鋼渣在半剛性基層材料中的應用研究
摘要：文章敘述了鋼渣用于二灰鋼渣基層和水穩鋼渣基層時的質量控制、施工工藝、路用性能和強度形成機理。文章指出了鋼渣用作二灰鋼渣和水穩鋼渣基層的半剛性材料，具有無側限抗壓強度高，特別是早期強度高、回彈模量高等力學性能特點，工程造價低、施工方便，有利于環境保護。最后還指出了鋼渣作為半剛性基層材料的推廣范圍。
關鍵詞：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，具有較大的強度、剛度，較好的水、溫穩定性和板體性，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。
隨著人們環保意識的不斷提高，工業廢料的開發利用日益得到重視，轉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特點是充分利用了鋼渣的膠凝性、微膨脹性，尤其與石灰、粉煤灰結合更加改善了三者的技術性能，提高了材料的穩定性。由于半剛性路面具有強度高、板體性好的特點，已成為我國道路建設的首選路面結構形式。環保型、高強度型是道路基層的發展趨勢，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，我們可以根據結合料的不同將其分為二灰鋼渣和水穩鋼渣。
1 二灰鋼渣基層材料
二灰鋼渣的應用研究目前在全國范圍內展開，二灰鋼渣在北京的應用已初具規模。眾多的應用研究已經為二灰鋼渣的品質要求、施工工藝、路用性能提供了依據。
1.1品質要求
鋼渣代替石料，安全而經濟地用于道路工程建設，將大大降低道路工程建設的費用，另一方面也增加鋼鐵企業的經濟效益。
道路工程對石料的基本要求包括：1）力學性能滿足荷載要求；2）氣候穩定性及化學穩定性良好；3）穩定的施工性能。國內外資料表明，道路工程尤其注意路用鋼渣的穩定性，常規路用石料為隨地球的演變而自然形成，其化學性能與耐久性能較穩定；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收規范》（CJJ35-90）中規定鋼渣必須分解穩定，粒徑符合規定，具有規定的強度。其游離氧化鈣含量應小于3%,最大粒徑不大于50mm,前期渣不得單獨使用，應采用堆積一年以上陳渣；《鋼渣混合料路面基層施工技術規程》（YBJ230-91）中對鋼渣有明確要求：筑路用鋼渣為經過陳化或其他方法處理已經穩定的鋼渣，其粉化率測定值的波動上限應不超過5%,應清除垃圾和有害物質（如廢鎂磚等）。張亮亮也對鋼渣作為路面基層材料的品質要求做了專門研究。他特別對各大鋼廠的鋼渣的壓碎值進行了測試，發現國內絕大部分鋼廠鋼渣的壓碎值指標低于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踐設計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、趕進度，特別是在雨季時，優點十分明顯，雨后天晴，二灰鋼渣基層一般可馬上進行鋪筑，不會像石灰土那樣長時間等待，或進行翻曬處理。
1.3路用性能
通過對不同含水量的試件進行重型擊實試驗，得出最大干密度、最佳含水量以及最佳配合比，并進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、馬鋼鋼渣應用工程以及安徽境內多條國道的大量應用中發現，二灰鋼渣道路基層具有優良的路用性能。
一系列的試驗和實踐表明，二灰鋼渣的7d和28d無側限抗壓強度高于設計標準，而且后期還有較大幅度的增長，抗彎拉強度和彎拉回彈模量都能滿足道路的要求。鋼渣試驗路基層整體回彈彎沉在60d齡期時的測定值遠遠低于設計要求的指標，試驗路基層的承載力很高。
朱珍芳發現二灰鋼渣28d抗壓強度、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，二灰鋼渣的后期強度增長顯著，180d抗壓強度、回彈模量達到甚至超過二灰碎石。可見鋼渣與二灰結合能力強于碎石，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性質、抗凍性和收縮性能，是優質的基層材料。石灰粉煤灰鋼渣在-10~-15℃區間內具有較大溫縮系數。當石灰粉煤灰鋼渣含水量為最佳含水量的1/10時，其干燥收縮系數出現峰值。
譚鵬研究了二灰鋼渣基層的疲勞性能，得到了一些有價值的結論，并結合試驗提出了減小鋼渣粉煤灰疲勞壽命變異性的幾種措施。
2 水穩鋼渣
2.1水穩鋼渣強度形成機理
肖常青、朱晗等人對水泥粉煤灰穩定鋼渣作為公路底基層進行探討研究，分析了水穩鋼渣基層強度的形成機理。
水泥粉煤灰穩定鋼渣混合料中，鋼渣本身具有一定的級配，鋼渣顆粒形成骨架密實結構。由于鋼渣本身強度很高，鋼渣骨架具有一定的強度。在鋼渣顆粒之間，水泥是活性結合料，在水環境下進行離子交換反應、Ca(OH）2的結晶反應、火山灰反應等物理化學反應。粉煤灰的主要作用是提供火山灰反應所需要的活性氧化硅和氧化鋁，在水泥和堿性物質作用下活性被激發，促進火山灰反應的進行。隨著齡期的增長，水泥、粉煤灰在混合料中的交結作用日益顯著，同時火山灰反應生成的產物進行聚合，使鋼渣顆粒間形成混亂的空間網狀連接，且連接強度和剛度增強，從而使水泥粉煤灰穩定鋼渣具有很高的強度。[Page]
2.2水穩鋼渣基層的施工工藝
司國權、朱晗等經過大量的試驗和考查提出了水穩鋼渣的成熟施工工藝。基本程序是：準備下承層——施工放樣——鋼渣、粉煤灰、水泥、水摻配和拌和——混合料運輸、混合料攤鋪——整形——碾壓——養護——接縫和調頭處的處理——檢測。
施工過程中需要作好幾個方面的質量控制：
1）原料質量控制
王曉明、胡釗芳、許水才等人通過總結實踐經驗，對水穩鋼渣基層的原料提出了要求，特別是鋼渣的材質進行了嚴格的限定。他們認為鋼渣顆粒應在5cm以下，且要求存放時間在5年以上，需要對鋼渣進行陳化與堆場管理。
2）合適的級配
用于道路基層時必須考慮合適的級配，使鋼渣內的空隙恰好能被游離氧化鈣遇水產生的膨脹所填充，以獲得足夠的強度和密實度。如果鋼渣中粗集料過多，空隙率過高，開始時遇較大顆粒間的嵌擠摩擦可取得一定的強度和穩定性，但隨著鋼渣中游離氧化鈣的消解，鋼渣體積膨脹的同時，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，如果鋼渣中細集料過多，則易引起相反情況。由于這一現象，鋼渣基層道路施工建設時的壓實度不僅考慮下限，亦應考慮一定上限，即留出一定空間供膨脹填充。
同一工廠生產的鋼渣，由于其礦石來源，冶煉工藝的相對穩定，其化學成分通常是穩定的。因此，道路施工單位應根據鋼鐵廠家的鋼渣生產線的具體情況和道路需要提出具體的級配要求，供料單位應保證鋼渣顆粒組成使用的穩定性。
彭亞林、楊錫武等研究了水穩鋼渣基層材料級配區間。他們認為水泥粉煤灰穩定鋼渣相對于水泥穩定類材料而言，是用粉煤灰替換部分劑量的水泥，不但降低了造價，而且減弱了基層初期干縮趨勢；相對于石灰粉煤灰穩定類材料而言，是用一定劑量的水泥替換全部石灰，有利于提高初期強度。研究給出了適合于水泥粉煤灰穩定鋼渣的連續級配區間。
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，并研究了其強度形成機理。曾曉文在研究水泥、粉煤灰綜合穩定鋼渣基層在昌金高速公路的配合比設計的應用，認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，因此應控制鋼渣級配符合現行施工規范的要求。
3）最佳含水量控制
最佳含水量由擊實試驗（參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTJ57-94））測定。肖常青通過試驗發現，隨著水穩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水穩鋼渣的路用性能 .
我國道路工程和環保方面的專家學者在大量實踐的基礎上，通過室內試驗和鋪筑試驗，對水穩鋼渣作為高等級公路路面基層的性能進行了分析。肖常青通過試驗測得水穩鋼渣基層的7d無側限抗壓強度達到3.26MPa,說明水穩鋼渣的早期強度較高。水穩鋼渣基層的整體回彈模量均大于200Mpa,水穩鋼渣施工中易于碾壓，在相同的壓實機械和壓實遍數下，其壓實度接近100%.
吳勝燕還研究了水穩鋼渣基層的抗沖刷性能，在其他條件一致的情況下，水穩鋼渣的抗沖刷性能介于水泥穩定碎石和二灰穩定碎石之間。而且發現，水穩鋼渣的強度與抗沖刷性能有一定關系，施工時要求基層要達到足夠的壓實度和養生期以保證其強度；水穩鋼渣的抗沖刷性能還與水泥含量有關，且存在一個經濟臨界水泥含量，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定碎石干縮性質的影響。試驗結果表明，鋼渣對水泥穩定碎石的干縮有一定的抑制作用，鋼渣的顆粒越細其干燥收縮越小，摻量越多效果也越顯著。但在實際應用中，必須通過試驗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定碎石產生不利影響。
羅俊明還研究了水淬鋼渣作水泥鋼渣穩定基層的應用情況，指出力學性能好、水穩定性強、造價低、施工方便。
3結論
鋼渣用作二灰鋼渣和水穩鋼渣基層的半剛性材料，具有無側限抗壓強度高，特別是早期強度高、回彈模量大等力學性能，工程造價低、施工方便，而且是廢物利用，有利于環境保護，是一項利國利民的好事，值得推廣。
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