钢渣在半刚性基层材料中的应用研究

　　摘要：文章叙述了钢渣用于二灰钢渣基层和水稳钢渣基层时的质量控制、施工工艺、路用性能和强度形成机理。文章指出了钢渣用作二灰钢渣和水稳钢渣基层的半刚性材料，具有无侧限抗压强度高，特别是早期强度高、回弹模量高等力学性能特点，工程造价低、施工方便，有利于环境保护。最后还指出了钢渣作为半刚性基层材料的推广范围。

 

　　关键词：钢渣；半刚性基层材料；二灰钢渣；水泥

 

　　0前言

 

　　半刚性材料是用水硬性结合料（如水泥、石灰、粉煤灰）处置的材料，主要在道路基层中使用，与柔性材料相比，具有较大的强度、刚度，较好的水、温稳定性和板体性，更适合于高等级道路。国外对半刚性材料的研究始于50、60年代，80年代才在我国逐步推广使用。

 

　　随着人们环保意识的不断提高，工业废料的开发利用日益得到重视，转炉钢渣越来越多地用作半刚性路面中基层材料的骨料。钢渣筑路的主要技术特点是充分利用了钢渣的胶凝性、微膨胀性，尤其与石灰、粉煤灰结合更加改善了三者的技术性能，提高了材料的稳定性。由于半刚性路面具有强度高、板体性好的特点，已成为我国道路建设的首选路面结构形式。环保型、高强度型是道路基层的发展趋势，钢渣作为道路基层材料，正满足这种要求。钢渣作为集料用于半刚性基层材料，我们可以根据结合料的不同将其分为二灰钢渣和水稳钢渣。

 

　　1 二灰钢渣基层材料

 

　　二灰钢渣的应用研究目前在全国范围内展开，二灰钢渣在北京的应用已初具规模。众多的应用研究已经为二灰钢渣的品质要求、施工工艺、路用性能提供了依据。

 

　　1.1品质要求

 

　　钢渣代替石料，安全而经济地用于道路工程建设，将大大降低道路工程建设的费用，另一方面也增加钢铁企业的经济效益。

 

　　道路工程对石料的基本要求包括：1）力学性能满足荷载要求；2）气候稳定性及化学稳定性良好；3）稳定的施工性能。国内外资料表明，道路工程尤其注意路用钢渣的稳定性，常规路用石料为随地球的演变而自然形成，其化学性能与耐久性能较稳定；而钢渣具有粉化膨胀的特性，随意取用易引起道路的膨胀开裂，危害较大。

 

　　《钢渣石灰类道路基层施工及验收规范》（CJJ35-90）中规定钢渣必须分解稳定，粒径符合规定，具有规定的强度。其游离氧化钙含量应小于3%,最大粒径不大于50mm,前期渣不得单独使用，应采用堆积一年以上陈渣；《钢渣混合料路面基层施工技术规程》（YBJ230-91）中对钢渣有明确要求：筑路用钢渣为经过陈化或其他方法处理已经稳定的钢渣，其粉化率测定值的波动上限应不超过5%,应清除垃圾和有害物质（如废镁砖等）。张亮亮也对钢渣作为路面基层材料的品质要求做了专门研究。他特别对各大钢厂的钢渣的压碎值进行了测试，发现国内绝大部分钢厂钢渣的压碎值指标低于30%,完全适合各类道路的基层和底基层。

 

　　1.2施工工艺

 

　　刘红堂通过大量的工程实践设计出了一套比较典型的二灰钢渣基层的施工工艺。主要包括配比、拌合、试铺、摊铺及平整、碾压、养生等几道工序。其中拌合采用场拌法施工。其施工工艺较易掌握，且便于抢工期、赶进度，特别是在雨季时，优点十分明显，雨后天晴，二灰钢渣基层一般可马上进行铺筑，不会像石灰土那样长时间等待，或进行翻晒处理。

 

　　1.3路用性能

 

　　通过对不同含水量的试件进行重型击实试验，得出最大干密度、最佳含水量以及最佳配合比，并进行了其他路用性能测试。通过在宝钢三期工程道路基层、石家庄市城市主干道中华大街道路改建工程、首钢钢渣、马钢钢渣应用工程以及安徽境内多条国道的大量应用中发现，二灰钢渣道路基层具有优良的路用性能。

 

　　一系列的试验和实践表明，二灰钢渣的7d和28d无侧限抗压强度高于设计标准，而且后期还有较大幅度的增长，抗弯拉强度和弯拉回弹模量都能满足道路的要求。钢渣试验路基层整体回弹弯沉在60d龄期时的测定值远远低于设计要求的指标，试验路基层的承载力很高。

 

　　朱珍芳发现二灰钢渣28d抗压强度、回弹模量均高于石灰土和二灰土，略低于二灰碎石。随着龄期的增长，二灰钢渣的后期强度增长显著，180d抗压强度、回弹模量达到甚至超过二灰碎石。可见钢渣与二灰结合能力强于碎石，二灰钢渣具有良好的路用性能，可在各等级道路基层中应用。

 

　　郝培文还研究了石灰粉煤灰钢渣的收缩冻融性能，考查二灰钢渣半刚性路面基层的可能性。研究表明，二灰钢渣具有较好的力学性质、抗冻性和收缩性能，是优质的基层材料。石灰粉煤灰钢渣在-10~-15℃区间内具有较大温缩系数。当石灰粉煤灰钢渣含水量为最佳含水量的1/10时，其干燥收缩系数出现峰值。

 

　　谭鹏研究了二灰钢渣基层的疲劳性能，得到了一些有价值的结论，并结合试验提出了减小钢渣粉煤灰疲劳寿命变异性的几种措施。

 

　　2 水稳钢渣

 

　　2.1水稳钢渣强度形成机理

 

　　肖常青、朱晗等人对水泥粉煤灰稳定钢渣作为公路底基层进行探讨研究，分析了水稳钢渣基层强度的形成机理。

 

　　水泥粉煤灰稳定钢渣混合料中，钢渣本身具有一定的级配，钢渣颗粒形成骨架密实结构。由于钢渣本身强度很高，钢渣骨架具有一定的强度。在钢渣颗粒之间，水泥是活性结合料，在水环境下进行离子交换反应、Ca(OH）₂的结晶反应、火山灰反应等物理化学反应。粉煤灰的主要作用是提供火山灰反应所需要的活性氧化硅和氧化铝，在水泥和碱性物质作用下活性被激发，促进火山灰反应的进行。随着龄期的增长，水泥、粉煤灰在混合料中的交结作用日益显著，同时火山灰反应生成的产物进行聚合，使钢渣颗粒间形成混乱的空间网状连接，且连接强度和刚度增强，从而使水泥粉煤灰稳定钢渣具有很高的强度。[Page]

 

　　2.2水稳钢渣基层的施工工艺

 

　　司国权、朱晗等经过大量的试验和考查提出了水稳钢渣的成熟施工工艺。基本程序是：准备下承层——施工放样——钢渣、粉煤灰、水泥、水掺配和拌和——混合料运输、混合料摊铺——整形——碾压——养护——接缝和调头处的处理——检测。

 

　　施工过程中需要作好几个方面的质量控制：

 

　　1）原料质量控制

 

　　王晓明、胡钊芳、许水才等人通过总结实践经验，对水稳钢渣基层的原料提出了要求，特别是钢渣的材质进行了严格的限定。他们认为钢渣颗粒应在5cm以下，且要求存放时间在5年以上，需要对钢渣进行陈化与堆场管理。

 

　　2）合适的级配

 

　　用于道路基层时必须考虑合适的级配，使钢渣内的空隙恰好能被游离氧化钙遇水产生的膨胀所填充，以获得足够的强度和密实度。如果钢渣中粗集料过多，空隙率过高，开始时遇较大颗粒间的嵌挤摩擦可取得一定的强度和稳定性，但随着钢渣中游离氧化钙的消解，钢渣体积膨胀的同时，崩解为小粒径颗粒_,填充了原有的空隙，如果空隙过大，可能引起面层高程的下降；同样，如果钢渣中细集料过多，则易引起相反情况。由于这一现象，钢渣基层道路施工建设时的压实度不仅考虑下限，亦应考虑一定上限，即留出一定空间供膨胀填充。

 

　　同一工厂生产的钢渣，由于其矿石来源，冶炼工艺的相对稳定，其化学成分通常是稳定的。因此，道路施工单位应根据钢铁厂家的钢渣生产线的具体情况和道路需要提出具体的级配要求，供料单位应保证钢渣颗粒组成使用的稳定性。

 

　　彭亚林、杨锡武等研究了水稳钢渣基层材料级配区间。他们认为水泥粉煤灰稳定钢渣相对于水泥稳定类材料而言，是用粉煤灰替换部分剂量的水泥，不但降低了造价，而且减弱了基层初期干缩趋势；相对于石灰粉煤灰稳定类材料而言，是用一定剂量的水泥替换全部石灰，有利于提高初期强度。研究给出了适合于水泥粉煤灰稳定钢渣的连续级配区间。

 

　　魏茂则研究了水泥一钢渣粉一粉煤灰固化泥岩碎石基层的配合比，并研究了其强度形成机理。曾晓文在研究水泥、粉煤灰综合稳定钢渣基层在昌金高速公路的配合比设计的应用，认为钢渣的级配是形成钢渣集料骨架的基本保证，是水泥粉煤灰混合料骨架形成的控制因素，因此应控制钢渣级配符合现行施工规范的要求。

 

　　3）最佳含水量控制

 

　　最佳含水量由击实试验（参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ57-94））测定。肖常青通过试验发现，随着水稳钢渣混合料中钢渣剂量的增加，最大干密度减小，最佳含水量略有减小。

 

　　2.3水稳钢渣的路用性能  .

 

　　我国道路工程和环保方面的专家学者在大量实践的基础上，通过室内试验和铺筑试验，对水稳钢渣作为高等级公路路面基层的性能进行了分析。肖常青通过试验测得水稳钢渣基层的7d无侧限抗压强度达到3.26MPa,说明水稳钢渣的早期强度较高。水稳钢渣基层的整体回弹模量均大于200Mpa,水稳钢渣施工中易于碾压，在相同的压实机械和压实遍数下，其压实度接近100%.

 

　　吴胜燕还研究了水稳钢渣基层的抗冲刷性能，在其他条件一致的情况下，水稳钢渣的抗冲刷性能介于水泥稳定碎石和二灰稳定碎石之间。而且发现，水稳钢渣的强度与抗冲刷性能有一定关系，施工时要求基层要达到足够的压实度和养生期以保证其强度；水稳钢渣的抗冲刷性能还与水泥含量有关，且存在一个经济临界水泥含量，超出临界含量以后，水泥剂量的增加并不能带来抗冲刷性能的显著提高。

 

　　张澎还研究了钢渣对水泥稳定碎石干缩性质的影响。试验结果表明，钢渣对水泥稳定碎石的干缩有一定的抑制作用，钢渣的颗粒越细其干燥收缩越小，掺量越多效果也越显著。但在实际应用中，必须通过试验确定合适的钢渣掺量，控制好钢渣的游离氧化钙的含量，以防止其膨胀过大对水泥稳定碎石产生不利影响。

 

　　罗俊明还研究了水淬钢渣作水泥钢渣稳定基层的应用情况，指出力学性能好、水稳定性强、造价低、施工方便。

 

　　3结论

 

　　钢渣用作二灰钢渣和水稳钢渣基层的半刚性材料，具有无侧限抗压强度高，特别是早期强度高、回弹模量大等力学性能，工程造价低、施工方便，而且是废物利用，有利于环境保护，是一项利国利民的好事，值得推广。