二灰穩(wěn)定鋼渣在路面工程中的應(yīng)用
發(fā)布時間：2014-02-25 共1頁
二灰穩(wěn)定鋼渣作為一種新型的筑路材料，具有良好的力學(xué)性能，強(qiáng)度高、板體性、水穩(wěn)性強(qiáng)，抗凍性好，其抗凍性比傳統(tǒng)的石灰土要高得多，同時其成本低、施工工藝簡單，受雨季影響小，可充當(dāng)各級公路的底基層、一般公路的基層，是一種良好的半剛性筑路材料。近年來邢臺路橋建設(shè)總公司，先后在邯鄲北環(huán)路工程使用二灰穩(wěn)定鋼渣作為一級公路的底基層，在107國道高邑界至小槐河段修工程中使用二灰穩(wěn)定鋼渣作為二級公路的基層。工程實(shí)踐證明，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到優(yōu)良，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。建成通車幾年來，路面運(yùn)行狀況良好。
一、原材料性質(zhì)
二灰穩(wěn)定鋼渣基層（底基層）是由一定數(shù)量的石灰、粉煤灰作穩(wěn)定劑與已經(jīng)過崩解達(dá)到穩(wěn)定的工業(yè)廢渣鋼渣在最佳含水量的情況下，經(jīng)拌和、壓實(shí)及養(yǎng)生得到的一種半剛性基層（底基層）。鋼渣集料約占整個混合料的80%左右，石灰、粉煤灰在混合料中起填充集料的空隙、粘結(jié)穩(wěn)定粒料的作用。其材料性質(zhì)如下：
1.鋼渣：采用邯鋼和邢鋼的工業(yè)廢鋼渣，該鋼渣是多年堆積已經(jīng)崩解達(dá)到穩(wěn)定的材料，鋼渣本身也具有一定的幾何尺寸，力學(xué)強(qiáng)度高，顆粒間內(nèi)摩阻力強(qiáng)。
2、粉煤灰：采用邯鄲熱電廠、邢臺熱電廠生產(chǎn)的濕排粉煤灰，經(jīng)抽樣測試，該粉煤灰中SiO2、Al2O3、Fe2O3總含量為78%，CaO含量為4.6%，燒失量為16.8%，比表面積2700m2/g，松方容重為0.5kg/m3。其活性物質(zhì)能在一定的溫度和濕度下與石灰和鋼渣中的活性物質(zhì)產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，形成硅酸鹽、碳酸鹽，板體性強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)小，具有很強(qiáng)的保溫性、抗凍性、低溫縮裂小，是典型的緩凝性材料。
3.石灰：采用鈣質(zhì)生石灰，其中有效CaO、MgO含量為83.0%，未消解殘?jiān)啃∮?0%，符合規(guī)范要求的Ⅲ級以上石灰標(biāo)準(zhǔn)要求。施工中采用已消解好的消石灰。
二、配合比設(shè)計(jì)
1.配合比設(shè)計(jì)原則：在確保質(zhì)量的前提下，因地制宜，就地取材，結(jié)合本工地實(shí)際進(jìn)行組合；對原材料的劑量，通過試驗(yàn)優(yōu)化確定最合理的用量；對集料要求應(yīng)有盡可能好的級配，以達(dá)到集料數(shù)量滿足、間隙由結(jié)合料填充，形成各自發(fā)揮特點(diǎn)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
2、試配：因?yàn)樵撲撛墙橛诩吓c土之間的一種顆粒組成，規(guī)范中無此匹配的組成設(shè)計(jì)范圍。我們參考二灰集料和二灰土組成設(shè)計(jì)范圍，按重型擊實(shí)試驗(yàn)，進(jìn)行試驗(yàn)試配，并進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。采用保證強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，材料符合規(guī)范要求，施工技術(shù)可靠，經(jīng)濟(jì)合理的密實(shí)性級配。
3.試驗(yàn)結(jié)果分析：
（1）以試驗(yàn)結(jié)果分析來看，二灰鋼渣的7天無側(cè)限強(qiáng)度普遍偏高，均在1.0Mpa以上，滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的R7≥0.6Mpa要求，28天抗壓強(qiáng)度又有明顯增長，均達(dá)到3.0Mpa以上，且后期強(qiáng)度還有緩慢增長的趨勢。
（2）用等劑量的石灰，如果鋼渣用量較多則前期強(qiáng)度（7天強(qiáng)度）較高，這主要是由鋼渣的粒型結(jié)構(gòu)，自身強(qiáng)度高，內(nèi)摩阻力造成的；后期強(qiáng)度主要是隨著粉煤灰的用量變化而有所變化，即如果粉煤灰用量較多，則后期強(qiáng)度（28天以后）增長較明顯。
（3）如果在二灰鋼渣中，二灰的用量增時，雖然后期（28天）強(qiáng)度增長幅度較明顯，但無論是前期還是后期強(qiáng)度的最終值都不如二灰用量相對較少的配合比，特別強(qiáng)調(diào)石灰用量相對較少的配比效果較好。
4、配合比優(yōu)化結(jié)果：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合我們的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為在二灰鋼渣各材料中，石灰與粉煤灰的比例宜為石灰：粉煤灰=1：1.5~1：2.5之間；二灰與鋼渣的比例宜為二灰：鋼渣=1：3~1：4.5之間；但鋼渣的用量不宜少于總干重的75%，也不宜于85%時較為理想。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，采用二灰鋼渣配合比為石灰：粉煤灰：鋼渣=8：12：80，能滿足規(guī)范要求的強(qiáng)度值。我們選用時，應(yīng)側(cè)重采用石灰劑量較少粉煤灰和鋼渣用量相對較的配合比，因?yàn)槭业脑靸r(jià)比粉煤灰和鋼渣的造價(jià)要高得多，為保險(xiǎn)起見我們選用前者。
三、強(qiáng)度形成過程
鋼渣含有SiO2和Al2O3，在CaO的環(huán)境下被激發(fā)產(chǎn)生水硬性，鋼渣屬于水硬性、水穩(wěn)性較強(qiáng)的材料，其中氧化鈣與水反應(yīng)生成氫氧化鈣，二氧化硅和氧化鋁在水中不會凝結(jié)，但在飽和的Ca（OH）2溶液中會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠，將顆粒膠凝在一起，形成具有一定強(qiáng)度和整體性的水硬性材料。
1． 結(jié)晶作用
Ca(OH)2的結(jié)晶作用是石灰吸收水分形成含水晶格，即
Ca(OH)2+ nH2O→Ca(OH)2·nH2O
Ca(OH)2膠體逐漸成為晶體的反應(yīng)過程。所生成的晶體相互結(jié)合，并與鋼渣結(jié)合起來形成共晶體，把鋼渣顆粒膠結(jié)成整體。晶體的Ca(OH)2與不定形(非晶形)的Ca(OH)2相比，溶解度幾乎小一半，因而石灰粉煤灰穩(wěn)定鋼渣的水穩(wěn)性得到提高。
2． 碳酸化反應(yīng)
Ca(OH)2與空氣中的CO2起化學(xué)反應(yīng)，生成CaCO3，碳酸鈣具有較高的強(qiáng)度與水穩(wěn)性，它對土的膠結(jié)作用使土得到了加固。
3．火山灰反應(yīng)
火山灰反應(yīng)是指鋼渣中的活性硅、鋁礦物在石灰的堿性激發(fā)下解離，在水的參與下與Ca(OH)2反應(yīng)生成含水的硅酸鈣和鋁酸鈣
xCa(OH)2+SiO2+ nH2O→xCaO·SiO2·（n+x）H2O
yCa(OH)2+Al2O3+ mH2O→yCaO·Al2O3·（m+y）H2O
所生成的新的化合物與水泥水解后的產(chǎn)物相類同，是一種水穩(wěn)性良好的結(jié)合料。火山灰反應(yīng)是在不斷吸收水分的情況下逐漸發(fā)生的，因而具有水硬性性質(zhì)。
這一過程離不開水，水是鋼渣形成強(qiáng)度的重要因素，因此強(qiáng)度的增長速度與養(yǎng)護(hù)濕度有密切關(guān)系。
四、二灰鋼渣的優(yōu)越性能
１.二灰鋼渣具有良好的力學(xué)性能、板體性、水穩(wěn)性和一定的抗凍性，其抗凍性較傳統(tǒng)的石灰土要高得多。
2.二灰鋼渣具有初期強(qiáng)度高，隨著齡期的增長，后期強(qiáng)度高的特點(diǎn)。
3.二灰鋼渣是一種緩凝性材料，在施工中延遲壓實(shí)時間稍長，對其達(dá)到密實(shí)度、強(qiáng)度影響不但延遲時間過長仍會受到影響，這比混凝土和石灰土在施工中較易控制。由于二灰鋼渣收縮性小，裂縫較少，可避免產(chǎn)生沖刷唧漿現(xiàn)象。
４.二灰鋼渣強(qiáng)度高，可解決邊施工邊通車問題，可解決冷天施工開放交通問題；由于使用過程中裂縫較少，也容易與混凝土面層粘結(jié)牢固，宜于做瀝青混凝土基層。
５.二灰鋼渣具有很好的水穩(wěn)定性和抗凍性，適宜在潮濕條件下養(yǎng)生，更適合在多雨地區(qū)施工，可在翻漿地段做墊層、底基層、基層，具有施工區(qū)域廣的特點(diǎn)。
與此同時，二灰穩(wěn)定鋼渣中的鋼渣、粉煤灰均屬于工業(yè)廢渣，使用量的鋼渣和粉煤灰作公路建設(shè)的筑路材料既可以減少環(huán)境污染，又可解決公路建設(shè)的材料來源，提高工程質(zhì)量，降低工程的造價(jià)，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。因此，在當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中，二灰穩(wěn)定鋼渣有著廣闊的推廣空間。
一、原材料性質(zhì)
二灰穩(wěn)定鋼渣基層（底基層）是由一定數(shù)量的石灰、粉煤灰作穩(wěn)定劑與已經(jīng)過崩解達(dá)到穩(wěn)定的工業(yè)廢渣鋼渣在最佳含水量的情況下，經(jīng)拌和、壓實(shí)及養(yǎng)生得到的一種半剛性基層（底基層）。鋼渣集料約占整個混合料的80%左右，石灰、粉煤灰在混合料中起填充集料的空隙、粘結(jié)穩(wěn)定粒料的作用。其材料性質(zhì)如下：
1.鋼渣：采用邯鋼和邢鋼的工業(yè)廢鋼渣，該鋼渣是多年堆積已經(jīng)崩解達(dá)到穩(wěn)定的材料，鋼渣本身也具有一定的幾何尺寸，力學(xué)強(qiáng)度高，顆粒間內(nèi)摩阻力強(qiáng)。
2、粉煤灰：采用邯鄲熱電廠、邢臺熱電廠生產(chǎn)的濕排粉煤灰，經(jīng)抽樣測試，該粉煤灰中SiO2、Al2O3、Fe2O3總含量為78%，CaO含量為4.6%，燒失量為16.8%，比表面積2700m2/g，松方容重為0.5kg/m3。其活性物質(zhì)能在一定的溫度和濕度下與石灰和鋼渣中的活性物質(zhì)產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，形成硅酸鹽、碳酸鹽，板體性強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)小，具有很強(qiáng)的保溫性、抗凍性、低溫縮裂小，是典型的緩凝性材料。
3.石灰：采用鈣質(zhì)生石灰，其中有效CaO、MgO含量為83.0%，未消解殘?jiān)啃∮?0%，符合規(guī)范要求的Ⅲ級以上石灰標(biāo)準(zhǔn)要求。施工中采用已消解好的消石灰。
二、配合比設(shè)計(jì)
1.配合比設(shè)計(jì)原則：在確保質(zhì)量的前提下，因地制宜，就地取材，結(jié)合本工地實(shí)際進(jìn)行組合；對原材料的劑量，通過試驗(yàn)優(yōu)化確定最合理的用量；對集料要求應(yīng)有盡可能好的級配，以達(dá)到集料數(shù)量滿足、間隙由結(jié)合料填充，形成各自發(fā)揮特點(diǎn)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
2、試配：因?yàn)樵撲撛墙橛诩吓c土之間的一種顆粒組成，規(guī)范中無此匹配的組成設(shè)計(jì)范圍。我們參考二灰集料和二灰土組成設(shè)計(jì)范圍，按重型擊實(shí)試驗(yàn)，進(jìn)行試驗(yàn)試配，并進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。采用保證強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，材料符合規(guī)范要求，施工技術(shù)可靠，經(jīng)濟(jì)合理的密實(shí)性級配。
3.試驗(yàn)結(jié)果分析：
（1）以試驗(yàn)結(jié)果分析來看，二灰鋼渣的7天無側(cè)限強(qiáng)度普遍偏高，均在1.0Mpa以上，滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的R7≥0.6Mpa要求，28天抗壓強(qiáng)度又有明顯增長，均達(dá)到3.0Mpa以上，且后期強(qiáng)度還有緩慢增長的趨勢。
（2）用等劑量的石灰，如果鋼渣用量較多則前期強(qiáng)度（7天強(qiáng)度）較高，這主要是由鋼渣的粒型結(jié)構(gòu)，自身強(qiáng)度高，內(nèi)摩阻力造成的；后期強(qiáng)度主要是隨著粉煤灰的用量變化而有所變化，即如果粉煤灰用量較多，則后期強(qiáng)度（28天以后）增長較明顯。
（3）如果在二灰鋼渣中，二灰的用量增時，雖然后期（28天）強(qiáng)度增長幅度較明顯，但無論是前期還是后期強(qiáng)度的最終值都不如二灰用量相對較少的配合比，特別強(qiáng)調(diào)石灰用量相對較少的配比效果較好。
4、配合比優(yōu)化結(jié)果：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合我們的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為在二灰鋼渣各材料中，石灰與粉煤灰的比例宜為石灰：粉煤灰=1：1.5~1：2.5之間；二灰與鋼渣的比例宜為二灰：鋼渣=1：3~1：4.5之間；但鋼渣的用量不宜少于總干重的75%，也不宜于85%時較為理想。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，采用二灰鋼渣配合比為石灰：粉煤灰：鋼渣=8：12：80，能滿足規(guī)范要求的強(qiáng)度值。我們選用時，應(yīng)側(cè)重采用石灰劑量較少粉煤灰和鋼渣用量相對較的配合比，因?yàn)槭业脑靸r(jià)比粉煤灰和鋼渣的造價(jià)要高得多，為保險(xiǎn)起見我們選用前者。
三、強(qiáng)度形成過程
鋼渣含有SiO2和Al2O3，在CaO的環(huán)境下被激發(fā)產(chǎn)生水硬性，鋼渣屬于水硬性、水穩(wěn)性較強(qiáng)的材料，其中氧化鈣與水反應(yīng)生成氫氧化鈣，二氧化硅和氧化鋁在水中不會凝結(jié)，但在飽和的Ca（OH）2溶液中會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠，將顆粒膠凝在一起，形成具有一定強(qiáng)度和整體性的水硬性材料。
1． 結(jié)晶作用
Ca(OH)2的結(jié)晶作用是石灰吸收水分形成含水晶格，即
Ca(OH)2+ nH2O→Ca(OH)2·nH2O
Ca(OH)2膠體逐漸成為晶體的反應(yīng)過程。所生成的晶體相互結(jié)合，并與鋼渣結(jié)合起來形成共晶體，把鋼渣顆粒膠結(jié)成整體。晶體的Ca(OH)2與不定形(非晶形)的Ca(OH)2相比，溶解度幾乎小一半，因而石灰粉煤灰穩(wěn)定鋼渣的水穩(wěn)性得到提高。
2． 碳酸化反應(yīng)
Ca(OH)2與空氣中的CO2起化學(xué)反應(yīng)，生成CaCO3，碳酸鈣具有較高的強(qiáng)度與水穩(wěn)性，它對土的膠結(jié)作用使土得到了加固。
3．火山灰反應(yīng)
火山灰反應(yīng)是指鋼渣中的活性硅、鋁礦物在石灰的堿性激發(fā)下解離，在水的參與下與Ca(OH)2反應(yīng)生成含水的硅酸鈣和鋁酸鈣
xCa(OH)2+SiO2+ nH2O→xCaO·SiO2·（n+x）H2O
yCa(OH)2+Al2O3+ mH2O→yCaO·Al2O3·（m+y）H2O
所生成的新的化合物與水泥水解后的產(chǎn)物相類同，是一種水穩(wěn)性良好的結(jié)合料。火山灰反應(yīng)是在不斷吸收水分的情況下逐漸發(fā)生的，因而具有水硬性性質(zhì)。
這一過程離不開水，水是鋼渣形成強(qiáng)度的重要因素，因此強(qiáng)度的增長速度與養(yǎng)護(hù)濕度有密切關(guān)系。
四、二灰鋼渣的優(yōu)越性能
１.二灰鋼渣具有良好的力學(xué)性能、板體性、水穩(wěn)性和一定的抗凍性，其抗凍性較傳統(tǒng)的石灰土要高得多。
2.二灰鋼渣具有初期強(qiáng)度高，隨著齡期的增長，后期強(qiáng)度高的特點(diǎn)。
3.二灰鋼渣是一種緩凝性材料，在施工中延遲壓實(shí)時間稍長，對其達(dá)到密實(shí)度、強(qiáng)度影響不但延遲時間過長仍會受到影響，這比混凝土和石灰土在施工中較易控制。由于二灰鋼渣收縮性小，裂縫較少，可避免產(chǎn)生沖刷唧漿現(xiàn)象。
４.二灰鋼渣強(qiáng)度高，可解決邊施工邊通車問題，可解決冷天施工開放交通問題；由于使用過程中裂縫較少，也容易與混凝土面層粘結(jié)牢固，宜于做瀝青混凝土基層。
５.二灰鋼渣具有很好的水穩(wěn)定性和抗凍性，適宜在潮濕條件下養(yǎng)生，更適合在多雨地區(qū)施工，可在翻漿地段做墊層、底基層、基層，具有施工區(qū)域廣的特點(diǎn)。
與此同時，二灰穩(wěn)定鋼渣中的鋼渣、粉煤灰均屬于工業(yè)廢渣，使用量的鋼渣和粉煤灰作公路建設(shè)的筑路材料既可以減少環(huán)境污染，又可解決公路建設(shè)的材料來源，提高工程質(zhì)量，降低工程的造價(jià)，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。因此，在當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中，二灰穩(wěn)定鋼渣有著廣闊的推廣空間。
