钢渣集料在高速公路水泥碎石基层中的应用研究

赵宝军,吴 琛,王 俊,谭 鹏,孔德智,陈美祝

(1.深圳海龙建筑科技有限公司，深圳 518000；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070)

我国高速公路大多采用沥青面层与半刚性基层的路面结构，其中半刚性基层多采用水泥稳定类材料[1]。公路工程对集料需求量巨大，同时天然集料开采过程中对环境破坏严重，集料生产与运输成本越来越高。为此，研究者致力于寻找天然集料的替代材料。

钢渣与天然岩石有很多相似之处，同时具有致密、坚固和耐磨的特点[2,3]。因此，国内外关于钢渣作为替代集料应用于路面材料中有很多研究。其中，转炉钢渣是一种常见的钢渣，其产生量也是最高的。转炉钢渣比天然集料具有更高的硬度和耐久性，将其作为天然集料替代品应用，不仅可有助于减少工业固体废弃物的堆积，而且还可有效减少公路工程对天然集料的需求[4,5]。

在我国现行使用的国家规范中，对水泥碎石基层级配设计提出了相应粒径通过率的上下限，而钢渣与天然集料在密度、吸水性等方面有明显差异，仅使用现有级配上下限对钢渣集料水泥稳定碎石进行配合比设计难以满足相关规范的性能指标要求[6]。因此，在钢渣集料水泥稳定碎石CB-1配比设计时，应根据钢渣特有物化性能，对配比设计进行相应优化调整，以确定合理的矿料级配、水泥用量和最佳用水量等参数。

1 原材料选择与检测

根据相关设计要求，选用32.5普硅水泥和两种集料，分别为钢渣和安山岩。32.5普硅水泥性能如表1所示，满足相关技术要求。

表1 32.5普硅水泥性能指标

钢渣和安山岩的性能对比如表2所示，两种集料性能皆满足规范要求。

表2 集料基本性能

2 钢渣集料水泥稳定碎石组成设计及优化

2.1 天然集料CB-1配合比设计

根据《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)配合比的设计要求，进行CB-1目标配合比设计，传统设计思路为：在钢渣集料水泥稳定碎石的矿料级配设计中，主要趋近于配合比范围中值，得到相对应的各档集料的配合比。经调整后，配比为： 19～26.5 mm∶9.5～19 mm∶4.75～9.5 mm∶2.36～4.75 mm∶0～2.36 mm∶矿粉=17%∶23%∶20%∶16%∶24%。 天然集料CB-1级配设计范围的上限、下限、中值和国标规范中的CB-1级配中值曲线具有较好的拟合效果，其配比设计目标基本达成。

2.2 高速公路钢渣集料水泥稳定碎石配合比优化

对高速公路钢渣集料水泥稳定碎石配合比设计主要根据以下三条原则进行优化：

1)在对钢渣集料CB-1水泥稳定碎石配合比设计时，为使其具有稳定骨架结构，首先保证矿料级配中粗集料的比例，使水泥稳定碎石中集料形成稳定骨架结构，同时合理调整粗、细集料比例，减少钢渣粒形等特性对水泥稳定碎石施工性能产生的不利影响。

2)充分考虑钢渣与天然集料间密度的差异，配合比设计优化方案中，使用天然集料作为细集料使用，所用钢渣表观相对密度约为3.6，安山岩约为2.7。在配合比设计中使用等体积原则，对体积比例和质量比例进行相应换算。

3)钢渣相较于天然集料具有更高的吸水率，故在最佳用水量确定时，应适当增加用水量以使钢渣水泥稳定碎石具有较好的工作性能。

根据以上原则，结合重型击实实验结果，得到钢渣集料CB-1水泥稳定碎石配合比设计优化的质量配合比为：19～31.5 mm∶9.5～19 mm∶4.75～9.5 mm∶2.36～4.75 mm∶0～2.36 mm∶矿粉=17%∶23%∶20%∶3%∶11.6%∶17.4%。如表3所示，在钢渣集料CB-1水泥稳定碎石配比设计优化中，其合成级配与级配中值拟合程度较好，同时，在对体积比例和质量比例换算后，其质量比例与天然集料差异在5%～10%之间。

表3 钢渣集料水泥稳定碎石矿料比例

2.3 钢渣集料水泥稳定碎石性能分析

在对钢渣集料水泥稳定碎石配合比设计优化后，制备出对应样品，并进行相应水泥稳定碎石性能验证试验，其中不同水泥掺量7 d无侧限抗压强度如表4所示。其中，水泥用量是指使用的水泥与总集料质量的比例。实验结果表明，三个水泥用量条件下的混合料试件7 d无侧限抗压强度代表值RC0.95分别为5.01 MPa、5.77 MPa、6.71 MPa，均满足设计文件底基层强度不小于3.0 MPa的要求，其中，水泥用量在3.5∶100以上时，单个试件强度实测值均大于4.0 MPa，代表值RC0.95均大于4.0 MPa，高于规范文件底基层强度技术要求，且具有较高的强度富余系数。

同时对该底基层配合比进行3.5∶100水泥用量条件下的90 d龄期弯拉强度验证实验，测试水泥稳定碎石底基层混合料弯拉强度。试件的制备按T0844方法成型100 mm×100 mm×400 mm的中梁试件，压实度按97%控制，标准条件养生90 d，养生到期后采用UTM-25材料试验系统进行中心点加载模式进行加载试验，其90 d抗弯拉强度平均值约为0.95 MPa，同时其抗弯拉强度代表值可达到0.85 MPa以上。钢渣集料水泥稳定碎石的力学性能均高于规范中的技术要求指标。

3 结 论

组成设计优化充分考虑了钢渣与天然集料间密度与吸水率的差异，通过控制粗集料用量，建立了稳定的骨架结构。在对组成设计进行优化后，制备的钢渣集料水泥稳定碎石具有较高的最大干密度，同时无侧限抗压强度与抗弯拉强度等力学性能满足技术要求，并高于同类型天然集料水泥稳定碎石材料。

该研究主要解决了钢渣集料用于水泥稳定碎石中时配比设计、水泥及最佳用水量确定困难的问题。经高速公路工程实践验证，其施工效果良好，具有较好应用效果，可为同类型的公路建设项目提供参考依据。