掺高炉矿渣粉的水泥稳定碎石基层材料的应用研究.doc

掺高炉矿渣粉的水泥稳定碎石基层材料的应用研究 摘要：高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣。目前，高炉矿渣的利用方法不足，其利用率不到80且整体利用水平不高。大量高炉矿渣仍只能闲置堆积，浪费矿渣资源，提高炼铁成本，占用大量土地并严重污染环境。本文借鉴高炉矿渣粉在水泥混凝土中的成功运用，创新性地将其运用于水泥稳定碎石材料中,通过一系列的试验研究及试验路铺筑，证明将其添加到水泥稳定碎石中是可行的。关键词: 高炉矿渣粉, 水泥稳定碎石, 强度, 模量 中图分类号： TQ172文献标识码：A 文章编号： 随着国民经济的迅速发展，我国的路面结构在适应快速发展的公路交通的同时，经历了从适应轻交通的泥结碎石和级配砾石路面过渡到适应中交通的渣油表面处治和石灰土基层里面，到适应重交通的无机结合料稳定粒料半刚性基层的沥青混凝土路面的发展过程。目前，半刚性基层已经成为适应我国重交通的主要基层类型。高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣。在冶炼生铁时，加入高炉的原料，除了铁矿石和燃料(焦炭)外，还有助熔剂。当炉温达到14001600时，助熔剂与铁矿石发生高温反应生成生铁和矿渣。高炉矿渣是由脉石、灰分、助熔剂和其他不能进人生铁中的杂质所组成的易熔混合物21。从化学成分上看，高炉矿渣是属于硅酸盐质材料。每生产1吨生铁，将排放0.31.0吨高炉矿渣。由此可粗略估计，2008年我国高炉矿渣排放量高达14120.22万吨以上。目前，高炉矿渣的利用方法不足，其利用率不到80且整体利用水平不高。大量高炉矿渣仍只能闲置堆积，浪费矿渣资源，提高炼铁成本，占用大量土地并严重污染环境。高炉矿渣由于冷却条件的不同可分为两类，熔融矿渣流出后经空气缓慢冷却得到的是稳定的块状高炉矿渣，而经水淬急冷得到的是具有活性的粒化高炉矿渣。粒化高炉矿渣一般经过干燥，掺入少量其他组分如石膏等磨到一定细度制成高炉矿渣粉。 为能有效利用高炉矿渣粉，变废为宝，在“低碳，环保，节能”的时代号召下，借鉴高炉矿渣粉在水泥混凝土中的成功运用，开辟一种新的利用方法完全或部分取代水泥稳定碎石材料中的水泥，通过考察添加高炉矿渣粉水泥稳定碎石的各方面性能，将其添加到水泥稳定碎石中，通过一系列的试验研究及试验路铺筑，研究其可行性。 众所周之，水泥稳定碎石中水泥剂量一般不超过56%，有研究表明，就收缩性能而言，水泥剂量超过6%时，就会导致干缩和温缩的增加。而且水泥剂量的增加会直接导致工程造价的提高，研究表明水稳基层的水泥剂量在3%6%时，收缩开裂性能没有明显的差异。经水淬急冷的粒化高炉矿渣是目前高炉矿渣中的主要类型，其待处理量远远高于经空气缓慢冷却的块状高炉矿渣。经水淬急冷的粒化高炉矿渣一般经过干燥，掺入少量其他组分如石膏等磨到一定细度的粉体称为粒化高炉矿渣粉。粒状高炉矿渣是经水淬急冷而成，阻止了矿物结晶，大部分为玻璃态的Ca-Al-Mg硅酸盐，即主要由玻璃体组成，一般玻璃体含量在90左右，具有较高的潜在活性，粒化高炉矿渣中玻璃体的含量越高，其活性越高。在调研国内外相关研究成果的基础上，将高炉矿渣粉加入到水泥稳定碎石中的掺量定为0%、20%、40%、60%及80%，掺加过程中采用高炉矿渣粉“等质量替换”水泥的方法。通过大量室内分析，研究掺高炉矿渣粉的水泥稳定碎石基层材料的强度、刚度、抗收缩等物理力学性能与高炉矿渣粉掺入量等影响因素之间的关系及变化规律。试验方法：原材料特性分析，击实试验，试件成型（基于无机结合料稳定材料的试验方法），力学性能试验，强 度（无侧限抗压强度，劈裂强度），刚 度（静、动回弹模量，静、动劈裂模量），抗收缩性能试验，干缩性能试验，温缩性能试验。 研究表明，加入高炉矿渣粉后水泥稳定碎石基层材料抗压回弹模量、劈裂模量均呈现降低的趋势，掺量低于40%时模量降低幅度较小，当掺量高于40%时，模量降低幅度明显；高炉矿渣粉掺加到水泥稳定碎石材料中后对其干缩性能及温缩性能影响不大，没有规律可循。7d、14d、28d龄期时无侧限抗压强度随着高炉矿渣粉掺量的增加而降低，且当掺量超过40%时，强度下降幅度明显增大；60d、90d、180d龄期时无侧限抗压强度随着高炉矿渣粉掺量的增加呈现先增大后减小的趋势。在试验研究基础上，综合分析各项指标，高炉矿渣粉添加到水泥稳定碎石中的掺量不宜超过60%，适宜的最佳掺量范围在20%40%之间。 在室内研究的基础上，对掺加高炉矿渣粉的水泥稳定碎石基层材料在工程中的应用进行了探讨，对经济性能进行了分析，表明高炉矿渣粉的使用可以降低路面结构基层材料的造价。 经室内试验和现场试验，确认生产配合比。集料合成级配见表，试验路采用不掺高炉矿渣粉及掺量为30%两种方案，方案一水泥剂量掺量为3%，方案二高炉矿渣粉掺量为30%（替代水泥质量的百分比），水泥剂量为2.1%，两方案最佳含水量均为5.3%。 水泥稳定碎石基层施工级配 为进一步验证掺高炉矿渣粉的水泥稳定碎石基层的室内试验研究的结果，确保掺高炉矿渣粉的水泥稳定碎石基层路基有足够的强度、稳定性、适宜的刚度，在实际工程中进行了掺高炉矿渣粉的水泥稳定碎石路基的现场试验。现场试验是从力学性能和路用性能的角度出发，研究掺高炉矿渣粉的水泥稳定碎石基层作为高速路基的可能性。检测结果表明，方案一、方案二下基层及上基层压实度均满足规范要求，且且掺加高炉矿渣粉的水泥稳定碎石基层施工压实度与普通水泥稳定碎石基层接近，高炉矿渣粉的加入并没有对水泥稳定碎石基层施工压实性产生明显影响，对掺加高炉矿渣粉的水泥稳定碎石进行大面积施工时，采用普通水泥稳定碎