高掺量精炼钢渣水稳基层路用性能研究.docx

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1、高掺量精炼钢渣水稳基层路用性能研究1国内外钢渣在道路工程上的研究道路结构中，由上至下分层可以分为公路面层、公路路面基层、公路基层、 公路底基层、公路垫层以及公路路基土这些层次结构；道路面层是裸露在最上表 层，直接与路人、车轮、空气接触，需要承担来自路人、车等施加的动荷载以及 其他方向作用下的综合效果,还有道路积水的破坏作用和气候温度、湿度的影响。 垫层是确保下层路基土的恒定温度、恒定湿度，以保证公路上部分面层等强度、 刚度以及稳定性能，不存在下层路基土失去稳定状态后影响整体稳定性，上层结 构所传递的动荷载进行分解消散应力，从而弱化路基土的整体变形和增强其抗压 强度的效果，可以阻止路基土挤压向上

2、挤入上部结构基层中，损坏上层结构的基 本性能。路基土是公路工程的基本层次结构，其与建筑工程基础同意承担从最上 层施加传导的行车动荷载加上公路面层、公路基层、公路垫层本身累加自量。道 路工程基层上的动荷载基本上出自上层构造施加下来的人、车等动荷载，从上至 下又传导至底基层。公路基层是位于路面面层和路基面层之间起承上启下作用的 结构，是公路工程路基路面系统结构内的重要层位，一般承担路面传递下的上层 结构自重、又把路面的一系列动荷载扩散到路面基层并改良其水面水稳情况的效 果。所以，路面基层材料有必要确保在一定的竖向动荷载压力下不会产生较大 的变形或损坏。在对路面基层材料的探索中，又根据其刚度大小把道

3、路工程路面基层材料划 分为刚性基层材料、柔性基层材料和半刚性基层材料。其中刚性基层材料，主要 是钢筋混凝土类道路基层材料进行筑路；柔性基层材料，主要是沥青等稳定类混 合料等等。半刚性基层材料主要是钢铁冶炼工业中废渣、粉煤灰、石灰、水泥等 无机结合料与碎石配合成混合料压实制备成半刚性基层材料，现在是我国道路工 程中应用最多公路里程面积最多的路面基层材料。在将来会持续很久，在我国公 路工程建设中，半刚性基层材料会成为一类首要推荐的道路工程路面基层材料, 铺设在我国各地高速公路以及其他道路工程路面基层结构。国内外从上世纪90年代初起，已经有许多案例利用未处理钢渣作为半刚性 基层材料应用于道路工程建设

4、中的相关研究:1994年，Barrand BL和Emery J J证明研究钢渣作为道路材料可用于道 路基层。但由于钢渣本身有一些体积不安定因素，需经过处理后，保证其稳定性 才能投入到道路工程。2002年，Maslehuddin M等人发现在沙特阿拉伯道路工程石头紧缺，设计 研究把钢渣用于取代紧缺碎石材料用于道路基层，进行室内试验对比，研究表明 钢渣稳定混合料在力学性能和耐久性能反而比我们常常用于道路的碎石等材料 性能更加优秀。2005年，彭波进行了钢铁冶炼产生的废旧钢渣在路面基层中的性能研究， 结果表明钢渣稳定土混合料在水稳性能、无侧限抗压强度都强于石灰稳定土，是 一种优异的刚性基层材料。20

5、09年张秀山设计五种不同配比的水泥掺量研究水泥稳定钢渣的路用性能, 试验证明不同水泥剂量下钢渣混合料的抗压强度、劈裂强度、冻融劈裂强度等性 能均显著强于水泥稳定碎石，水泥稳定钢渣表现出良好的强度及板结性。2012年，李飞等探究钢渣掺量为 0%、25%、50乐75%、100%的钢渣碎石 混合料试件室内试验研究，进行一系列室内试验测试其干缩及温缩性能试验，研 究表明废旧钢渣的入越多钢渣混合料材料的干缩系数越小。2013年，高志远等人依据新型的道路规范要求，在持续进行室内试验配比 分析以及电脑模拟分析的探究下，将钢渣细粉用于基层土道路材料的室内试验中, 利用正交试验分析方法对废旧钢渣二灰土的配合比进

6、行改进，得出最优无侧限抗 压强度的废旧钢渣混合料配合比；研究表明，石灰与粉煤灰的配比为1:2,并且 钢渣掺量在020%的以内，其强度随着钢渣的掺量增加而增大；2018年，D Song说明了粉煤灰和钢渣虽然是工业冶炼废渣，但通过优化处 理的钢渣具备良好的路用性能。选取物美价廉的工业废渣，如钢渣、粉煤灰取代 天然无法再生的砂石、裸石等，是完成公路事业和钢铁工业绿色循环环保发展的 有利路径。综上分析，我国多年以来已经对钢渣在道路铺筑建设中的取得了许多研究结 果，废旧钢渣应用于筑路材料，具有一系列优优势可以利用，但同样也存在一系 列技术问题需要处理解决：(1)钢渣作为道路材料，其化学成分负杂，且存在一

7、定的差异性，成分中 含有少量游离氧化钙和氧化镁，但游离氧化钙遇水会产生Ca(OH)2,造成体积膨 胀效应。而游离氧化镁则遇水产生Mg(OH)2,体积扩大一倍，制备成钢渣混合料 消解后会造成道路材料粉化及鼓起破坏路面结构。(2)目前我国对水泥稳定钢渣的探索中，也存在着部分局限，钢渣混合料 都是以少量掺入，不能大规模掺入钢渣于道路材料中。目前对于不锈钢厂精炼钢 渣在道路中的应用鲜有报道，相比寻常钢渣投入于道路工程建设中更为困难。2本论文研究路线本文以广西北海诚德不锈钢厂的精炼钢渣作为研究对象，研究其代替砂、石 等天然材料应用于路面基层水泥稳定类材料的适用性，以缓解道路建设砂石缺乏 而导致的成本高昂

8、问题，提高钢渣在道路工程的利用率，为钢渣在实际道路工程 建设中的应用提供参考。本论文研究的主要内容为：L原材料性能研究。本文对广西北海诚德钢厂精炼钢渣对10处不同堆料处 精炼钢渣试样含水率、化学成分、物理性质、稳定性、膨胀特性及有害物质重金 属析出进行分析，将精炼钢渣作为道路材料探究其可行性。2 .高掺量水泥稳定精炼钢渣基层配合比设计。选取碎石与钢渣比例为0：100, 30： 70,制备水泥稳定钢渣试件和水泥稳定钢渣碎石试件，依据规范要求进行击 实试验，确定精炼钢渣混合料最大干密度及最佳含水率。探究水泥对精炼钢渣混 合料抗压强度的影响，分别制备水泥掺量在3%, 5%、8%、10乐12%、14%

9、的高掺 量精炼水泥稳定试件，并进行无侧限抗压强度试验，依据实验结果确定水泥最佳 掺量；3 .外加剂下高掺量水泥稳定钢渣基层配合比设计。针对精炼钢渣颗粒偏细、 无活性、存在6价倍等重金属成分及其在公路应用中易于开裂等特点，研发专 用路用激发剂，选取碎石与钢渣比例为0： 100, 30： 70,制备水泥稳定精炼钢 渣试件和水泥稳定精炼钢渣碎石试件，依据规范要求进行击实试验，确定精炼钢 渣混合料最大干密度及最佳含水率。探究外加剂掺量对精炼钢渣混合料无侧限抗 压强度影响,分别制备外加剂掺量在0%, 1%、2乐3乐3.75%、4. 5%的精炼钢渣 水稳试件，依据实验结果优选配比。4 .水泥稳定精炼钢渣混

10、合料路用性能试验。根据优选配比，按照一定的水泥 剂量和精炼钢渣碎石比例配制高掺量精炼钢渣混合料试件，对其进行28d无侧 限抗压强度试验、28d、90d直接抗拉强度试验，28d、90d劈裂强度试验，冻融 循环试验，探究优选配比下高掺量精炼钢渣混合料的强度随水泥剂量和精炼钢渣 掺配比例的变化而变化的规律；然后通过干缩试验，分析精炼钢渣对水泥稳定精 炼钢渣收缩应变的影响。最后制成水泥稳定精炼钢渣试块检测其浸出重金属含量。 以满足高速公路路面基层材料路用性能为目标。5 .水泥稳定精炼钢渣混合料的工程应用技术研究。选取试验道路铺设水泥稳 定精炼钢渣路面基层，将精炼钢渣应用到道路工程中，分析精炼钢渣应用到

11、路面 基层后的路用效果，验证水泥稳定精炼钢渣用作路面基层材料的可行性，从而为 道路工程建设中精炼钢渣的大面积应用提供参考。3主要结论自1996年至今，我国钢铁年总产量一直占领世界领先地位，而钢渣作为钢 铁生产的副产物，现已成为一个不可忽视的环境和资源再利用问题。故为实现钢 渣的无害化和资源化利用，本文以广西北海诚德不锈钢厂精炼钢渣为研究对象， 对其化学成分、含水率、物理性质及有害物质重金属析出等进行实验分析，针对 其颗粒偏细、无活性、存在6价倍等重金属成分及其在公路应用中易于开裂等 特点，研发专用路用激发剂，制备低收缩抗裂钢渣混合料，并验证其力学性能及 安全性，为精炼钢渣在道路工程建设中的推广

12、应用提供参考。主要研究内容及成 果如下：(1)将不同组别钢渣烘干后对其物理化学性能进行相关分析，并结合SEM 电镜扫描以及X射线衍射对精炼钢渣进行相应的微观性能分析，得出结论：本 文所取精炼钢渣初始含水率较高，其主要化学成分为CaO. SiO2、Mg0、A1203、 P205,粒径主要分布在0. 075-2. 36mm范围内，具有一定的活性和凝胶性。同时 钢渣中f-CaO及f-MgO含量远低于规范限值要求，属弱膨胀性，且具有较好的 稳定性。(2)通过7d无侧限抗压强度实验测定不同掺量的2种不同组分激发剂对 纯水泥稳定钢渣混合料和水泥碎石稳定钢渣混合料抗压强度的影响，结论显示: 激发剂的加入能够

13、显著提高钢渣混合料的抗压强度，8%水泥掺量、4.75%激发剂 掺量的纯水泥稳定钢渣试块7d无侧限抗压强度可以达到8.13MPao（3）通过对比击实实验和7d、28d无侧限抗压强度实验等实验结果，选取 混合料最佳配合比，实验结果显示：相同激发剂和水泥含量的纯水泥稳定钢渣混 合料强压强度优于水泥碎石稳定钢渣混合料，且水泥的掺量与钢渣混合料的抗 压强度成正比，然而过高的水泥用量易导致强度超标，最终水泥水化造成干缩 开裂。最终选取8%水泥掺量、3. 75%激发剂掺量混合料为最优配比，其 7d、 28d抗压强度分别达到7. 22MPa、7. 962MPa,同时90d劈裂强度1. 634MPa、9度 弯拉

14、强度2. 416MPa。（4）对所选混合料的干缩性能、抗冻性能和重金属含量进行实验测试，并 得出结论：激发剂的加入可有效抑制精炼钢渣水稳材料的收缩，同时含有激发剂 的混合料试件比不含激发剂试件的冻融损伤小，可见激发剂也可提高混合料的抗 冻性能。最后加入激发剂的水泥稳定钢渣混合料其纯水浸泡重金属含量仅为规范 标准要求的十分之一，且远低于不含激发剂的钢渣固体原材料，激发剂对混合料 重金属析出也有有利影响。（5）在北海市铁山港固废工业园厂区铺设配合比为钢渣：88.25%、水泥： 8%,激发剂：3. 75%,水20. 3%的精炼钢渣路面基层试验路段，发现该配比钢渣 作为路面基层材料铺设效果较好；但因北海天气炎热，洒水养护较多，影响了其 含水率，导致其易失水造成干缩开裂影响了整体稳定性，故工程实践应注意控制 含水率，避免发生相同问题。