鋼渣在半剛性基層材料中的應(yīng)用研究
摘要：文章敘述了鋼渣用于二灰鋼渣基層和水穩(wěn)鋼渣基層時(shí)的質(zhì)量控制、施工工藝、路用性能和強(qiáng)度形成機(jī)理。文章指出了鋼渣用作二灰鋼渣和水穩(wěn)鋼渣基層的半剛性材料，具有無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高，特別是早期強(qiáng)度高、回彈模量高等力學(xué)性能特點(diǎn)，工程造價(jià)低、施工方便，有利于環(huán)境保護(hù)。最后還指出了鋼渣作為半剛性基層材料的推廣范圍。
關(guān)鍵詞：鋼渣；半剛性基層材料；二灰鋼渣；水泥
0前言
半剛性材料是用水硬性結(jié)合料（如水泥、石灰、粉煤灰）處置的材料，主要在道路基層中使用，與柔性材料相比，具有較大的強(qiáng)度、剛度，較好的水、溫穩(wěn)定性和板體性，更適合于高等級道路。國外對半剛性材料的研究始于50、60年代，80年代才在我國逐步推廣使用。
隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，工業(yè)廢料的開發(fā)利用日益得到重視，轉(zhuǎn)爐鋼渣越來越多地用作半剛性路面中基層材料的骨料。鋼渣筑路的主要技術(shù)特點(diǎn)是充分利用了鋼渣的膠凝性、微膨脹性，尤其與石灰、粉煤灰結(jié)合更加改善了三者的技術(shù)性能，提高了材料的穩(wěn)定性。由于半剛性路面具有強(qiáng)度高、板體性好的特點(diǎn)，已成為我國道路建設(shè)的首選路面結(jié)構(gòu)形式。環(huán)保型、高強(qiáng)度型是道路基層的發(fā)展趨勢，鋼渣作為道路基層材料，正滿足這種要求。鋼渣作為集料用于半剛性基層材料，我們可以根據(jù)結(jié)合料的不同將其分為二灰鋼渣和水穩(wěn)鋼渣。
1 二灰鋼渣基層材料
二灰鋼渣的應(yīng)用研究目前在全國范圍內(nèi)展開，二灰鋼渣在北京的應(yīng)用已初具規(guī)模。眾多的應(yīng)用研究已經(jīng)為二灰鋼渣的品質(zhì)要求、施工工藝、路用性能提供了依據(jù)。
1.1品質(zhì)要求
鋼渣代替石料，安全而經(jīng)濟(jì)地用于道路工程建設(shè)，將大大降低道路工程建設(shè)的費(fèi)用，另一方面也增加鋼鐵企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
道路工程對石料的基本要求包括：1）力學(xué)性能滿足荷載要求；2）氣候穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性良好；3）穩(wěn)定的施工性能。國內(nèi)外資料表明，道路工程尤其注意路用鋼渣的穩(wěn)定性，常規(guī)路用石料為隨地球的演變而自然形成，其化學(xué)性能與耐久性能較穩(wěn)定；而鋼渣具有粉化膨脹的特性，隨意取用易引起道路的膨脹開裂，危害較大。
《鋼渣石灰類道路基層施工及驗(yàn)收規(guī)范》（CJJ35-90）中規(guī)定鋼渣必須分解穩(wěn)定，粒徑符合規(guī)定，具有規(guī)定的強(qiáng)度。其游離氧化鈣含量應(yīng)小于3%,最大粒徑不大于50mm,前期渣不得單獨(dú)使用，應(yīng)采用堆積一年以上陳渣；《鋼渣混合料路面基層施工技術(shù)規(guī)程》（YBJ230-91）中對鋼渣有明確要求：筑路用鋼渣為經(jīng)過陳化或其他方法處理已經(jīng)穩(wěn)定的鋼渣，其粉化率測定值的波動(dòng)上限應(yīng)不超過5%,應(yīng)清除垃圾和有害物質(zhì)（如廢鎂磚等）。張亮亮也對鋼渣作為路面基層材料的品質(zhì)要求做了專門研究。他特別對各大鋼廠的鋼渣的壓碎值進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)絕大部分鋼廠鋼渣的壓碎值指標(biāo)低于30%,完全適合各類道路的基層和底基層。
1.2施工工藝
劉紅堂通過大量的工程實(shí)踐設(shè)計(jì)出了一套比較典型的二灰鋼渣基層的施工工藝。主要包括配比、拌合、試鋪、攤鋪及平整、碾壓、養(yǎng)生等幾道工序。其中拌合采用場拌法施工。其施工工藝較易掌握，且便于搶工期、趕進(jìn)度，特別是在雨季時(shí)，優(yōu)點(diǎn)十分明顯，雨后天晴，二灰鋼渣基層一般可馬上進(jìn)行鋪筑，不會(huì)像石灰土那樣長時(shí)間等待，或進(jìn)行翻曬處理。
1.3路用性能
通過對不同含水量的試件進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，得出最大干密度、最佳含水量以及最佳配合比，并進(jìn)行了其他路用性能測試。通過在寶鋼三期工程道路基層、石家莊市城市主干道中華大街道路改建工程、首鋼鋼渣、馬鋼鋼渣應(yīng)用工程以及安徽境內(nèi)多條國道的大量應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，二灰鋼渣道路基層具有優(yōu)良的路用性能。
一系列的試驗(yàn)和實(shí)踐表明，二灰鋼渣的7d和28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而且后期還有較大幅度的增長，抗彎拉強(qiáng)度和彎拉回彈模量都能滿足道路的要求。鋼渣試驗(yàn)路基層整體回彈彎沉在60d齡期時(shí)的測定值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)，試驗(yàn)路基層的承載力很高。
朱珍芳發(fā)現(xiàn)二灰鋼渣28d抗壓強(qiáng)度、回彈模量均高于石灰土和二灰土，略低于二灰碎石。隨著齡期的增長，二灰鋼渣的后期強(qiáng)度增長顯著，180d抗壓強(qiáng)度、回彈模量達(dá)到甚至超過二灰碎石?？梢婁撛c二灰結(jié)合能力強(qiáng)于碎石，二灰鋼渣具有良好的路用性能，可在各等級道路基層中應(yīng)用。
郝培文還研究了石灰粉煤灰鋼渣的收縮凍融性能，考查二灰鋼渣半剛性路面基層的可能性。研究表明，二灰鋼渣具有較好的力學(xué)性質(zhì)、抗凍性和收縮性能，是優(yōu)質(zhì)的基層材料。石灰粉煤灰鋼渣在-10~-15℃區(qū)間內(nèi)具有較大溫縮系數(shù)。當(dāng)石灰粉煤灰鋼渣含水量為最佳含水量的1/10時(shí)，其干燥收縮系數(shù)出現(xiàn)峰值。
譚鵬研究了二灰鋼渣基層的疲勞性能，得到了一些有價(jià)值的結(jié)論，并結(jié)合試驗(yàn)提出了減小鋼渣粉煤灰疲勞壽命變異性的幾種措施。
2 水穩(wěn)鋼渣
2.1水穩(wěn)鋼渣強(qiáng)度形成機(jī)理
肖常青、朱晗等人對水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣作為公路底基層進(jìn)行探討研究，分析了水穩(wěn)鋼渣基層強(qiáng)度的形成機(jī)理。
水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣混合料中，鋼渣本身具有一定的級配，鋼渣顆粒形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。由于鋼渣本身強(qiáng)度很高，鋼渣骨架具有一定的強(qiáng)度。在鋼渣顆粒之間，水泥是活性結(jié)合料，在水環(huán)境下進(jìn)行離子交換反應(yīng)、Ca(OH）2的結(jié)晶反應(yīng)、火山灰反應(yīng)等物理化學(xué)反應(yīng)。粉煤灰的主要作用是提供火山灰反應(yīng)所需要的活性氧化硅和氧化鋁，在水泥和堿性物質(zhì)作用下活性被激發(fā)，促進(jìn)火山灰反應(yīng)的進(jìn)行。隨著齡期的增長，水泥、粉煤灰在混合料中的交結(jié)作用日益顯著，同時(shí)火山灰反應(yīng)生成的產(chǎn)物進(jìn)行聚合，使鋼渣顆粒間形成混亂的空間網(wǎng)狀連接，且連接強(qiáng)度和剛度增強(qiáng)，從而使水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣具有很高的強(qiáng)度。[Page]
2.2水穩(wěn)鋼渣基層的施工工藝
司國權(quán)、朱晗等經(jīng)過大量的試驗(yàn)和考查提出了水穩(wěn)鋼渣的成熟施工工藝?；境绦蚴牵簻?zhǔn)備下承層——施工放樣——鋼渣、粉煤灰、水泥、水摻配和拌和——混合料運(yùn)輸、混合料攤鋪——整形——碾壓——養(yǎng)護(hù)——接縫和調(diào)頭處的處理——檢測。
施工過程中需要作好幾個(gè)方面的質(zhì)量控制：
1）原料質(zhì)量控制
王曉明、胡釗芳、許水才等人通過總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對水穩(wěn)鋼渣基層的原料提出了要求，特別是鋼渣的材質(zhì)進(jìn)行了嚴(yán)格的限定。他們認(rèn)為鋼渣顆粒應(yīng)在5cm以下，且要求存放時(shí)間在5年以上，需要對鋼渣進(jìn)行陳化與堆場管理。
2）合適的級配
用于道路基層時(shí)必須考慮合適的級配，使鋼渣內(nèi)的空隙恰好能被游離氧化鈣遇水產(chǎn)生的膨脹所填充，以獲得足夠的強(qiáng)度和密實(shí)度。如果鋼渣中粗集料過多，空隙率過高，開始時(shí)遇較大顆粒間的嵌擠摩擦可取得一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，但隨著鋼渣中游離氧化鈣的消解，鋼渣體積膨脹的同時(shí)，崩解為小粒徑顆粒_,填充了原有的空隙，如果空隙過大，可能引起面層高程的下降；同樣，如果鋼渣中細(xì)集料過多，則易引起相反情況。由于這一現(xiàn)象，鋼渣基層道路施工建設(shè)時(shí)的壓實(shí)度不僅考慮下限，亦應(yīng)考慮一定上限，即留出一定空間供膨脹填充。
同一工廠生產(chǎn)的鋼渣，由于其礦石來源，冶煉工藝的相對穩(wěn)定，其化學(xué)成分通常是穩(wěn)定的。因此，道路施工單位應(yīng)根據(jù)鋼鐵廠家的鋼渣生產(chǎn)線的具體情況和道路需要提出具體的級配要求，供料單位應(yīng)保證鋼渣顆粒組成使用的穩(wěn)定性。
彭亞林、楊錫武等研究了水穩(wěn)鋼渣基層材料級配區(qū)間。他們認(rèn)為水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣相對于水泥穩(wěn)定類材料而言，是用粉煤灰替換部分劑量的水泥，不但降低了造價(jià)，而且減弱了基層初期干縮趨勢；相對于石灰粉煤灰穩(wěn)定類材料而言，是用一定劑量的水泥替換全部石灰，有利于提高初期強(qiáng)度。研究給出了適合于水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣的連續(xù)級配區(qū)間。
魏茂則研究了水泥一鋼渣粉一粉煤灰固化泥巖碎石基層的配合比，并研究了其強(qiáng)度形成機(jī)理。曾曉文在研究水泥、粉煤灰綜合穩(wěn)定鋼渣基層在昌金高速公路的配合比設(shè)計(jì)的應(yīng)用，認(rèn)為鋼渣的級配是形成鋼渣集料骨架的基本保證，是水泥粉煤灰混合料骨架形成的控制因素，因此應(yīng)控制鋼渣級配符合現(xiàn)行施工規(guī)范的要求。
3）最佳含水量控制
最佳含水量由擊實(shí)試驗(yàn)（參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ57-94））測定。肖常青通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著水穩(wěn)鋼渣混合料中鋼渣劑量的增加，最大干密度減小，最佳含水量略有減小。
2.3水穩(wěn)鋼渣的路用性能 .
我國道路工程和環(huán)保方面的專家學(xué)者在大量實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)試驗(yàn)和鋪筑試驗(yàn)，對水穩(wěn)鋼渣作為高等級公路路面基層的性能進(jìn)行了分析。肖常青通過試驗(yàn)測得水穩(wěn)鋼渣基層的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.26MPa,說明水穩(wěn)鋼渣的早期強(qiáng)度較高。水穩(wěn)鋼渣基層的整體回彈模量均大于200Mpa,水穩(wěn)鋼渣施工中易于碾壓，在相同的壓實(shí)機(jī)械和壓實(shí)遍數(shù)下，其壓實(shí)度接近100%.
吳勝燕還研究了水穩(wěn)鋼渣基層的抗沖刷性能，在其他條件一致的情況下，水穩(wěn)鋼渣的抗沖刷性能介于水泥穩(wěn)定碎石和二灰穩(wěn)定碎石之間。而且發(fā)現(xiàn)，水穩(wěn)鋼渣的強(qiáng)度與抗沖刷性能有一定關(guān)系，施工時(shí)要求基層要達(dá)到足夠的壓實(shí)度和養(yǎng)生期以保證其強(qiáng)度；水穩(wěn)鋼渣的抗沖刷性能還與水泥含量有關(guān)，且存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)臨界水泥含量，超出臨界含量以后，水泥劑量的增加并不能帶來抗沖刷性能的顯著提高。
張澎還研究了鋼渣對水泥穩(wěn)定碎石干縮性質(zhì)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼渣對水泥穩(wěn)定碎石的干縮有一定的抑制作用，鋼渣的顆粒越細(xì)其干燥收縮越小，摻量越多效果也越顯著。但在實(shí)際應(yīng)用中，必須通過試驗(yàn)確定合適的鋼渣摻量，控制好鋼渣的游離氧化鈣的含量，以防止其膨脹過大對水泥穩(wěn)定碎石產(chǎn)生不利影響。
羅俊明還研究了水淬鋼渣作水泥鋼渣穩(wěn)定基層的應(yīng)用情況，指出力學(xué)性能好、水穩(wěn)定性強(qiáng)、造價(jià)低、施工方便。
3結(jié)論
鋼渣用作二灰鋼渣和水穩(wěn)鋼渣基層的半剛性材料，具有無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高，特別是早期強(qiáng)度高、回彈模量大等力學(xué)性能，工程造價(jià)低、施工方便，而且是廢物利用，有利于環(huán)境保護(hù)，是一項(xiàng)利國利民的好事，值得推廣。
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