（森林工程专业论文）掺钢渣的石灰粉煤灰稳定碎石性能的研究.pdf

摘 要 半刚性路面基层材料二灰碎石以其优良的工作性能和显著的经济效益在我国道 路建设中得到了广泛应用。但由于材料本身的原因，在道路运营阶段易出现干缩和温缩现 象，使半剐性基层很容易产生裂缝，从而导致半刚性基层沥青路面使用性能的降低，影响 了道路的使用寿命。钢渣，作为一种工业废渣，具有和天然石料一样的强度和具有微膨胀 性，已慢慢在道路建设中投入使用。但是将钢渣作为组成材料大量用于半刚性基层材料 还不是很普遍。本文以马鞍山钢渣公司的钢渣为研究对象，分析研究了在半刚性基层材 料二灰碎石中掺入不同粒径的钢渣，用钢渣部分取代粉煤灰和取代相同粒径的碎石后，混 合料无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度、抗压回弹模量以及干燥收缩的变化情况。结果表 明：l 、随着细钢渣掺量的增加，混合料强度和刚度都呈先增大后减小的趋势。这说明当细 钢渣掺量一定( 钢渣：粉煤灰= 1 ：2 ) 时，能明显提高混合料的强度和刚度；随着粗钢渣 的掺入，混合科强度和刚度都呈增大的趋势。2 、掺入一定比例的细钢渣后( 钢渣：粉煤 灰= l ：2 ) ，对混合料的干燥收缩减缓效果较为明显。而掺入粗钢渣后干燥收缩减缓效果 不是很明显。本文还分析研究了用蒸汽试验法测定钢渣的膨胀率情况。通过钢渣的膨胀性 来辅助分析半刚性基层材料中掺入钢渣后干燥收缩有所减缓的原因。试验结果表明：钢渣 粒径越小，膨胀率越大。本文还就掺钢渣的石灰粉煤灰稳定碎石的工程应用进行了探讨， 这种产品如能推广使用，将具有很好的经济效益和社会效益。 关键词；二灰碎石钢渣抗压强度和劈裂抗拉强度抗压回弹模量干燥收缩 s t u d yo nt h ep r o p e r t yo fl i m e f l y a s hb o u n dm a c a d a mj o i n e dw i t h s t e e ls l a g a b s t r a c t t h es e m i r i g i db a s ec o u r s em a t e r i a lm a d eo fl i m e f l y a s hb o u n dm a c a d a mh a sb e e n w i d e l yu s e di nh i g h w a yc o n s t r u c t i o no fc h i n af o ri t sh i g l lw o r k a b i l i t ya n d n o t a b l ee c o n o m i c b e n e f i t s b u t ，f o rt h ep e r f o r m a n c eo fm a t e r i a l ，c r a c k so f t e no c c u ri nt h el i m e - n y a s hb o u n d m a c a d a mb a s ed u et ot h ed r y s h r i n k a g ea n dt e m p e r a t u r e - s h r i n k a g ed u r i n gt h es t a g eo fh i g h w a y b u s i n e s s a sar e s u l t ，t h ea p p l i c a b l ep r o p e r t i e so fs e m i - r i g i d i t yb i t u m i n o u sp a v e m e n ta n dt h e s e r v i c el i f eo fh i g h w a ym a yb ew e a k e n e d s t e e ls l a g ，a ni n d u s t r i a lw a s t es l a g ，h a sb e e nw i d e l y u s e di nh i g h w a yc o n s t r u c t i o ng r a d u a l l yf o ri t ss t r e n g t hs a m ea sn a t u r a ls t o n ea n dt h ep r o p e r t i e s o f e x p a n s i o n b u ti th a sn o tw i d e l yu s e di nt h es e m i - r i g i db a s ec o u r s em a t e r i a la sac o m p o n e n t b a s e do nt h es t e e ls l a go f s t e e ls l a gc o m p a n yi nm aa ns h a n ，t h es e m i r i g i db a s ec o u r s e m a t e r i a lm a x l eo fl i m e - n y a s hb o u n dm a c e d a mj o i n e dw i t hd i f f e r e n ts i z es t e e ls l a gi nl a bt e s t s h a sb e e ns t u d i e do n t h es t u d yf o c u s e so nt h ec h a n g eo ft m c o n f i r m e dc o m p r e s s i v es t r e n g t k s p l i t t i n gt e n s i l es t r e n g t h ，m o d u l u so fc o m p r e s s i v er e s i l i e n c ea n dd r ys h r i n k a g ep r o p e r t ya f t e r t h ef l y a s hp a r t i a l l yr e p l a c e db ys t e e ls l a ga n dt h em a c a d a mm p l a c e db yt h es a m es i z es t e e ls l a g b a s e do nt h et e s t t h ec o n c l u s i o nw a sd r i v e nt h a t ：1 、t h es t r e n g t ha n dt h er i g i d i t yo fm i x t u r e s i n c r e a s ei nt h ef i r s ta n dd e c r e a s ei nt h el a s tw i t ht h ec o n t e n to fs m a i ls i z es t e e ls l a gi n c r e a s i n g 1 1 l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ti tc a nm a i n l ye n h a n c et h es t r e n 垂ha n dt h er i g i d i t yo f m i x t u r e sw h e nt h ep r o p o r t i o no fs m a l ls i z es t e e ls l a gr e p l a c i n gt h ef l y - a s hi sp r o p e r ( r a t i oo f s t e e ls l a ga n df l y - a s hi s1 ：2 ) ；1 1 l es t r e n g t ha n dt h er i g i d i t yo f m i x t u r e si n c r e a s ew i t ht h ec o n t e n t o f l a r g es i z es t e e ls l a g i n c r e a s i n g 2 、w h e n t h e p r o p o r t i o n o f s m a l ls i z e s t e e ls l a gr e p l a c i n g t h e f l y a s hi sp r o p e r ( r a t i oo fs t e e ls l a ga n df l y - a s hi sl ：2 ) ，i tc a nm a i n l yw e a k e nt h ed r ys h r i n k a g e o fm i x t u r e sb u tt h el a r g es i z es t e e ls l a gc a n t n l ee x p a n s i o nr a t eo fs t e e ls l a gw i t hs t e a mt e s ti s r e s e a r c h e di nt h i sp a p e rt o o b a s e do nt h et e s t ，t h er e a s o nt h a tt h ed r ys h r i n k a g eo ft h e s e m i r i g i db a s ec o u r s em a t e r i a lh a sb e e nw e a k e n e da f t e rs t e e ls l a gj o i n e di sa i d e da n a l y s i sb y t h ee x p a n s i o nr a t eo fs t e e ls l a g t h ee x p e r i m e n t a l | - e s l j l t ss h o wt h a tt h es m a l l e rp a r t i c l es i z eo f s t e e ls l a gt h el a r g e rv a l u ee x p a n s i o nr a t ei s n ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ft h el i m e f l y - a s h b o u n dm a c a d a m j o i n e dw i t hs t e e ls l a gh a sa l s ob e e nd i s c u s s e d u s m gt h i sp r o d u c tw i d e l yi nt h e c o n s t r u c t i o nw i l l 嘶n gt h eg r e a ts o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i tf o r t h k e yw o r d s ：l i m e f l y - a s hb o u n dm a c a d a m ，s t e e ls l a g , c o m p r e s s i v es t r e n g t ha n ds p l i t t i n g t e n s i l es t r e n g t h ，m o d u l u so f c o m p r e s s i v er e s i l i e n c e ，d r ys h r i n k a g e l iy u n c o l l e g eo f c i v i le n g i n e e r i n go f n a n j i n gf o r e s t r yu n i v e r s i t y s u p e r v i s e db yp r o f e s s o ry u a ng a n gw a n g 致谢 本文的研究及撰写工作均是在我的导师一一王元纲教授的愚心指 导下完成的。无论是在论文的选题、试验研究还是在论文的评阅和定 稿等方面导师都倾注了大量的心血。 三年来，导师严谨的治掌态度、渊博的学识深深地影响和教诲着瑟。 导师的言传身教是我整个攻读硕士学位期间所获得的最宝贵的精神财 富。并将激励我走向工作岗位。在此向他表示最深的感谢，并由衷地祝 他：身体健康! 工作顺利! 桃李满天下! 在论文的试验研究过程中还得到了东南大掌建材试验室的秦鸿根 教授的热心指导和帮助。在此表示真诚的感a v a - ! 论文的顺利完成还得到了土木工程学院赵尘院长、黄新教授、杨平 教授、李国芬副教授、吴育琦副教授、张大中高级实验师、张高勤老师、 胡亚风老师的大力协助以及张澎、姜大为、夏风波等同学的帮助在此 向他们表示深深的谢意 李芸 2 0 0 5 年5 月 1 引言 1 1 半刚性基层材料概述 随着我圈国民经济的快速发展，交通基础设施建设的规模正在进一步扩大。近1 0 年 来，我国以高速公路为代表的高等级公路建设下在蓬勃发展。据规划，到2 0 l o 年，将建 成高等级公路3 万多公里，其中高速公路约1 50 0 0 k m 。这些高等级公路将成为我国公路 网中的国道主干线，也就是我国公路规划中的五纵七横。它们承担的交通运输任务将远远 超过它们在公路网中所占的比例。公路建设向高等级、高标准的方向发展，并且为了满足 可持续发展战略的要求，节约土地、节约能源和保护环境成为今后交通基础建设首要考虑 的问题，这些必然给公路设计者和建设者在经济效益和技术要求方面提出了更高的要求。 为了适应公路建设的需要，半刚性路面基层材料以其优良的工作性能和显著的经济效 益在我国公路建设中得到了广泛应用。我国已建成高速公路的路面，9 5 左右是半刚性基 层高等级沥青混凝土面层( 简称半刚性路面) 。半刚性材料是指：凡是用水硬性结合料( 我 国又常称无机结合料) 稳定的各种土当其强度符合规定的要求时，都统称半刚性材料，它 包括水泥稳定土、石灰稳定土、石灰稳定工业废渣和综合稳定土。 石灰粉煤灰稳定碎石( 也称二灰碎石) 是一种广泛使用的路面半刚性基层材料。与水泥 混凝土、沥青混凝土一样，它可以看作是由基体相( 石灰、粉煤灰) 和分散相( 集料) 组成的 两相复合材料。粉煤灰是一种火力发电厂的副产物，是一种火山灰材料，其主要成分是氧 化硅和氧化铝，次要成分是碳和铁、钙、镁及硫的氧化物。在有石灰和水的条件下，粉煤 灰与氢氧化钙反应并能生成胶凝性的物质，继而把碎石胶结成整体，使其具较高的强度及 稳定性，二灰碎石基层具有明显的水硬性、缓凝性、板体性，但耐磨性较差。其强度形成 除了受材料性能和组成比例的影响外，还跟温度和湿度有关。由于粉煤灰颗粒为空心玻璃 球体，所以其干缩系数和温度收缩系数比其它半刚性材料小，对减少温缩裂缝和千缩裂缝 具有重要意义。二灰碎石成型后，强度较高，水稳性好，用在公路工程建设中，其具有以下优 势：强度及各方面性能都能保证沥青面层和混凝土面层的质量要求；价格相对低廉； 二灰中粉煤灰的质量容易满足要求；施工比较方便，质量较易控制；耐久性好，水稳 性好，变形小。由于二灰碎石具有这些优点，所以其应用前景十分广阔。 虽然二灰碎石半刚性基层具有良好的力学性能，但是由于石灰、粉煤灰，碎石和水拌 和、压实后。因蒸发和混合料内部发生水化作用，混合料的水分会不断减少。由于水的减 少而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用，会引起体积收缩，即干缩。另外组 成二灰碎石半刚性材料的三个相，即固相、液相( 水) 和气相在降温过程中相互作用的结果， 也会产生体积收缩，即温度收缩。由于二灰碎石的强度发展比较慢，在其硬化初期，当干 缩或温缩很大时铺筑好的半刚性基层很容易产生裂缝，严重时，这种裂缝还会促成沥青路 面的面层形成发射裂缝，从而导致半刚性基层沥青路面使用性能的降低。 1 2 钢渣的性质和研究概况 1 2 1 钢渣的研究应用概况 随着各地钢铁工业的蓬勃发展，钢铁冶炼过程中排出的固体废弃物钢渣亦大大 增加。钢渣是炼钢工业中用石灰提取杂质而大量生成的废渣，包括转炉渣、乎炉渣和电 炉渣等。平均每生产1 t 钢材要产生1 5 0 2 5 0 k g 钢渣。钢渣中含有岛s 、c 。s 等水硬性矿 物和硅、铝质玻璃体。因而具有一定的水硬性或潜在水硬性。由于钢渣中含有大量的 f - c a o 和一定量的f e ，因此其安定性和易磨性较差。钢渣的主要成分是铁、氧化钙、硅 和铝等，如马钢钢渣中铁含量约为2 0 - 3 0 ，氧化钙含量大于4 5 ，硅和铝的含量为1 5 左右。在石灰的激发作用下，钢渣具有较高的活性，因而大规模开发利用钢渣，是交废 为宝的一大课题。近二十年来，世界上许多钢产量较大的国家都十分重视钢渣的处理及 开发利用，基本上达到产用平衡。目前，欧美、日等发达国家的钢渣利用率已近1 0 0 ， 其中5 6 - 6 0 用于筑路。据1 9 8 5 年资料统计，日本高炉渣的利用率几乎达1 0 0 ，主要用 于筑路、作水泥原辑和建筑骨料。转炉渣的利用率在8 1 ，主要用于填海和土建工程。 美国的钢渣利用率为7 9 j 6 ，其中5 9 用于冶炼溶剂。美国国内8 条主要铁路也是采用钢 渣做铁路道渣。联合国( e c e ) 组织对美、日、俄、德、法等2 0 多个国家钢渣的利用情 况作了调查，统计表明2 0 个国家的钢渣5 0 左右用于道路工程。而我国在钢渣处理和 刀= 发利用上起步较晚，虽然对钢渣在水泥行业的应用研究非常多，但是实际利用率不足 1 0 。虽然道路建设是大规模利用钢渣的有效途径，但由于钢渣有其相对特殊的物理力学 性能，我国曾进行过的应用尝试有些没有成功，致使推广应用较慢。由于钢渣种类多，处 理技术难度大，牵涉面广，所以处理和利用一直未得到实际的开拓和发展，绝大部分钢 渣仍弃置江河，堆占农田，造成严重的环境污染和资源浪费。目前我国的钢渣主要应用 于工程回填料、农肥、筑路、油田建设和水泥工业方面，资源流失比例仍然不小。在城 市建设中钢渣在基本建设中的应用范围这几年来正迅速增加和扩大。尤其在交通道路方 面，海港码头、工人住宅区等建设中也大量使用了钢渣。而利用钢渣生产路面基层材料 不仅可以大量节约工程造价，还可以减少钢渣对环境的污染，具有非常明显的经济效益 和社会效益。 目前国外对钢渣的研究主要是作为开发高强度水泥方面的研究，或作为一种路基填 科和改善土质。日本利用钢渣中石灰等有效成分提高受污泥等污染的封闭性海域的海底 水质和底质，如东京湾、伊势湾、濒户内海等，已有预试验结果，从1 9 9 0 年起，得到专 家协作，正在研究。钢渣用于工程方面，其稳定性是影响工程质量的关键。许多国家在 致力于研究钢渣体积膨胀的机理，寻求快速检验膨胀的方法以及研究稳定钢渣体积的措 施。国内从5 0 年代起就已开展钢渣用于路基填料的研究。如9 0 年代初期，宝成铁路复线 砥好通过长钢，能否利用长钢钢渣做为路基填料，其经济效益和社会效益都不可低估。 西南交通大学土木工程学院道路及铁路工程系为此作了可行性研究。为了弄清钢渣的物 理、力学特性指标及化学侵蚀性情况，西南交通大学为此做了大量的室内试验，如颗粒 级配试验、比重试验、相对密度试验、击实试验、压缩试验、渗透试验、高压大三轴试 验及直剪试验等。从而得出结论：长钢钢渣完全符合铁路路基填料标准，不失为一种良 好的路基填料。李志安对兰州钢厂阳洼沟排渣场的钢渣废料，从筑路材料应具备的工程 性质，对钢渣颗粒压碎值、c b r 值、无侧限抗压强度等强度指标方面进行了实验研究， 结果证明该钢渣符合我国一级公路和高等级公路筑路材料标准，从而为道路工程广泛应 用钢渣废料填筑路堤提供了必要的参考依据。也有研究单独使用级配钢渣作为水泥混凝 土路面基层或垫层材料，该研究通过分析安钢转炉钢渣的力学性能，以及道路工程师在 钢渣应用中最担心的问题一游离氧化钙反应后的膨胀问题的研究及其结果，提出了使 用级配钢渣混合料作为道路基层材料加以应用在施工中的要求。这些都是关于钢渣作为 路基填料和路面基层材料方面的研究，他们利用的是钢渣的力学性能方面具有的特点。 又有人提出：在砂子较缺乏的地区，如何用钢渣代替混凝土中的砂子，掺到粉煤灰混凝 土中，来提高粉煤灰的掺量，以达到降低工程成本，减少环境污染的目的。广西柳州市 市政设计研究科学院于1 9 9 5 年成立了“粉煤灰钢渣混凝土在道路路面中的运用”科研小 组，1 9 9 8 年1 月2 1 日，该科研项目成果通过了由广西柳州市科委组织的专家组的鉴定， 并获得好评。沈卫国等人致力于钢渣粉煤灰路面基层材料的研制，经过研究，得出了如 下4 点结论：钢渣掺量增加，其最大干密度增加，最佳含水量降低；钢渣粉煤灰用于 路面基层材料时其最优配比为钢渣：粉煤灰1 ：l 、外加剂掺量为2 5 ；钢渣粉煤灰路 面基层材料的长期强度介于水泥稳定碎石和二灰稳定碎石之间，可用于各等级公路基层 底基层的修筑；钢渣粉煤灰路面基层材料的劈裂强度回弹模量介于水泥稳定碎石和二 灰稳定碎石之间。在路面设计时回弹模羹设计值为1 3 0 0 1 7 0 0 m p a ，劈裂抗拉强度设计值 为0 5 0 8 m p a 。 1 2 2 钢渣的物理特性 钢渣是一种固态非金属物质，其物理力学性质与石料比较接近，主要差别在于其形 成时间短暂。钢渣含有游离氧化钙和氧化镁等。游离氧化钙遇水生成c a ( o h ) ：，体积将 增大一倍以上。氧化镁遇水生成m g ( o h ) 。体积增大0 7 - 0 8 倍，但钢渣中的氧化镁通常 以稳定晶体存在，而游离氧化钙消解则会使钢渣膨胀与粉化。因此，对钢渣的质量控制 通常为钢渣所含游离氧化钙数量或相关性能，如建设部颁布的钢渣石灰类道路基层施工 及验收规范( c j j3 5 9 0 ) 中规定：“钢渣必须分解稳定。粒径符合规定，具有规定的强度。 其游离氧化钙的含量应小于3 最大粒径不大于5 0 m 。前期渣不得单独使用，应采用堆 积一年以上陈渣”( 见c j j3 5 9 0 中2 1 1 条) ；冶金部于1 9 9 1 年颁布的钢渣混合料路面基 层施工技术规程( y b j2 3 0 - 9 1 ) 中对钢渣的明确要求为：“筑路用钢渣为经过陈化或其他 方法处理已经稳定的钢渣，其粉化率测定值的波动上限应不超过5 ，应清除垃圾和有害杂 质如废镁砖等”见( y b j2 3 0 9 l 中2 1 1 条) 。同时，钢渣具有一定的粒度，其内部的活性 c a ( o h ) 。呈均匀分布，位于颗粒表面的c a ( o h ) ：与其周围介质最早接触，化学反应最早， 使钢渣表面产生碎裂、崩解、剥落、胀裂等。在c a ( o h ) 。均匀分布的区域，化学反应激 烈程度与膨胀力大大减弱。因此，钢渣在道路工程中的应用应因势利导，充分发挥其优 点。 1 2 3 钢渣的化学成分 钢渣主要的化学成分有钙、铁、硅、镁和少量铅、锰、磷的氧化物。钢渣中的各种 成分含量依炼钢炉型、钢种以及每炉钢冶炼阶段的不同，有较大的差异。钢渣的化学成 分见下表1 1 。 表1 1 钢渣的化学成分( ) 渣别c a oy e of e 2 0 3s i o 。 m g o a l 2 0 3m n op 2 0 5 s 转炉4 5 - 5 5l o 1 0 2 0 1 05 512 平炉前期2 0 - 3 02 02 02 0 1 0 5 5 l2 平炉精炼期 3 5 - 4 01 51 52 0 l o5 512 平炉后期4 0 - 4 51 01 02 0 1 05 5l2 电炉氧化期3 0 - 4 02 02 02 0 1 05 512 电炉还原期5 5 - 6 5 1 0 1 02 0 d 镁的含量( ) 6 2 1 2 粉煤灰 粉煤灰是火力发电厂的副产品，它是磨细煤粉燃烧后从烟道排出的并经收集的粉末， 是一种火山灰材料，其主要成分是氧化硅和氧化铝，次要成分有碳和铁、钙、镁及硫的氧 化物，也可能有钠、钾、钛、锰和磷的氧化物以及一部分未燃烧的碳。其氧化物含量的波 动范围为：s i 0 2 ：4 0 6 5 ，a l 2 0 3 ：1 5 4 0 、f e 2 0 3 ：4 2 0 。粉煤灰中各种 氧化物的总量常超过8 5 ，氧化钙含量一般为2 6 。这种粉煤灰可称为硅铝粉煤灰， 个别地方的粉煤灰含有1 0 4 0 的氧化钙，这种粉煤灰可称作高钙粉煤灰。粉煤灰的 颗粒，是实心的或空心的球状颗粒，玻璃含量( 非晶质材料) 占7 1 8 8 ，其尺寸变化在 o 0 1 m m 0 2 5 r a m 之间，小于0 0 7 5 m m 的颗粒含量为6 0 8 0 ，它的比表面积一般在 2 0 0 m 2 k g 3 5 0 m 2 k g 之间。 粉煤灰的结构细密，内比表面积小，且对水的吸附能力较小，从而对相同量的石灰或 水泥，其需水量较小。所以，粉煤灰混合料具有干缩性小、抗裂性好，同时也具有水化热 低、抗蚀性好等优点。粉煤灰本身基本上没有粘结性，但是当以分散的状态与水和消石灰 或水泥混合时，能发生反应生成有胶凝性的产物，并能在水中硬化，这一特性已广泛应用 于公路工程。 粉煤灰的技术指标要求如下； ( 1 ) 氧化物的含量( 氧化铝、氧化硅、氧化铁) 粉煤灰中氧化物的含量对二灰碎石混合物的强度有明显的影响，我国公路路面基层 技术规范( j t j 0 3 4 - 2 0 0 0 ) 规定粉煤灰中氧化铝、氧化硅和氧化铁的含量应大于7 0 。 ( 2 ) 细度 粉煤灰的细度也直接影响与石灰火山灰反应后生成物的数量，从而影响到二灰粒料的 强度。粉煤灰的细度越小，比表面积就越大，粉煤灰的活性就越大，二灰粒料的强度也就 越高。我国公路路面基层技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 规定粉煤灰的比表面积宜大于2 5 0 m 2 k g ( 或9 0 通过0 3 m m 筛孔，7 5 通过0 0 7 5 r a m 筛孔) 。 ( 3 ) 含碳量( 在8 0 0 0 c 9 0 0 0 c 下能烧失的量) 由于粉煤灰中的含碳量过商会影响其活性，烧失量越大也就是粉煤灰中含碳量越大， 则相应的活性组分就少，粉煤灰的活性就降低，所以我国公路路面基层技术规范 ( j t j 0 3 4 - 2 0 0 0 ) 规定烧失量不应超过2 0 。 本课题所采用的是南京热电厂的湿排灰，在试验室烘干后过o 3 m m 筛。经测定，其 活性氧化物( s i 0 2 + f e 2 0 3 + a h 0 3 ) 的含量为8 2 o ，烧失量为5 3 6 ，比表面积为 2 6 6 m 2 & g ，表观密度为2 0 2 8k g , m 3 。 2 1 3 钢渣 本课题采用马鞍山钢铁厂转炉排出的堆积一年以上的陈渣。钢渣按粒径大小分为两 个规格，粗钢渣和细钢渣。其中粗钢渣的表观密度为3 0 5 6 k g m 3 ，压碎值为2 1 3 5 ，级 配组成如表2 - - 2 。细钢渣的表观密度为2 8 0 9 k g m 3 ，级配组成如表2 - - 3 。粗细钢渣化学 组成如表2 4 所示。粗钢渣的内部构造和表面形状如图2 1 和图2 2 所示。 表2 2 粗钢渣级配组成 筛孔尺寸 3 1 5 01 9 0 09 5 04 7 52 _ 3 61 1 80 6 00 0 7 5如0 7 5 ( n m a ) 通过胖 ( ) 1 0 09 9 2 56 9 02 6 1 3 1 1 1 3 9 _ 3 8 8 o2 0| 表2 3 细钢渣级配组成 筛孔尺寸 ( m m ) 3 1 5 0 1 9 0 0 9 5 04 7 52 _ 3 61 1 80 6 0 o 3 00 1 50 0 7 5 0 i f 5 通曲瓣 ( ) 1 0 01 0 01 0 01 0 08 7 8 37 1 1 25 3 5 9 3 7 0 22 5 9 51 0 7 4| 表2 4 钢渣的化学成分 成分 s i 0 2 c a 0 m g o f e 2 0 3a 1 2 0 3 s 0 3 m n of - c a o l 含量( )1 2 1 04 3 7 87 9 02 0 7 53 2 50 2 92 1 62 6 7 图2 一l 粗钢渣内部构造图图2 - - 2 粗钢渣表面形状图 注：图片标尺最小刻度为0 2 m m 。 2 1 4 集料 集料在二灰碎石混合料中起骨架作用，其强度和级配的好坏会直接影响混合料的力学 性能。二灰碎石的早期强度在很大程度上取决于集料的特性。一般来说。具有良好级配的 集料与适当比例的二灰在最佳含水量状态下经混合形成的混合料，通过机械压实、养生后 能得到性能优良的二灰碎石稳定基层。对于集料的选择，除了要考虑集料本身的力学性能。 还必须考虑由此类型的集料组成的混合料是否满足道路上的使用性能，如平整度、耐久性 性能、抗收缩性性能等。对二灰碎石基层考虑n - - 灰集料的粘结性能，集料最好采用级配 碎石，以增强集料间的嵌挤作用，增大骨架间的内摩阻力，提高级配集料层的抗压强度和 抗剪强度。同时集料中的细集料的含量要适当。通过研究表明，集料中的细料含量同二灰 碎石基层的收缩性能存在很大关系，在满足力学性能的前提下，应尽量控制细料在整个混 合料中的含量。本课题所采用的是南京白云石矿生产的石灰岩质集料，按粒径大小分为 三个规格：9 5 3 1 5 m m ；2 3 6 1 9 o m m ；0 0 7 5 9 5 m m 。表观密度分别为：2 9 4 lk g m ： 3 0 1 9 k g m 3 ：2 5 2 1 k g m 3 ，压碎值为1 8 2 。试验时按级配要求进行配置。混合集料的级 配如表2 5 所示。 表2 5 二灰碎石集料级配 筛孔尺寸 ( r a m ) 3 1 5 01 9 0 09 5 04 7 52 3 61 1 80 6 00 0 7 5 0 0 7 5 通醢黝率 ( ) 1 0 08 5 4 5 6 3 1 l 4 5 1 7 2 9 1 61 8 5 7 1 1 7 31 9 9 2 2 配合比的确定 本试验在二灰与集料的配比一定的情况下( 即2 0 ：8 0 ) ，分为两部分内容： ( 1 ) 用细钢渣部分或完全取代粉煤灰，研究钢渣取代粉煤灰后对二灰碎石性能的影响。 细钢渣取代粉煤灰的比例参照相关资料中的掺入量。见表2 6 。 表2 6 掺细钢渣后混合料配合比 i 页目 代八 石灰钢渣粉煤灰：集料钢渣：粉煤灰 石灰：钢渣：粉煤灰 a2 0 ：8 0o ：l 6 ：o ：1 4 b2 0 ：8 01 ：3 6 ：3 5 ：1 0 5 c 2 0 ：8 0l ：26 ：4 6 7 ：9 3 3 d2 0 ：8 01 ：l6 ：7 ：7 e2 0 ：8 02 ：l 6 ：9 - 3 3 ：4 6 7 f2 0 ：8 01 ：0 6 ：1 4 ：o ( 2 ) 经筛分试验得知，粗钢渣级配中含量最多的是9 5 m m 和4 7 5 m m 两种粒径的颗粒， 为充分利用钢渣，分别用4 7 5 m m 和9 5 m m 粒径的粗钢渣取代二灰碎石中同粒径的集料， 而二灰的比例保持不变( 即6 ：1 4 ) ，研究粗钢渣取代集料后二灰碎石性能的影响。 通过筛分把二灰碎石集料中4 7 5 r m n 粒径( 在集料中比例为2 2 ) 和9 5 m m 粒径( 在 集料中比例为1 8 ) 的碎石取出，分别掺入相应的粗钢渣。代号记为粗4 7 5 和粗9 5 0 。 9 2 3 试验方法 2 3 1 标准击实试验 本课题所用集料的最大粒径为3 1 5 r a m ，根据公路工程无机结合料稳定材料试验规 程( j t j 0 5 7 - - 9 4 ) 选用丙类击实方法。其主要参数见表2 7 。 表2 7 击实试验的参数 类锤的锤击面落高试筒尺寸 矮击 每层平均单窑愀 别 质最直径 ( e m ) 内径高容积 层数 锤击位击实粒径 咏) ( c m )( e r a )( c m )( c m ) 次数( j )( r m a ) 丙 4 55 04 51 5 21 2 02 1 7 73 9 82 6 7 74 0 2 3 2 试件的制作与养生 根据公路工程无机结合料稳定材料试验规程( j t j 0 5 7 9 4 ) 规定，经过无机结合料 重型击实试验得出不同类型混合料的最佳含水量和最大干密度后，就可以进行不同类型混 合料试件的制各。本试验采用静力压实法制备试件，试件规格分为两种：中1 0 0 r a m l o o m m 圆柱形试件和l o o m m l o o m m x 5 1 5 m m 小梁试件。其中圆柱形试件用来测定二灰 钢渣稳定碎石的强度和刚度，试件的制作数量依据公路工程无机结合料稳定材料试验规 程( j t j 0 5 7 - 9 4 ) 的规定。小梁试件用来测定二灰钢渣稳定碎石的干缩特性，每组配合比 制作4 个平行试件，其中两个用来测定干缩变形用，两个用来测定失水量用。试件成形后 放入养护室养护。 试件均在标准养护室中进行养护，养护温度和湿度依据试验规程的设备要求。无侧 限抗压强度试件龄期分别为7 天、1 4 天和2 8 天，劈裂抗拉强度试件龄期分别为9 0 天和 1 8 0 天，回弹模量试件龄期分男为7 天、1 4 天和2 8 天。小粱试件在标准养护室中进行养 生至7 天后( 最后一天不进行浸水) 取出，平放在试验室操作台( 质地为不吸水材料) 上 自然干燥，即可进行干缩数据的测定。 2 3 3 无侧限抗压强度试验 根据公路工程无机结合料稳定材料试验规程( j t j 0 5 7 - 9 4 ) 制各试件。将经过养生 后不同龄期的试件放入路面材料强度试验仪的升降台上。本试验采用的是3 t 的测力环， 进行抗压试验。试验过程中，使试件的形交等速增加，并保持速率为l m m m i n ，记录破 坏对的作用力p ( n ) 。 计算试件的无侧限抗压强度r c 公式如下： r c = p a = 0 0 0 0 1 2 7 p ( m p a ) 式中：卜_ 试件破坏时的最大压力( n ) ； 小一试件截面积( a = 3 1 4 x i ) 2 1 4 ，胁一试件的直径，单位r n m ) 。 1 0 2 3 4 间接抗拉强度试验( 劈裂抗拉试验) 把养生至不同龄期的试件放至沥青混凝土马歇尔稳定度仪上，在试件的上下面分别置 一压条( 上下压条与试件的接触线必须位于试件直径的两端，并与升降台垂直) 。在试验 过程中应使试件的形变等速增加，并保持速率为1 m m m i n ，记录破坏时的作用力p ( n ) 。 计算试件的间接抗拉强度r f 公式如下： r r = 0 0 0 6 2 6 3 p ，h ( m p a ) 式中：p 试件破坏时的作用力( n ) ； h 一浸水后试件的高度( 咖) 。 2 。3 。5 抗压回弹模量试验 本试验采用顶面法测试件的抗压回弹模量。所谓顶面法是指在顶板上安置干分表测量 整个试件在加载及卸载时的形变。测力环仍采用上述3 t 的测力环，顶板上对称地安置两 个位移计测形变量。测试时，先用拟施加的最大载荷的一半进行加载卸载预压试验，然后 将预定的单位压力分成6 个等分作为每次施加的压力值。变形速度为2 m m m i n ，加载l m i n 后读取总形变及加载值，卸载后o 5 m i n 读取弹粘形变量，两次形变量的差值即为回 弹形变量值。如此进行，直至记录下最后一级荷载下的回弹形变。 计算公式： ( i ) 计算每级荷载下的回弹形变l l = i b h 载时读数一卸载时读数 ( 2 ) 以单位压力p 为横坐标，以回弹形变l 为纵坐标，绘制p 与l 的关系曲线。修正曲 线开始段的虚假形变。 ( 3 ) 用所得图形的斜率( 即p 几) 乘以试件的高度即为该试件的抗压回弹模量值。 e = ( p l ) h 式中：e - - 回弹模量( m p a ) p 一单位压力( m p a ) i 广_ 式件回弹形变( n u n ) h _ 试件高度( r a m ) 2 3 6 干燥收缩试验 2 3 6 1 钢渣膨胀率测定试验 在德国，发展了几种方法来获得钢渣膨胀性的信息。从1 9 7 8 年的压热器试验法，到 蓄水试验，蒸汽试验。蒸汽试验方法已被欧洲国家视为一种有效的试验方法，并且统一为 钢渣试验的欧洲标准。 蒸汽试验原理简单，如图2 - - 3 所示。将颗粒粒径为0 2 2 m m 的钢渣试样放在一个四 周封闭的蒸汽装置内，往装置内不停地输送1 0 0 蒸汽，以保证水化所需的湿度。体积变 l l 化由与试样表面连接的百分表测量。 本试验主要对细钢渣和4 7 5 m m 以及9 5 m m 规格的钢渣用蒸汽法进行膨胀率试验的测定。试 验时三种材料各称取5 0 0 9 ，放置于底部有孑l 洞和 四周封闭的圆柱型试筒中，量出试验前压缩试样 的高度h ，输送蒸汽后，试样高度增加值为h ， 则试样的膨胀率即为h 和h 之比。测定过程直至 渣样膨胀不再发生，百分表的读数变化很小为止 ( 约为2 4 小时) 。 1 水位指示 5 一压缩渣样 2 3 6 2 千缩试验 4 5 6 7 8 图2 3 蒸汽试验原理及装置 2 试验圆筒：3 一荷重；4 一百分表 6 蒸汽；7 水；8 一电阻丝 二灰碎石基层材料经拌和压实成型后，由于水分挥发和混合料内部的水化作用，混合 料水分不断减少，由此发生的毛细管作用，吸附作用，分子间力的作用，材料矿物晶体或 凝胶体间层间水的作用和碳化作用等会引起二灰碎石基层材料的体积收缩。描述材料干缩 特性的指标有干缩应变、干缩系数、干缩量、失水量、失水率和平均干缩系数。于缩试验 采用平卧式( 支架法1 试验装置，见下图2 - - 4 。试验时将养生至7 天后( 最后一天不进行浸 水) 取出的小梁试件平放在试验室操作台上让其自然干燥，暴露在室内自然温度和自然湿 度下进行干缩试验。通过干缩仪读取自然干燥时不同龄期试件的干缩量，在读取干缩量的 同时测定另一组试件在相同自然环境下的平均水分蒸发损失量，以此作为千缩试件的平均 水分蒸发损失量。测定过程直至试件含水量不再减少，干缩仪的读数变化；t , b 为止( 约为 1 8 天1 。 利用测得试件的干缩量和相应 的水分蒸发损失量按式( 1 ) 、式( 2 ) 进 行整理。 8d = a l l ( 1 ) 3 试验结果 3 1 击实试验结果 表3 1 标准击实试验结果 代号abcde f 粗4 7 5粗9 5 最大干密度 2 0 7 42 1 2 l2 1 5 42 1 6 52 2 1 22 3 0 32 0 5 62 0 7 8 ( k g m 3 ) 最佳含水量( ) 8 99 09 18 47 _ 36 7 78 38 6 3 2 无侧限抗压强度试验结果 表3 2 钢渣掺量不同的二灰碎石各龄期抗压强度测试值 抗压强度( m p a ) 类别 龄期( 天) r c sc v r c o 9 5 71 6 2 5o 0 53 4 1 5 4 3 不掺钢渣 a 1 41 9 5 8o 0 73 51 8 4 3 2 82 1 7 5o 1 1 55 31 9 8 6 71 8 9 5 0 0 6 8 3 6 1 7 8 3 b 1 42 1 4 30 0 9 64 51 9 8 5 2 82 3 0 20 0 5 92 62 2 0 5 72 2 1 7o 0 94 02 0 6 9 c1 42 3 7 6 0 0 9 1 3 8 2 2 2 6 2 82 4 5 6 0 0 3 31 _ 32 4 0 2 71 9 9 0o “65 91 7 9 9 掺细钢渣 d 1 42 2 0 7o 1 3 l6 o1 9 9 2 2 82 3 6 60 0 5 92 52 2 6 9 71 7 0 90 0 63 8 1 6 1 0 e1 42 0 5 3 0 0 9 14 41 9 0 3 2 82 2 5 40 0 7 83 52 1 2 6 70 7 2 50 0 6 28 5 0 6 2 3 f 1 40 9 8 50 0 7 5 7 60 8 6 2 2 81 1 4 3 0 0 5 75 01 0 4 9 掺粗钢渣71 8 7 40 0 5 73 01 7 8 0 粗4 7 5 1 42 1 6 50 0 4 72 2 2 0 8 8 2 82 6 3 5 0 0 4 51 72 5 6 1 粗9 572 6 9 4 0 0 7 32 72 5 7 4 1 3 3 3 劈裂抗拉试验结果 劈裂抗拉强度( m p a ) 类别龄期( 天) r f sc v r m 9 5 9 00 2 8 7 0 0 1 34 40 2 6 6 不掺钢渣 a 1 8 00 3 6 60 0 0 8 2 20 ，3 5 3 9 00 2 9 20 0 0 9 3 00 2 7 7 b 1 8 00 3 7 60 0 1 95 o 0 3 4 5 9 00 4 5 50 0 0 81 80 4 4 2 c 1 8 00 4 9 lo 0 0 91 90 4 7 6 9 00 3 9 5o 0 1 2 10 3 7 9 掺细钢渣d 1 8 00 4 2 40 0 0 51 2 0 4 1 6 9 00 2 5 00 0 1 24 7 0 2 3 0 e 1 8 00 2 8 60 0 1 24 30 2 6 6 9 0o 1 5 90 0