二灰穩定鋼渣在路面工程中的應用
發布時間：2014-02-25 共1頁
二灰穩定鋼渣作為一種新型的筑路材料，具有良好的力學性能，強度高、板體性、水穩性強，抗凍性好，其抗凍性比傳統的石灰土要高得多，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總公司，先后在邯鄲北環路工程使用二灰穩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定鋼渣作為二級公路的基層。工程實踐證明，各項技術指標均達到優良，具有良好的經濟效益和社會效益。建成通車幾年來，路面運行狀況良好。
一、原材料性質
二灰穩定鋼渣基層（底基層）是由一定數量的石灰、粉煤灰作穩定劑與已經過崩解達到穩定的工業廢渣鋼渣在最佳含水量的情況下，經拌和、壓實及養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、粘結穩定粒料的作用。其材料性質如下：
1.鋼渣：采用邯鋼和邢鋼的工業廢鋼渣，該鋼渣是多年堆積已經崩解達到穩定的材料，鋼渣本身也具有一定的幾何尺寸，力學強度高，顆粒間內摩阻力強。
2、粉煤灰：采用邯鄲熱電廠、邢臺熱電廠生產的濕排粉煤灰，經抽樣測試，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。其活性物質能在一定的溫度和濕度下與石灰和鋼渣中的活性物質產生一系列的化學反應，形成硅酸鹽、碳酸鹽，板體性強，導熱系數小，具有很強的保溫性、抗凍性、低溫縮裂小，是典型的緩凝性材料。
3.石灰：采用鈣質生石灰，其中有效CaO、MgO含量為83.0%，未消解殘渣含量小于10%，符合規范要求的Ⅲ級以上石灰標準要求。施工中采用已消解好的消石灰。
二、配合比設計
1.配合比設計原則：在確保質量的前提下，因地制宜，就地取材，結合本工地實際進行組合；對原材料的劑量，通過試驗優化確定最合理的用量；對集料要求應有盡可能好的級配，以達到集料數量滿足、間隙由結合料填充，形成各自發揮特點的穩定結構。
2、試配：因為該鋼渣是介于集料與土之間的一種顆粒組成，規范中無此匹配的組成設計范圍。我們參考二灰集料和二灰土組成設計范圍，按重型擊實試驗，進行試驗試配，并進行無側限抗壓強度試驗。采用保證強度滿足設計要求，材料符合規范要求，施工技術可靠，經濟合理的密實性級配。
3.試驗結果分析：
（1）以試驗結果分析來看，二灰鋼渣的7天無側限強度普遍偏高，均在1.0Mpa以上，滿足設計規定的R7≥0.6Mpa要求，28天抗壓強度又有明顯增長，均達到3.0Mpa以上，且后期強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度（7天強度）較高，這主要是由鋼渣的粒型結構，自身強度高，內摩阻力造成的；后期強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）強度增長幅度較明顯，但無論是前期還是后期強度的最終值都不如二灰用量相對較少的配合比，特別強調石灰用量相對較少的配比效果較好。
4、配合比優化結果：根據試驗結果并結合我們的經驗，認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。結合試驗結果，采用二灰鋼渣配合比為石灰：粉煤灰：鋼渣=8：12：80，能滿足規范要求的強度值。我們選用時，應側重采用石灰劑量較少粉煤灰和鋼渣用量相對較的配合比，因為石灰的造價比粉煤灰和鋼渣的造價要高得多，為保險起見我們選用前者。
三、強度形成過程
鋼渣含有SiO2和Al2O3，在CaO的環境下被激發產生水硬性，鋼渣屬于水硬性、水穩性較強的材料，其中氧化鈣與水反應生成氫氧化鈣，二氧化硅和氧化鋁在水中不會凝結，但在飽和的Ca（OH）2溶液中會產生化學反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠，將顆粒膠凝在一起，形成具有一定強度和整體性的水硬性材料。
1． 結晶作用
Ca(OH)2的結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過程。所生成的晶體相互結合，并與鋼渣結合起來形成共晶體，把鋼渣顆粒膠結成整體。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，因而石灰粉煤灰穩定鋼渣的水穩性得到提高。
2． 碳酸化反應
Ca(OH)2與空氣中的CO2起化學反應，生成CaCO3，碳酸鈣具有較高的強度與水穩性，它對土的膠結作用使土得到了加固。
3．火山灰反應
火山灰反應是指鋼渣中的活性硅、鋁礦物在石灰的堿性激發下解離，在水的參與下與Ca(OH)2反應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物相類同，是一種水穩性良好的結合料。火山灰反應是在不斷吸收水分的情況下逐漸發生的，因而具有水硬性性質。
這一過程離不開水，水是鋼渣形成強度的重要因素，因此強度的增長速度與養護濕度有密切關系。
四、二灰鋼渣的優越性能
１.二灰鋼渣具有良好的力學性能、板體性、水穩性和一定的抗凍性，其抗凍性較傳統的石灰土要高得多。
2.二灰鋼渣具有初期強度高，隨著齡期的增長，后期強度高的特點。
3.二灰鋼渣是一種緩凝性材料，在施工中延遲壓實時間稍長，對其達到密實度、強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，可避免產生沖刷唧漿現象。
４.二灰鋼渣強度高，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牢固，宜于做瀝青混凝土基層。
５.二灰鋼渣具有很好的水穩定性和抗凍性，適宜在潮濕條件下養生，更適合在多雨地區施工，可在翻漿地段做墊層、底基層、基層，具有施工區域廣的特點。
與此同時，二灰穩定鋼渣中的鋼渣、粉煤灰均屬于工業廢渣，使用量的鋼渣和粉煤灰作公路建設的筑路材料既可以減少環境污染，又可解決公路建設的材料來源，提高工程質量，降低工程的造價，具有可觀的經濟效益和社會效益。因此，在當前可持續發展戰略中，二灰穩定鋼渣有著廣闊的推廣空間。
一、原材料性質
二灰穩定鋼渣基層（底基層）是由一定數量的石灰、粉煤灰作穩定劑與已經過崩解達到穩定的工業廢渣鋼渣在最佳含水量的情況下，經拌和、壓實及養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、粘結穩定粒料的作用。其材料性質如下：
1.鋼渣：采用邯鋼和邢鋼的工業廢鋼渣，該鋼渣是多年堆積已經崩解達到穩定的材料，鋼渣本身也具有一定的幾何尺寸，力學強度高，顆粒間內摩阻力強。
2、粉煤灰：采用邯鄲熱電廠、邢臺熱電廠生產的濕排粉煤灰，經抽樣測試，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。其活性物質能在一定的溫度和濕度下與石灰和鋼渣中的活性物質產生一系列的化學反應，形成硅酸鹽、碳酸鹽，板體性強，導熱系數小，具有很強的保溫性、抗凍性、低溫縮裂小，是典型的緩凝性材料。
3.石灰：采用鈣質生石灰，其中有效CaO、MgO含量為83.0%，未消解殘渣含量小于10%，符合規范要求的Ⅲ級以上石灰標準要求。施工中采用已消解好的消石灰。
二、配合比設計
1.配合比設計原則：在確保質量的前提下，因地制宜，就地取材，結合本工地實際進行組合；對原材料的劑量，通過試驗優化確定最合理的用量；對集料要求應有盡可能好的級配，以達到集料數量滿足、間隙由結合料填充，形成各自發揮特點的穩定結構。
2、試配：因為該鋼渣是介于集料與土之間的一種顆粒組成，規范中無此匹配的組成設計范圍。我們參考二灰集料和二灰土組成設計范圍，按重型擊實試驗，進行試驗試配，并進行無側限抗壓強度試驗。采用保證強度滿足設計要求，材料符合規范要求，施工技術可靠，經濟合理的密實性級配。
3.試驗結果分析：
（1）以試驗結果分析來看，二灰鋼渣的7天無側限強度普遍偏高，均在1.0Mpa以上，滿足設計規定的R7≥0.6Mpa要求，28天抗壓強度又有明顯增長，均達到3.0Mpa以上，且后期強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度（7天強度）較高，這主要是由鋼渣的粒型結構，自身強度高，內摩阻力造成的；后期強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）強度增長幅度較明顯，但無論是前期還是后期強度的最終值都不如二灰用量相對較少的配合比，特別強調石灰用量相對較少的配比效果較好。
4、配合比優化結果：根據試驗結果并結合我們的經驗，認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。結合試驗結果，采用二灰鋼渣配合比為石灰：粉煤灰：鋼渣=8：12：80，能滿足規范要求的強度值。我們選用時，應側重采用石灰劑量較少粉煤灰和鋼渣用量相對較的配合比，因為石灰的造價比粉煤灰和鋼渣的造價要高得多，為保險起見我們選用前者。
三、強度形成過程
鋼渣含有SiO2和Al2O3，在CaO的環境下被激發產生水硬性，鋼渣屬于水硬性、水穩性較強的材料，其中氧化鈣與水反應生成氫氧化鈣，二氧化硅和氧化鋁在水中不會凝結，但在飽和的Ca（OH）2溶液中會產生化學反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠，將顆粒膠凝在一起，形成具有一定強度和整體性的水硬性材料。
1． 結晶作用
Ca(OH)2的結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過程。所生成的晶體相互結合，并與鋼渣結合起來形成共晶體，把鋼渣顆粒膠結成整體。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，因而石灰粉煤灰穩定鋼渣的水穩性得到提高。
2． 碳酸化反應
Ca(OH)2與空氣中的CO2起化學反應，生成CaCO3，碳酸鈣具有較高的強度與水穩性，它對土的膠結作用使土得到了加固。
3．火山灰反應
火山灰反應是指鋼渣中的活性硅、鋁礦物在石灰的堿性激發下解離，在水的參與下與Ca(OH)2反應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物相類同，是一種水穩性良好的結合料。火山灰反應是在不斷吸收水分的情況下逐漸發生的，因而具有水硬性性質。
這一過程離不開水，水是鋼渣形成強度的重要因素，因此強度的增長速度與養護濕度有密切關系。
四、二灰鋼渣的優越性能
１.二灰鋼渣具有良好的力學性能、板體性、水穩性和一定的抗凍性，其抗凍性較傳統的石灰土要高得多。
2.二灰鋼渣具有初期強度高，隨著齡期的增長，后期強度高的特點。
3.二灰鋼渣是一種緩凝性材料，在施工中延遲壓實時間稍長，對其達到密實度、強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，可避免產生沖刷唧漿現象。
４.二灰鋼渣強度高，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牢固，宜于做瀝青混凝土基層。
５.二灰鋼渣具有很好的水穩定性和抗凍性，適宜在潮濕條件下養生，更適合在多雨地區施工，可在翻漿地段做墊層、底基層、基層，具有施工區域廣的特點。
與此同時，二灰穩定鋼渣中的鋼渣、粉煤灰均屬于工業廢渣，使用量的鋼渣和粉煤灰作公路建設的筑路材料既可以減少環境污染，又可解決公路建設的材料來源，提高工程質量，降低工程的造價，具有可觀的經濟效益和社會效益。因此，在當前可持續發展戰略中，二灰穩定鋼渣有著廣闊的推廣空間。
