试件 无侧限抗压平均强度高达表 无侧限抗压强度单位:第 组第 组第 组第 组第 组第 组强度.平均强度.基本满足高速公路在极重和特重交通荷载等级下基层 无侧限抗压强度为.的要求 此外将钢渣与普通水泥、超级水泥按照 强度拌和混凝土其水灰比为.得到掺入普通水泥试件的 抗折强度为.抗压强度为.掺入超级水泥试件的抗折强度为 抗压强度为.劈裂强度无机结合料稳定材料的抗拉强度远不及抗压强度路面受交通荷载发生弯拉破坏较普遍故设计此试验 各混合料不同龄期的劈裂强度数据见表 表 劈裂强度试验结果水泥剂量钢渣掺量 强度/强度/强度/.水泥剂量为 和 混合料的劈裂强度分别见图 和图 图 水泥为 混合料的劈裂强度水泥剂量和养护龄期相同时混合料的劈裂强度与钢渣掺量和水泥剂量均呈正相关钢渣掺量和养护龄期相同时水泥含量较高的混合料强度更大水泥剂量和钢渣掺量一定时混合料劈裂强度随养护龄期增长而增大 例如保持水泥剂量 不变钢渣掺量为和时龄期从 增加到 年 第 期 李永伟等:水泥稳定钢渣砾石混合料的路用性能研究图 水泥为 混合料的劈裂强度再到 的过程中 劈裂强度的增长率分别为 和.和.钢渣对提升混合料前期强度效果一般提升后期强度缓慢且持续结合上述试验结果初步得出结论:钢渣的合理掺量应为 提升水泥剂量对混合料强度提升有帮助.干缩性能干缩是半刚性基层主要破坏形式之一 干缩裂缝是在混合料拌和并摊铺压实后其内部因水分蒸发和水化反应导致水分含量下降而收缩开裂参照前期击实试验数据配制混合料制作试件后标准养护最后进行干缩试验 试验测得混合料的失水率与龄期关系变化趋势见图 图 失水率与龄期关系变化趋势 由图 可知随着龄期增长不同钢渣掺量的混合料的失水率均呈现下降趋势 分析失水率降低原因 陡降是因为水化反应消耗大量水分此后趋于平缓是由于残存水分较少且钢渣被前期水化反应的生成物裹附难以继续发生反应 同一水泥剂量时钢渣掺量越大失水率则越大钢渣占比等量时提高水泥剂量则失水率升高干缩应变与龄期变化趋势见图 图 干缩应变与龄期变化趋势 由图 可知干缩应变速度随龄期增长而递减初期陡降后期趋于平缓与失水率变化规律相似干缩应变和失水率的变化规律表现为正相关水泥剂量相同时提高钢渣掺量可降低干缩应变表明钢渣有助于缓解干缩现象干缩系数与龄期变化趋势见图 由图 可知干缩系数随龄期推移呈上升趋势初期速度较大后期趋于平缓 水泥剂量一定时随北方交通 年 第 期图 干缩系数与龄期变化趋势着钢渣掺入比例的增加混合料的干缩系数会明显降低而在同等钢渣含量下增加水泥剂量时则会小幅度增大混合料的干缩系数混合料干缩系数数据见表 控制水泥剂量为 钢渣掺量由 增加至 时干缩系数降低总量达到.下降总幅度高达 控制水泥剂量为 当钢渣掺量从 增加到 时干缩系数减少总量达到.下降总幅度高达.可见掺入适量钢渣能降低干缩量 原因是混合料内部水分蒸发会导致混合料产生干缩变形但可通过钢渣与水反应产生体积的微膨胀来缓解以此减轻混合料干缩表 不同钢渣掺量水泥稳定钢渣砾石混合料干缩系数()水泥剂量钢渣掺量钢渣掺量钢渣掺量.综上结合击实试验与干缩性能研究结果水泥剂量增加不仅会提高最佳含水量且在降低最大干密度的同时会导致混合料干缩抗裂性变差因此控制好水泥用量有利于提高混合料抗裂能力 此外混合料拌和时使用振动搅拌可提升混合料分布均匀度和路用性能 混合料更易压实 节约水 泥用量 结论综合来看热闷渣具备应用于高速公路半刚性基层建设的性能条件 由 左右砾石、钢渣、水泥配制的骨架密实型混合料铺筑的半刚性基层其强度、抗裂性能等多项路用性能表现良好参考文献 李瑞雪.钢渣混凝土发展的技术及经济评价研究.成都:西华大学.龚耀.水泥稳定钢渣 碎石设计与路用性能试验研究.长沙:长沙理工大学.郑武西.钢渣在水泥稳定碎石基层中的应用研究.西安:长安大学.解英明赵友权赵旭章等.钢渣混合料在城市道路改造中的应用.新疆钢铁():.李云云倪文李佳等.滚筒渣与热闷渣基础性能研究.哈尔滨工业大学学报():.磨炼同林顺孟秀元等.钢渣体积膨胀特性研究与胀裂模拟.中国公路学报():.吴少鹏崔培德谢君等.钢渣集料膨胀抑制方法及混合料体积稳定性研究现状.中国公路学报():.郑琪张玉婷赵风清.蒸压建材生产过程中钢渣安定性处理与活性化利用.化工进展():.邹敏沈玉刘娟红.钢渣粉在水泥基材料中应用研究综述.硅酸盐通报():.中华人民共和国交通部.公路工程集料试验规程:.北京:人民交通出版社.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.道路用钢渣:/.北京:中国标准出版社.中华人民共和国交通运输部.公路路面基层施工技术细则:/.北京:人民交通出版社股份有限公司.国家环境保护总局.固体废物 浸出毒性浸出方法 醋酸缓冲溶液法:/.北京:中国环境科学出版社.史志新刘锦燕王春梅.不同碱度钢渣显微形貌及物相变化分析研究.冶金分析():.中华人民共和国交通运输部.公路沥青路面设计规范:.北京:人民交通出版社股份有限公司.年 第 期 李永伟等:水泥稳定钢渣砾石混合料的路用性能研究 张振兴张良奇.振动搅拌技术在路面水稳基层施工中的应用.筑路机械与施工机械化():.(.).:.(上接第 页)(.).:.北方交通 年 第 期