梁 鐸 溫永鋼 楊 超 謝 君 李 杰

(內(nèi)蒙古高等級(jí)公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司1) 呼和浩特 010050) (武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2) 武漢 430070) (中交第一公路工程局有限公司3) 北京 100024)

0 引 言

水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層作為路面主要承重層，其力學(xué)性能和耐久性能對(duì)整個(gè)路面服役壽命有重大影響[1-2].鋼渣作為一種常見(jiàn)工業(yè)廢渣，其產(chǎn)生量大、堆積量多、且對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重[3].近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)鋼渣棱角豐富，物理力學(xué)性能良好，如能將這些鋼渣用作路面材料，將會(huì)大大提高鋼渣利用率，減少對(duì)環(huán)境的污染[4].

潘放等[5]研究了安徽馬鞍山鋼渣作為瀝青路面基層集料的可行性，結(jié)果表明,鋼渣含有一定活性的游離氧化鈣含量，其制備的混合料的加州承載比(CBR)值可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的250%～400%，同時(shí)其浸水膨脹率也較小.鄭武西[6]研究了日照市鋼渣的體積膨脹性和水泥穩(wěn)定碎石-鋼渣的力學(xué)性能，結(jié)果表明,兩組鋼渣平行樣的浸水膨脹率分別為0.64%和0.67%，水泥穩(wěn)定碎石鋼渣混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度、抗壓回彈模量都會(huì)隨著鋼渣摻量增加而增大.馮群英[7]對(duì)水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層在昆明繞城公路的工程應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境影響進(jìn)行了初步的分析評(píng)價(jià).周啟偉等[8]提出了解決鋼渣膨脹性不良的方法并分析了鋼渣在路面基層中的應(yīng)用前景.Li等[9]研究了水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的干縮和溫度特性，結(jié)果表明，水泥穩(wěn)定鋼渣碎石干縮應(yīng)變較小，不會(huì)產(chǎn)生較大的溫度收縮應(yīng)變，用鋼渣代替基層碎石是可行的，有利于改善半剛性基層材料的干縮和溫縮特性.

綜上所述，鋼渣具備高強(qiáng)度和抗滑耐磨等特性，經(jīng)陳化后的鋼渣體積穩(wěn)定性較好，且用其制備的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料性能良好.基于前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，將CB-1水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料應(yīng)用在G65包茂高速上基層試驗(yàn)段，研究了現(xiàn)場(chǎng)拌和混合料的性能及其試驗(yàn)段的相關(guān)性能，以期推動(dòng)鋼渣集料在基層中的應(yīng)用.

1 原材料與混合料配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

鋼渣水泥穩(wěn)定碎石混合料涉及的主要原材料有鋼渣、安山巖和水泥三種，其中鋼渣來(lái)自包頭某嗎有限責(zé)任公司的轉(zhuǎn)爐鋼渣(以下簡(jiǎn)稱(chēng)包鋼鋼渣).通過(guò)文獻(xiàn)[10]對(duì)包鋼鋼渣的性能進(jìn)行檢測(cè)，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1.由表1可知，包鋼鋼渣的壓碎值和磨耗值等指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，其f-CaO含量遠(yuǎn)低于規(guī)范中小于3%的要求.安山巖細(xì)集料和水泥分別來(lái)自?xún)?nèi)蒙古某碎石場(chǎng)和某有限責(zé)任公司.

表1 包鋼鋼渣集料相關(guān)性能測(cè)試結(jié)果

1.2 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的配合比設(shè)計(jì)

G65高速試驗(yàn)段中鋪設(shè)的水泥穩(wěn)定碎石混合料的設(shè)計(jì)采取兩種摻配方式，分別為粗集料為鋼渣、細(xì)集料為天然集料安山巖的粗鋼細(xì)石組，簡(jiǎn)稱(chēng)為GT組；粗細(xì)集料全為鋼渣的全鋼渣組，簡(jiǎn)稱(chēng)為GG組.粗細(xì)集料分界線(xiàn)為4.75 mm.水泥穩(wěn)定碎石混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)采用等體積替換方法.GT組和GG組混合料的級(jí)配曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖1.GT組的水泥劑量為5.0%和4.5%，GG組的水泥劑量為4.0%，三種混合料的標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

圖1 混合料合成級(jí)配曲線(xiàn)

表2 混合料標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

混合料類(lèi)型水泥劑量/%最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)GT組5.04.62.787GT組4.54.62.825GG組4.05.02.855

2 試驗(yàn)段的鋪筑與檢測(cè)方法

2.1 試驗(yàn)段鋪筑

水泥穩(wěn)定鋼渣集料上基層試驗(yàn)段在G65包茂高速公路(包頭至東勝路段)K70+600—K72+100處鋪筑，長(zhǎng)度為1.5 km，采用三種配比的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料分四分段鋪設(shè)，每個(gè)分段對(duì)應(yīng)的樁號(hào)及混合料的材料組成見(jiàn)表3.試驗(yàn)段的鋪設(shè)過(guò)程見(jiàn)圖2.

表3 試驗(yàn)段四段對(duì)應(yīng)的樁號(hào)及材料組成

圖2 水泥穩(wěn)定集料鋼渣上基層試驗(yàn)段的鋪筑過(guò)程

2.2 混合料及其基層試驗(yàn)段性能的檢測(cè)方法

在拌合站選取具有代表性的濕料帶回工地試驗(yàn)室采用BKJ-3多功能電動(dòng)擊實(shí)儀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)，并分別進(jìn)行干密度、含水率和水泥劑量滴定的測(cè)試.將拌和站拌和的混合料取回工地試驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試件的成型和養(yǎng)生.成型試件壓實(shí)度按98%控制，采用WE-1000萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜壓成型.養(yǎng)生方式為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6 d，然后浸水1 d.依據(jù)文獻(xiàn)[11]采用WE-300B萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試件尺寸直徑×厚度為150 mm×150 mm，加載速率為1 mm/min.

參照文獻(xiàn)[12]，采用灌砂法(Φ15 mm)和LXBP-5A智能八輪平整度儀測(cè)量水泥穩(wěn)定鋼渣集料上基層試驗(yàn)段的壓實(shí)度和平整度.壓實(shí)度按每100 m一個(gè)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)量砂的松方密度為1.38 g/cm3.平整度儀的測(cè)試速度維持在在7 km/h左右，每隔100 m儀器自動(dòng)計(jì)算該路段的平均平整度.試驗(yàn)段彎沉值的測(cè)量借助CFWD-10T型車(chē)載全自動(dòng)落錘式彎沉儀，該儀器每25 m一點(diǎn)測(cè)定彎沉指標(biāo).彎沉代表值為彎沉測(cè)量值的上波動(dòng)界限，可通過(guò)式(1)計(jì)算：

lr=l+SZa

(1)

式中：lr為彎沉代表值(0.01 mm)；l為實(shí)測(cè)彎沉的平均值；S為測(cè)試彎沉值的標(biāo)準(zhǔn)差；Za為與要求保值率有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)規(guī)定水穩(wěn)基層Za值取2.0.

3 試驗(yàn)段性能研究

3.1 現(xiàn)場(chǎng)混合料的含水率和水泥劑量

現(xiàn)場(chǎng)拌合的混合料的濕密度、含水率和水泥劑量滴定結(jié)果見(jiàn)表4.由表4可知，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試出的混合料的含水量滿(mǎn)足規(guī)范±2%的要求，滴定出的水泥劑量也滿(mǎn)足規(guī)范±0.5%的要求.三種混合料的濕密度均高于2.9 g/cm3，吸水率高的特性并未使混合料的含水量測(cè)定出現(xiàn)偏差.

表4 三種配比的混合料的密度、含水量和水泥劑量

3.2 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生試件的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

三種混合料的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后的試件見(jiàn)圖3，其7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表5.表中數(shù)據(jù)顯示三種混合料的強(qiáng)度均超過(guò)9.0 MPa，其中5%水泥用量的GT組其抗壓強(qiáng)度最大，高達(dá)9.9 MPa.采用更少水泥用量的GG組混合料的強(qiáng)度略高于水泥用量為4.5%的GT組，這源于GG組含有更多的鋼渣組分.鋼渣集料經(jīng)水泥中的堿性成分激發(fā)后發(fā)生水化反應(yīng)相互結(jié)合在一起，在宏觀上表現(xiàn)為鋼渣間遇水發(fā)生“板結(jié)效應(yīng)”.同時(shí)鋼渣中的硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(β-C2S)礦物與水反應(yīng)生成水化硅酸鈣(C—S—H)和CaCO3、Ca(OH)2及鋁硅酸鹽等物質(zhì)，這能極大地提升整體混合料的抗壓強(qiáng)度.而GG組混合料強(qiáng)度的變異系數(shù)較大，其95%保證率的值RC0.95較GT組小，但仍遠(yuǎn)高于5 MPa的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值.

圖3 現(xiàn)場(chǎng)拌和成型的三種配比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生試件

表5 鋼渣水泥穩(wěn)定碎石7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果

試件類(lèi)型GT組(5.0%)GT組(4.5%)GG組(4.0%)強(qiáng)度算術(shù)平均值Rc/MPa9.99.59.7標(biāo)準(zhǔn)差S0.260.390.98變異系數(shù)CV/%2.574.1010.1595%保證率的值RC0.95/MPa9.58.98.0

3.3 壓實(shí)度

水泥穩(wěn)定鋼渣集料上基層試驗(yàn)段的壓實(shí)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6.試驗(yàn)段的碾壓工藝是車(chē)速為2 km/h的初壓、車(chē)速為4 km/h的復(fù)壓和車(chē)速為5 km/h的終壓的組合碾壓工藝.其中，初壓采取單鋼輪壓路機(jī)來(lái)回弱振-強(qiáng)振-弱振輾壓各一遍的工藝；復(fù)壓采取膠輪壓路機(jī)輾壓二遍的工藝；終壓采取雙鋼輪壓路機(jī)靜壓一遍的工藝.此輾壓工藝測(cè)定的壓實(shí)度為93.0%，96.2%和96.1%，即為表6中的前3次檢測(cè)結(jié)果，不滿(mǎn)足規(guī)范壓實(shí)度98%的要求.經(jīng)觀察現(xiàn)場(chǎng)路面出現(xiàn)鋼渣集料“蹦出”的現(xiàn)象，考慮到是鋼輪壓路機(jī)的強(qiáng)振與堅(jiān)硬的鋼渣發(fā)生碰撞而使得鋼渣彈開(kāi)，導(dǎo)致混合料出現(xiàn)松散情況，故對(duì)輾壓工藝進(jìn)行了一定程度的改進(jìn).

表6 水泥穩(wěn)定鋼渣集料上基層試驗(yàn)段壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

改進(jìn)的初壓工藝為單鋼輪壓路機(jī)靜壓一遍和弱振三遍，復(fù)壓工藝將膠輪壓路機(jī)的二次輾壓提升為四次，終壓工藝保持不變.經(jīng)檢測(cè)，此輾壓工藝測(cè)定的基層試驗(yàn)段壓實(shí)均滿(mǎn)足要求(即表6后10次檢測(cè)結(jié)果)，且最終趨于穩(wěn)定.壓路機(jī)在水泥穩(wěn)定鋼渣集料基層壓實(shí)時(shí)與普通水穩(wěn)基層的不同在于壓實(shí)鋼渣基層時(shí)壓路機(jī)的振動(dòng)幅度大，易出現(xiàn)振幅涌，振動(dòng)頻率相對(duì)高.因此，水泥穩(wěn)定鋼渣基層相較普通水泥穩(wěn)定碎石基層，其應(yīng)該避免強(qiáng)振，易多采用膠輪壓路機(jī)輾壓，且終壓需采用雙鋼輪壓路機(jī)的靜壓輾壓工藝.

3.4 平整度

基層試驗(yàn)段各分段的平均平整度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4.由圖4可知，全路段鋼渣水穩(wěn)基層的平整度平均值均小于2 mm，滿(mǎn)足高速公路平整度儀測(cè)試方法對(duì)平整度的要求，其中第三段(全鋼渣GG路段)的平整度的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)最小.這是因?yàn)殇撛^天然集料的棱角和紋理更加豐富，具備多支撐點(diǎn)集料骨架結(jié)構(gòu)，使其在碾壓中更容易相互嵌擠而成型.

圖4 試驗(yàn)段四分段的平整度

3.5 彎沉值

落錘式彎沉儀在K70+700—K72+100路段左右兩側(cè)每隔25 m記錄一次彎沉值，該區(qū)域每測(cè)共記錄59個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的彎沉值見(jiàn)圖5.由圖5可知，左右兩側(cè)的彎沉值均位于20(0.01 mm)附近，其中右側(cè)的彎沉值的波動(dòng)幅度較左側(cè)大，但其最大彎沉值仍不高于35(0.01 mm).選取K70+700—K71+150這150 m路段共計(jì)19個(gè)測(cè)量點(diǎn)作為彎沉值的評(píng)估路段，該路段的落錘彎沉值與等效貝克曼梁彎沉值的相關(guān)性見(jiàn)圖6.圖6顯示兩者具有良好的線(xiàn)性相關(guān)性，其擬合相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.996 8，這說(shuō)明該路段具有一定的代表性.根據(jù)測(cè)量點(diǎn)的彎沉值計(jì)算得到的試驗(yàn)段的彎沉平均值和代表值見(jiàn)表7.表7顯示落錘彎沉儀測(cè)量的彎沉平均值和彎沉代表值分別為18.08(0.01 mm)和23.20(0.01 mm)，滿(mǎn)足試驗(yàn)段27.70(0.01 mm)的彎沉設(shè)計(jì)值的要求.這表明低壓碎值和高磨光值的鋼渣集料的加入能在一定程度上提升水泥穩(wěn)定碎石基層的抗變形能力，使其具有更小的彈性應(yīng)變.

圖5 試驗(yàn)段的彎沉值測(cè)試結(jié)果

圖6 代表路段的落錘彎沉值與等效貝克曼梁彎沉值的關(guān)系圖

表7 基層試驗(yàn)段代表路段平均彎沉值和代表彎沉值

4 結(jié) 論

1) 三種水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均超過(guò)9.0 MPa，水泥用量更少的GG混合料的強(qiáng)度略高于水泥用量為4.5%的GT組.

2) 水泥穩(wěn)定鋼渣基層碾壓時(shí)應(yīng)避免強(qiáng)振，易多采用膠輪壓路機(jī)輾壓，且終壓需采用雙鋼輪壓路機(jī)的靜壓輾壓工藝.

3) 水泥穩(wěn)定鋼渣基層試驗(yàn)段各分段的平整度平均值均低于2 mm，全鋼渣集料路段的平整度的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)最小.

4) 水泥穩(wěn)定鋼渣基層試驗(yàn)段具備較好的抗彈性變形性能，其彎沉代表值為23.20(0.01 mm)，低于路段的設(shè)計(jì)彎沉值.

5) 鋼渣集料堅(jiān)硬抗磨的特性使其制備的水泥穩(wěn)定碎石基層試驗(yàn)段性能優(yōu)良，表明其能較好地應(yīng)用在高交通量的水泥穩(wěn)定基層中.