掺钢渣集料的水泥稳定碎石配合比设计及应用

黄国宁，陈开镇

(广西桂商实业投资有限公司，广西 南宁 530200)

0 引言

钢渣作为一种工业废料，是一种在炼钢过程中产生的副产品，其产量约为粗钢产量的12%～20%[1-3]，非金属固态是钢渣的表现形态。我国由于经济快速发展，需钢量越来越大，导致钢渣产量逐年增加，很多炼钢厂旁钢渣堆积成山，占用大量土地，而且还会带来一定的环境污染问题[4]，因此，如何将这种工业废料合理地再生利用已成为诸多学者研究的重点课题。

不同钢厂生产的钢渣成分存在一定的差异，所以不同钢厂出厂的钢渣的主要用途也应有所区别[5]。钢渣在综合利用之前应先做预处理，不同的用途方式对钢渣的预处理方式不同。目前钢渣除了作为冶金行业的回用外，还主要用于水泥原料、筑路材料、市政工程材料、肥料和土壤调节剂等领域[6-9]，且钢渣用作筑路材料是其规模化利用的主要途径。近年来，钢渣作为筑路材料的研究主要侧重于将预处理后的钢渣用于路面基层及面层的筑路材料。黄伟等[10]基于土体固化技术研究了钢渣与土体混合的道路基层材料的路用性能及膨胀特性，得出了钢渣混凝土混合的最佳配合比；吴旻等[11]在基于微观试验的基础上研究了钢渣矿渣复合基层材料不同龄期下的强度特性，并得出考虑强度指标条件下的基层最佳配比；冀欣等[12]研究了掺加钢渣的半刚性基层材料的路用特性，分析了掺入钢渣后对水泥稳定碎石混合料路用性能的影响，得出钢渣在合理掺量下可以改善基层力学性能和抗冲刷性；辛德军等[13]在寒旱地区气候条件下研究了掺钢渣的水泥稳定碎石基层路用性能，结果表明，在合理配合比条件下，掺入钢渣后可以改善低温及变温环境下的基层力学和收缩性能。由此可见，钢渣是一种良好的道路路面材料，在道路路面材料中掺入一定的钢渣可以提升路面工程质量，从而在一定程度上延长道路的使用寿命。

本文考虑将钢渣替代传统的粗细集料，用于水泥稳定碎石基层中，并基于钢渣集料特性研究了掺钢渣集料后的水泥稳定碎石配合比设计方法，为钢渣在公路基层中的应用提供科学参考。

1 钢渣集料特性

1.1 钢渣集料化学特性

本试验钢渣材料来源于防城港市某钢厂，以转炉渣为主，取其露天存放5个月的转炉钢渣。采用X荧光光谱试验分析该钢渣的化学成分如下页图1所示。该钢渣主要含有CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Mn、Al2O3、P2O5等元素成分，是一种多成分的材料。

由图1可知，钢渣包含酸性氧化物和碱性氧化物，其中SiO2、P2O5、Al2O3和Fe2O3为酸性氧化物，CaO、MnO和MgO为碱性氧化物。钢渣的酸碱性以碱度值R来表示，碱度值R按式(1)计算[14]。计算得出该钢渣的碱度值R>1，所以，该厂陈化5个月后的转炉钢渣为碱性钢渣，具有一定的活性。

R=w[(CaO)+(MgO)+(MnO)+(FeO)]/w[(SiO2)+(P2O5)+(Al2O3)+(Fe2O3)]

(1)

图1 钢渣元素成分含量柱状图

1.2 钢渣粗细集料物理力学特性

物理力学性能是材料的重要属性。根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)[15]，取防城港某钢厂陈化5个月的转炉钢渣粗细集料进行物理力学特性试验，结果如表1所示。钢渣粗细集料的材质较硬，压碎值较低，表观密度较大，是普通碎石的1.2～1.4倍，松散堆积密度也较大，吸水率较大，易吸水，总体而言，该钢渣粗细集料是一种良好的建筑材料。由于钢渣与普通石料具有高度相似的物理力学性能，可以使钢渣在道路工程应用中保证工程质量，因此在道路工程中的应用潜力很大。

表1 钢渣粗细集料相关指标表

1.3 钢渣膨胀特性

钢渣有待解决的一大问题是其自身存在较大的膨胀潜力。根据有关研究表明：在转炉(BOF)中f-CaO(游离氧化钙)的含量约为1%～10%，在电炉(EAF)中f-CaO的含量约为0%～4%。f-CaO和f-MgO(游离氧化镁)遇水生成的水合物为氢氧化物形式的固体时体积增加明显，生成氢氧化钙后体积增加量为91.7%，生成氢氧化镁后体积增加量为119.6%[16]。本试验采用《钢渣稳定性检测方法》(GB/T 24175-2009)[17]测试钢渣的膨胀性，通过重型击实试验将钢渣击实成型，铺滤纸，将试模与多孔底座一同倒置，压上8块共5 kg重的半圆形荷载板，架设好百分表，每组击实成型3个试件，试模完全浸入恒温水浴箱中浸水10 d，其膨胀率取平均值作为最终测试结果。

钢渣膨胀率按式(2)计算：

(2)

式中：δ——钢渣膨胀率；

d0——百分表的初读数(0.01 mm)；

d10——最终读数(0.01 mm)。

钢渣浸水膨胀率随时间变化曲线如图2所示。由图2可知，钢渣的膨胀率随着时间增长基本呈匀速增大趋势，10 d后的浸水膨胀率为1.98%，<2%，满足《钢渣混合料路面基层施工技术规程》(YB/T 4184-2009)的技术要求[18]。

图2 钢渣膨胀率随时间变化曲线图

2 配合比设计

2.1 级配设计

(1)全集料水泥稳定钢渣基层级配设计

当水泥稳定基层混合料粗细集料全部采用钢渣时，各档集料的质量比与体积比相同，各档集料比例无须修正。

P′i=Pi

(3)

式中：Pi——各档集料的质量百分比(%)；

P′i——各档集料的体积百分比(%)。

(2)两种以上集料水泥稳定钢渣-碎石基层级配设计

当组成水泥稳定基层混合料的粗细集料中除了钢渣外还有其他材料时，则视各档集料为同一密度，按质量配合比设计合成级配，得出的各档集料的质量即为体积比。由于钢渣材料密度与其他集料密度存在差异，需对上述设计的比例进行修正，得到经密度修正后的质量比，修正公式如式(4)和式(5)所示。

(4)

P′i=ηi×Pi

(5)

式中：ηi——各档集料的修正系数；

ρi——各档集料的表观密度(g/cm3)。

2.2 水泥掺量设计

水泥稳定钢渣基层合成级配确定后，根据无侧限抗压强度试验选定水泥掺量，其确定流程如图3所示。先根据经验按一定的间隔初选4～5个水泥掺量进行击实试验，得到不同水泥掺量条件下的最佳含水量和最大干密度，在不同水泥掺量及其最佳含水量条件下进一步制作无侧限抗压强度试样，养护7 d后(最后一天浸水)测试其无侧限抗压强度，绘制水泥稳定钢渣基层混合料7 d无侧限抗压强度与水泥掺量关系曲线，选定的水泥掺量所对应的无侧限抗压强度需大于设计要求。

图3 水泥掺量设计流程图

3 设计应用实例

3.1 工程概况

广西滨海公路企沙至茅岭段位于防城港市东部，是一条缓解企沙工业区及疏港压力的应急通道。该公路包括主线和东岛联线，主线设计总长约为26.199 km，东岛联线设计总长为7.11 km，路基设计宽度为33.5 m，设计时速为100 km/h。

试验路选择在中间村互通B匝道，该匝道长250 m，路面宽7.5 m，从上至下路面结构为4 cm RAC-13C橡胶沥青混凝土上面层、改性乳化沥青粘层、6 cm RAC-20橡胶沥青混凝土下面层、改性乳化沥青粘层+透层、18 cm C10贫混凝土基层、复合式道路专用塑料膜、40 cm厚水泥稳定钢渣碎石基层、20 cm级配碎石垫层，总厚度为88 cm。

3.2 级配设计

本试验段采用密实悬浮基层结构，采用10～20 mm、5～10 mm石灰岩碎石及0～5 mm钢渣砂及石灰岩机制砂，对原材料进行筛分后，根据密实悬浮基层结构的级配范围，基层混合料采用10～20 mm∶5～10 mm∶0～5 mm三档集料分别按体积比0.48∶0.12∶0.4混合，其中0～5 mm细集料分别掺入50%粒径为0～5 mm的钢渣砂及机制砂集料。各档集料筛分数据及合成级配如图4所示。

图4 原材料筛分曲线及合成级配曲线图

3.3 水泥掺量设计

初步拟定水泥掺量为3%、4%、5%、6%四个梯度，根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)[19]，配制不同水泥掺量下的水泥稳定碎石混合料，采用乙法进行击实试验，分别得到3%、4%、5%、6%水泥掺量和50%钢渣细集料掺量下的最佳含水量和最大干密度，如表2所示。

表2 击实试验结果表

广西滨海公路企沙至茅岭段属于一级公路，重交通情况，抗压强度应>4 MPa。根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)，每一水泥掺量下做9组无侧限抗压强度试验，结果如表3所示。变异系数取10%，一级公路保证率为95%，保证率系数Zα=1.645。根据《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)[20]，计算得到水泥稳定钢渣基层配置强度：

表3 无侧限抗压强度及变异系数试验结果表

图5 水泥稳定钢渣碎石7 d无侧限抗压强度与水泥掺量 关系曲线图

根据图5所示，R配=4.8 MPa所对应的水泥掺量为4.58%，所以本工程水泥掺量选定为4.6%。根据表2数据插值计算得到该水泥稳定钢渣碎石的最大干密度为2.41 g/cm3，最佳含水量为5.78%。

4 结语

(1)化学分析表明，防城港地区转炉钢渣集料主要含有CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Mn、Al2O3、P2O5等元素成分，呈碱性，是一种多元素成分的材料。

(2)物理力学特性试验研究表明，防城港某钢厂陈化5个月的转炉钢渣粗细集料的材料较硬，压碎值较低，表观密度较大，易吸水，并具有微膨胀性，物理力学性质基本满足道路基层技术要求，是一种良好的建筑材料。

(3)水泥稳定钢渣碎石基层配合比设计可分为钢渣全集料及两类以上材质集料两种情况讨论。当基层混合料考虑两类以上材质集料时，配合比设计过程中需要考虑密度修正，完成级配设计后通过击实试验和无侧限抗压强度试验完成水泥掺量设计，从而得到掺钢渣集料的水泥稳定钢渣碎石基层各组分比例。

(4)以广西滨海公路企沙至茅岭段B匝道为试验段，根据工程概况及配合比设计方法，基层混合料采用10～20 mm∶5～10 mm∶0～5 mm三档集料，分别按体积比0.48∶0.12∶0.4混合，其中0～5 mm细集料分别掺入50%粒径为0～5 mm的钢渣砂及机制砂集料，最终选定的水泥掺量为4.6%。