学分查询2020年12月FLY ASH COMPREHENSIVE UTILIZATION Dec.2020
水泥稳定钢酗石林料工程性能试齣究
Experimental Study on Engineering Performance of Cement Stabilized Steel SI龍and Crushed Stone Materials
王道领
(驻马店市公路工程开发有限公司，河南驻马店463799)
摘要：为提高钢渣利用率，研究钢渣代替部分碎石对水泥稳定碎石材料的影响，按照骨架密实型级配设计水泥稳定钢渣碎石，通过力学性能、收缩性能试验评价水泥稳定钢渣碎石材料工程性能。研究表明：水泥稳定碎石掺60%钢渣后力学性能最优，抗压强度、劈裂强度和回弹模量较水泥稳定碎石分别至少提高7.0%、12.0%、26.3%；5%水泥掺量的稳定钢渣碎石强度和刚度良好，钢渣掺量60%时，前期失水率增长速率明显快于后期，且干缩应变与干缩系数降低，干缩系数降低量大于温缩系数增大量，抗裂性能得到改善。
关键词：路面基层；水泥稳定碎石；钢渣；力学性能；干缩性能；温缩性能
中图分类号：U416文献标识码：A文章编号：1005-8249(2020)06-0106-05
WANG Daoling
(Zhumadian Highway Engineering Development Co.,Ltd.,Zhumadian463799,China)
Abstract:In order to improve the utilization rate of steel slag,the influence of steel slag instead o£part of crushed stone on cement stabilized crushed stone material was studied,and the cement stabilized steel slag crushed stone was designed according to the den skeleton gradation.
Studies have shown that the cement-stabilized crushed stone mixed with60%steel slag has the best mechanical properties,which is at least
7.0%,12.0%,and26.3%higher than the cement-stabilized crushed stone compressive strength y splitting strength,and rebound modulus；the
amount of stable steel slag gravel has good strength and stiOness.When the steel slag content is60%,the growth rate of the water loss rate in the early stage is significantly faster than that in the later stage,and the shrinkage strain and shrinkage coefficient are reduced.The reduction of dry shrinkage coefficient is greater than the increa of temperature shrinkage coefficient,and the crack resistance is improved.
Keywords:pavement ba；cement stabilized macadam•steel slag;mechanical properties;dry shrinkage performance;temperature shrinkage performance
0引言
近年来，快速发展的交通运输行业促进交通量增长迅速，在交通荷载及外界环境影响下部分新建沥青路面在通车两年内出现裂缝，降低了沥青路面
作者简介：王道领(1976-)，男，本科，高级工程师，主要从 事道路与桥梁相关工作。
收稿日期：2020-01-13的使用质量和寿命⑴勺，而沥青路面裂缝的产生与基层材料的工程性能紧密相关
*句，基层材料的选择与设计已成为解决沥青路面病害问题的重要研究方向。伴随着我国生态环境保护力度逐步加大，合格的砂石材料难以满足工程建设需求，可我国工业行业每年产生的工业废渣有千万吨之多，其中钢渣占了较大的比例。目前，钢渣二次利用率低，除少量用于生产水泥，主要采用空地堆放的方式进行处理，严重破坏了生态环境⑺勺。研究表明，钢渣物理性质较碎石好且孔隙较多，同时钢渣含有氧化钙、二氧化硅等活性物质，与水发生化学反应，促进强度增
•106•
长切，为提高基层结构强度和抗裂性能提供了物质基础。对此，笔者选用钢渣代替水泥稳定碎石基层材料中部分碎石，进行配合比设计和工程性能评价，为工程应用提供数据支撑。
1试验材料与矿料级配
1.1试验材料
水泥选用普通硅酸盐水泥，强度等级为32.5，技术性能见表l o集料选用某矿区生产的石灰岩碎石，技术性能见表2。钢渣选用炼钢后的细渣，钢渣粒径主要在9.5mm以下，物理性能、化学性能、颗粒组成及钢渣粒径通过率见表3~表6。
表1水泥技术性能指标
Table1Technical performance index of cement
命口细度安定性凝结时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa /%/mm初凝终凝3d28d3d28d 测试值2.68 2.0521942614.6338.99 3.64&06规范值W10.0W5.0M45W600M11.0W32.5M2.5m5.5
Table2
表2粗集料技术性能指标
Technical performance index of coar aggregate
测试项目/mm
表观密度吸水率
/(g/cm3)/%
针片状颗粒
含量/%
压碎值
/%
19-31.5 2.7730.36 3.7-9.5-19 2.7760.51 6.114.8 4.75-9.5 2.7810.657.9-2.36-4.75 2.806 1.98--
Table3
表3细集料技术性能指标
Technical performanee index of fine aggregate
表观密度吸水率/(g/cm3)/%含泥量
/%
棱角性
/S
2.748 4.360.645.2
1.2矿料级配
水泥稳定钢渣碎石材料级配见表7。参照DB41/T864-2013《公路水泥稳定碎石抗裂设计与施工技术规范》中骨架密实型级配设计水泥稳定钢渣碎石材料级配，拟水泥掺量为3%、4%、5%、6%。
表7水泥稳定碎石材料级配
Table7Grading of cement stabilized macadam/%钢渣掺量/%-
碎石通过下列粒径(mm)的质量百分率
31.519.09.5 4.75 2.360.6
010094.664.642.823.112.0
2010095.765.750.427.414.3
4010092.667.752.830.616.5
6010089.874.170.937.218.2
801008&479.273.240.219.7
2研究方案
2.1方案设计
研究水泥掺量、钢渣掺量对水泥稳定钢渣碎石材料力学性能影响规律，并评价其耐收缩性能。
2.2试件制备及养生
按表6中水泥稳定钢渣碎石材料级配，采用静压法成型压实度96%的圆柱体试件和梁式试件。试件制
备完成后，用塑料袋进行包裹，放入(20土2)七、相对湿度95%以上的养护室养护7d。养护龄期最后一天放入水槽中。
力学试验试件尺寸为<|>150mmXhl50mm，干缩试验和温缩试验试件尺寸为100mmX100mmX400mm的小梁。
2.3力学性能试验
通过室内无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验和抗压回弹模量试验，研究水泥稳定钢渣碎石材料力学性能。无侧限抗压强度和劈裂强度选用WDW-
表4钢渣物理性质
Table4Physical properties of steel slag
项目
表观密度/(g/cm3)吸水率/%
-压碎值/%磨耗值/%针片状含量/%浸水膨胀率/% 2.36-4.75 4.75-16 2.36-4.75 4.75-16
测试值 3.284 3.246 1.65 1.2712.917.5 2.30.49
规范值M2.6W2W22W26W18W2
表5钢渣化学组成含量
Table5Chemical composition of steel slag/%
CaO MgQ 40.128?2?
Fe2O3A12O3SiO2
26.67^0214.51
M-Fe
0.72
T-Fe其他
3.66^09
表6钢渣粒径通过质量百分率
Table6Percentage of passing mass of steel slag particle size/%
]6mm13.2mm9.5m m 4.75mui 2.36mm 1.18mm0.6mm0.3m m0.15mm0.075mm 10095.486.653.726.916.410.9 6.8 5.2 3.4
・107・
2020年12月FLY ASH COMPREHENSIVE UTILIZATION Dec.2020 100微机控制电子万能试验机测定，加载速率为
lmm/min；回弹模量采用顶面法测定，仪器选用路面材料强度仪。劈裂试验中，压条宽度为18.75mm，弧面半径为75mm。
2.4干缩试验
参照JTG E50-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中干缩试验方法。试件浸水完毕后，擦干其表面水分并测定质量和长度。将试件固定于干缩试验装置，放于温度(20±5)七、湿度60%土5%环境中测定其收缩变形量。试验周期为14d，每隔Id记录试件收缩量和质量，计算失水率、干缩量和干缩系数。
2.5温缩试验
邢姓的来源
参照JTG E50-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中温缩试验方法，试验仪器选用路面材料收缩变形仪。试验中设置温度范围为-10%：-40七，按10T差值划分6个温度节点，每个温度节点下控制温度2h。试验结束后，计算温缩应变和温缩系数。
3试验结果及分析
3.1力学性能
水泥稳定钢渣碎石材料力学性能试验结果见图1，由图1可知：
(1)同一水泥掺量下，水泥稳定钢渣碎石材料无侧限抗压强度随钢渣掺量增加先增大后减小，在钢渣掺量60%处抗压强度最大，说明掺60%钢渣的水泥稳定碎石抗压性能最优。当水泥掺量W4%，钢渣掺量由0增加至60%，水泥稳定钢渣碎石材料抗压强度约提高了24.8%，但抗压强度不满足高速公路和一级公路重载交通路面基层材料抗压强度设计要求；水泥掺量由4%增加至5%，同一钢渣掺量下稳定碎石抗压强度显著提高，约32.5%，且抗压强度满足高速公路和一级公路重载交通路面基层材料抗压强度设计要求。这是因为钢渣表面多孔隙，混合料拌和成型中水泥颗粒易吸附聚集于钢渣孔隙内，导致前期水泥水化数量减少，从而水泥掺量较低时，水泥稳定钢渣碎石材料抗压强度较低，应用范围较窄。
(2)随钢渣掺量增加，水泥稳定钢渣碎石材料劈裂抗拉强度增长规律与抗压强度增长规律基本一•108•
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舉
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代—4%水泥掺量
-A-5%水泥掺量
I X6%水泥掺量]
20406080
钢渣掺量/%
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45
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圆明园的毁灭教学反思7
a
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(a)无侧限抗压抗压强度
0.95r
—♦—3%水泥掺量
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—
A—5%水泥掺量
I X6%水泥掺量
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钢渣掺量/%
(b)劈裂抗拉强度
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—>—3%水泥掺量
—4%永泥掺量
—A—5%水泥掺量
-K-6%永泥摻量
204060
钢渣掺量/%
(c)回弹模量
80
图1水泥稳定钢渣碎石材料力学性能试验结果
Fig.1Test results of mechanical properties of cement
stabilized steel slag macadam
致，60%钢渣掺量的水泥稳定碎石材料劈裂抗拉强度最大。钢渣掺量W60%，掺钢渣稳定碎石材料劈裂抗拉强度与钢渣掺量呈良好的线性关系，相关系数在0.98以上；不同水泥掺量的稳定钢渣碎石材料劈裂抗拉强度提高幅度相近，约14.1%，可见钢渣掺量对劈裂抗拉强度的提升效果小于抗压强度。另外，水泥掺量由5%增加至6%，掺钢渣稳定碎石材料劈裂抗拉强度增长效果较小，约6.4%。
这是因为过多
的水泥掺量导致稳定钢渣碎石材料收缩量增大，阻碍了强度的发展，从而劈裂抗拉强度提高不明显。
(3)同一水泥掺量下，钢渣掺量对稳定碎石材料回弹模量影响规律与劈裂强度一致，钢渣掺量W 60%，回弹模量随钢渣掺量增加呈线性增长，且增长速率相近，钢渣掺量增加10%，回弹模量约提高3.8%，可见钢渣掺量对水泥稳定钢渣碎石材料刚度影响较小。
综上可知，4%水泥掺量的水泥稳定钢渣碎石材料抗压强度较低，应用于道路工程基层范围较窄；而水泥掺量由4%增加至5%，无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度和回弹模量提高效果明显。同时，60%钢渣掺量的混合料无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度和回弹模量最优。因此，笔者以水泥掺量5%、钢渣掺量60%的稳定钢渣碎石材料开展干缩试验和温缩试验研究。
3.2干缩性能
水泥稳定钢渣碎石材料干缩试验结果见图2，由图2可知：
(1)水泥稳定碎石掺钢渣前后失水率随时间变化规律一致，前期失水速率大于后期，9d失水率约占14d失水率的95%。说明水泥稳定碎石材料在9d 失去大部分水，是因为水泥稳定材料养护7d后，水泥水化反应未停止，在饱水状态下继续反应，消耗一部分水分；而随着时间延长，水泥水化速度逐渐变缓，
水化反应所需的水减小，从而前期失水量大于后期。另外，同一观测时间下，水泥稳定钢渣碎石材料失水率大于水泥稳定碎石失水率，且随时间延长，两者差值逐渐增大，这是因为钢渣含有氧化钙等活性物质且表面孔隙较多，使得同一时间下消耗水分较多。
(2)时间对水泥稳定材料干缩应变和干缩系数影响规律一致。随时间延长，干缩应变和干缩系数逐渐增大，时间超过9d后，其增长曲线平缓；掺钢渣稳定材料干缩应变与干缩系数显著低于未掺钢渣稳定材料的，且两者之间差距随时间延长逐渐扩大，说明水泥稳定碎石材料掺入钢渣后，抗裂性能明显改善。
3.3温缩性能
水泥稳定钢渣碎石材料温缩试验结果见图3，由图3可知，水泥稳定碎石材料掺钢渣前后温缩系数
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—4—5%水泥掺量
—60%钢渣掺量+5%水泥掺量
35791113
干缩时间/d
(a)失水率
♦5%zK•泥掺量
-60瘾渣掺量F5%水泥掺:
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干缩时间/d
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(b)干缩应变
10—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I
0123456789101112131415
干缩时间/d
(c)干缩系数
图2水泥稳定钢渣碎石材料干缩试验结果
Fig.2Dry shrinkage test results of cement stabilized steel
slag macadam
随温度变化规律一致，在10T处温缩系数最小；在40七~30T内降速最快，在30七~10七内降速减缓。同一温度下，5%水泥掺量的稳定碎石材料掺入钢渣后，温缩系数增大，平均温缩系数为9.5x10"/
*,
且随温度降低，掺钢渣与未掺钢渣的试件温缩系数差值逐渐减小。而研究表明，水泥稳定碎石基层开裂主要原因是干燥收缩导致，根据水泥稳定钢渣碎石材料干缩试验结果，同一材料干缩系数远大于温
•109
•
2020年12月
FLY ASH COMPREHENSIVE UTILIZATION
Dec. 2020
缩系数，且水泥稳定碎石材料掺钢渣后干缩系数降
低，降低了干缩应变量。所以，水泥稳定碎石材料
中掺入钢渣，其抗裂性能提高。
图3水泥稳定钢渣碎石材料温缩试验结果
Fig. 3 Temperature shrinkage test results of cement stabilized
steel slag M acadam
4结论
通过对水泥稳定钢渣碎石材料工程性能进行试
验研究，得到以下结论：
(1)同一水泥掺量下，掺60%钢渣的水泥稳定 碎石力学性能最优，较水泥稳定碎石抗压强度、劈
裂强度和回弹模量分别至少提高了 7.0%、12.0%、 26. 3% ； 5%水泥掺量的水泥稳定钢渣碎石材料具有 足够的强度和刚度，在道路基层中应用范围广。
(2)水泥稳定钢渣碎石材料抗裂性能提高，较 未掺钢渣水泥稳定碎石材料失水率大，干缩应变和
干缩系数小；水泥稳定钢渣碎石材料掺钢渣前后温
缩系数随温度变化规律一致，且干缩系数降低量小 于温缩系数增大量。
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