钢渣水泥稳定级配碎石混合料性能评价与应用

0 引言
水泥稳定碎石半刚性基层板体性好、稳定性好、抗冻和抗冲刷性强，同时施工便捷，便于就地取材，经济性好。因此，在我国应用广泛，路面结构调查发现目前已建成公路中，半刚性基层占基层总量的85 %（各等级公路）至95 %（高速公路），近几年新建高速公路项目几乎全部采用典型的半刚性基层沥青路面[1 − 3]。

公路建设是高资源消耗性工程，各省普遍采用三层式半刚性基层，基层总厚度达到48～60 cm，每铺筑1 km双向四车道高速公路，仅基层所需石料高达2万余t。受区域天然筑路材料产量限制和环保要求，大部分公路建设中天然筑路材料运距远、供应压力大，面临着砂石等原材料消耗巨大、石料逐渐匮乏、天然筑路材料难购且价高的难题。

钢渣是炼钢过程中产生的大宗固体废物，我国每年钢渣产量超过1亿t，利用率不足30 %，占用大量土地资源，且易污染环境和造成水土流失。将工业固废处理后部分替代天然集料的需求日益迫切，工程实践表明[4 − 7]：铺筑钢渣水泥稳定级配碎石基层，有助于提升道路养护品质，缓解区域内优质筑路材料匮乏问题，改善废弃钢渣堆放造成的环境和经济问题，有潜在的环保优势。国内已开展大量有关钢渣沥青混凝土应用研究[8 − 11]，基层厚度为沥青混凝土层厚度的2～3倍，更能大规模将钢渣“变废为宝”，实现工业固废再生循环利用[8 − 13]。

钢渣水泥稳定级配碎石层是以一定级配的钢渣作为主要集料，掺入一定量水泥和适量的水，经拌和、摊铺、碾压及养生后得到的结构层。由于钢渣的物理、力学性能明显有别于天然砂石材料，且具有较大的吸水率和一定的体积膨胀性。因此，钢渣水泥稳定级配碎石应用中也存在温缩、干缩性能和抗疲劳耐久性能的质疑，能否满足沥青路面基层力学性能和耐久性需要，仍有待深入研究。已有研究较少涉及高比例钢渣掺量水泥稳定级配碎石混合料模量特性、变形特性与疲劳特性等方面的内容[11 − 13]。
本文将20 %～80 %不同比例钢渣掺入水泥稳定级配碎石中，以钢渣等质量替代粗集料碎石，基于力学性能试验（无侧限抗压强度、弯拉强度和动态回弹模量）、变形特性试验（温缩和干缩）及三分点加载疲劳试验，优化最佳钢渣掺量，基于室内研究成果铺筑试验段，验证钢渣应用于水泥稳定级配碎石基层的可行性。

1 试验设计
1.1 原材料及其性能
钢渣粗集料（Steel Slag Coarse Aggregate，简称SSCA）来源于内蒙古自治区某公司，主要技术指标，见表1。粗、细集料来源于实体工程，技术指标，见表2、表3。

钢渣实测毛体积密度远大于岩石加工而成的石料，质地坚硬，压碎值、针片状含量、软石含量均较小，满足交通运输部《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）和地方标准《公路水泥稳定钢渣混合料设计与施工技术规范》（DB15/T2427—2021）有关规定。P·O 42.5普通硅酸盐水泥和饮用自来水，满足相关规范要求。

1.2 试验方案
仅考虑采用SSCA替代天然碎石，参考已有研究成果[2 − 5]，初选掺量20 %、40 %、60 %、80 %（质量比），研究常用水泥剂量4.5 %时不同SSCA掺量对水泥稳定钢渣混合料力学性能（无侧限抗压强度、抗拉强度、动态回弹模量）、变形特性（干缩变形、温缩变形）和疲劳性能的影响，推荐适宜的SSCA掺配比例。

1.3 试验方法
1）力学性能测试：水泥稳定钢渣混合料的无侧限抗压强度试验、弯拉强度试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）中T0805—1994、T0851—2009相关要求。动态回弹模量试验参照《公路沥青路面设计规范》（JTGD50—2017）中附录E方法。
2）变形特性测试：干缩试验、温缩试验参照JTG E51—2009中08054—2009、08055—2009相关要求。
3）疲劳试验：参照JTG E51—2009中08056—2009试验方法，施加应力强度比0.70、0.75、0.80、0.85，施加荷载为连续Havesine波，加载频率10 Hz。

1.4 水泥稳定钢渣混合料配合比设计

SSCA密度较大，采用等体积原则进行质量换算，根据合成级配中各档集料质量比，换算为集料体积，然后乘以各档SSCA密度，确定各筛孔需要添加的SSCA质量。不同SSCA掺量水泥稳定钢渣混合料级配，见表4。固定水泥掺量4.5 %，不同SSCA掺量水泥稳定钢渣混合料重型击实结果，见表5。

2 水泥稳定钢渣级配碎石混合料力学性能

2.1 无侧抗压强度（UCS）
无侧限抗压强度试验，见图1。不同养生龄期和SSCA掺量下UCS试验结果，见表6。

不同SSCA掺量下，UCS随养生龄期增加而增长的趋势相同，即养生28天内随着龄期增加UCS快速增大，养生60天后UCS趋于平稳。养生3、7、14、28、60天后UCS分别约为90天龄期时的30 %、50 %、80 %、90 %、98 %以上，在常规4.5 %水泥掺量下，20 %～80 %掺量钢渣水泥稳定级配碎石的7天UCS达到5.300 MPa以上，满足JTG/T F20—2015规范重载交通水泥稳定级配碎石基层设计要求（4.0～6.0 MPa），SSCA等质量替代粗集料用于半刚性基层是可行的。

掺加20 %、40 %、60 %、80 %SSCA后，钢渣水泥稳定级配碎石的7天UCS比普通水泥稳定碎石（0 %SSCA）增大了6.2 %、35.5 %、27.6 %、21.4 %，随着SSCA掺量增大，UCS增大，掺量40 %所有龄期内的UCS达到峰值。钢渣质地坚硬、棱角丰富、针片状含量和软石含量远低于砂石集料，SSCA在骨架密实型（C-B-3）水泥稳定碎石混合料中形成的骨架嵌挤强度大于砂石集料；钢渣在形成过程中经历高温煅烧，钢渣中的化学成分与水泥熟料相似，钢渣参与水泥水化反应发挥了水化特性和胶凝作用，相当于增大水泥掺量，增强水泥稳定级配碎石的“板体效应”；钢渣表面具有丰富的多孔结构，水泥胶浆锚固、穿插在SSCA孔隙中，增强了水泥稳定碎石的界面黏附强度与骨架嵌挤力，因此掺加SSCA后UCS增大。然而，随着掺量进一步增大，钢渣中参与水泥水化的熟料数量有限，多孔结构反而会消耗一定数量的水泥砂浆，使得能够提供有效黏结强度的水泥砂浆数量减小，导致UCS不增反减。

2.2 弯拉强度试验
水泥稳定粒料类材料的抗拉强度远小于其抗压强度，不同龄期和SSCA掺量下弯拉强度试验结果，见表7。不同SSCA掺量下，水泥稳定钢渣级配碎石混合料的抗弯拉强度随养生龄期增加而增长的趋势相同，养生60天后抗弯拉强度趋于稳定。

在常规4.5 %水泥掺量下，不同SSCA掺量钢渣水泥稳定级配碎石混合料的90天龄期弯拉强度达到2.027～2.087 MPa，大于JTG D50—2017规范无机结合料稳定类材料90天龄期弯拉强度（1.50～2.00 MPa）相关要求，满足半刚性基层使用性能要求。养生龄期相同，抗弯拉强度随SSCA掺量的增大呈现先增大后减小趋势，在SSCA掺量40 %～60 %时达到峰值，比普通水泥稳定碎石提高12.9 %以上，掺加SSCA对水泥稳定碎石弯拉强度的增强作用，有助于降低半刚性基层路面层底应力强度比，从而增强半刚性基层的抗
疲劳性能。增强作用与SSCA材料性能好、表面多孔及熟料与水泥发生水化反应等综合因素有关。

2.3 单轴压缩动态模量（中间段法）
不同SSCA掺量下水泥稳定钢渣级配碎石混合料动态压缩模量试验结果，见图2。

动态回弹模量达到23 474～29 034 MPa，满足JTG D50—2017动态水泥稳定粒料材料动态回弹模量要求。SSCA材料性能好，动态回弹模量比普通水泥稳定碎石混合料提高10.2 %～32.4 %，室内设计阶段可在23 000～29 000 MPa之间插值确定钢渣水泥稳定级配碎石混合料的动态回弹模量。

3 水泥稳定钢渣级配碎石混合料变形特性
温缩和干缩变形导致的横向反射裂缝是我国无机结合料稳定类半刚性基层的主要病害形式，干缩变形与温缩变形试验，见图3。

3.1 干缩试验
不同龄期和SSCA掺量下钢渣水泥稳定级配碎石的干缩试验结果，见图4。干缩系数随养生时间增加呈现先快速增大后趋于稳定的变化趋势，在养生28天龄期内，干缩系数快速增长，28天后干缩系数缓慢增大，并趋于稳定。
在相同龄期内，干缩系数随着SSCA掺量的增加而增大。养生至试件恒重后，不同SSCA掺量的干缩系数分别达59.2、67.6、76.6、81.4 με，比普通水泥稳定级配碎石混合料干缩系数分别增大8.7 %、19.4 %、25.4 %、34.4 %，表明增大SSCA掺量增大了半刚性基层干缩开裂的风险。结合国内工程实践情况，以控制最大干缩系数不超过70～85 με为限制条件，建议最大SSCA掺量不宜超过60 %，同时适当增加钢渣水泥稳定级配碎石铺筑上层沥青混凝土前的养生时间，以减少服役期间水分消散产生的干缩变形。

钢渣水泥稳定级配碎石混合料的干缩系数随SSCA掺量增大符合logistic增长模型，拟合优化度R2接近1.0，工程实践中可根据干缩应变限值，内插确定最大的SSCA掺配比例。SSCA掺量对钢渣水泥稳定碎石干缩性能的影响，主要是SSCA表面多孔结构导致水泥稳定级配碎石最佳含水率增大，养生期间失水率越多，干缩变形量越大。
3.2 温缩试验
养生龄期为7天，最后1天将钢渣水泥稳定级配碎石试件饱水24小时，温缩试验结果，见图5。在0～15 ℃区间内钢渣水泥稳定级配碎石的温缩系数最小。主要因0 ℃是热胀冷缩的转折点温度，0 ℃以下无机结合料类材料表现出收缩，温度越低收缩变形越大；0 ℃以上随着温度升高表现出热胀，温度越高膨胀变形越大；0～15 ℃钢渣水泥稳定级配碎石温缩系数对温度变化敏感性最低。
在−25～−10、−10～0、0～15、15～30、30～45、45～60 ℃的6个温度区间，温缩系数均随着SSCA掺量的增大符合logistic增长模型，拟合优化度R2接近1.0。
不同SSCA掺量下的平均温缩系数分别为10.3、11.6、13.2、15.4、19.9 με/℃，相较于普通水泥稳定级配碎石，不同SSCA掺量的温缩系数分别增大12.2 %、28.4 %、49.1 %、93.0 %。SSCA遇水泥浆后有一定体积膨胀，可弥补水泥稳定类材料温缩的负面影响，试验选用的钢渣陈化处理已5年以上，未发现SSCA体积膨胀现象。另外，钢渣、
集料、水泥胶凝材料收缩系数差异较大，在温度梯度作用下，过大的热胀冷缩变形系数使得钢渣与水泥砂浆间变形不协调，导致界面黏附强度下降较快，因此温缩系数随SSCA掺量增大而增大。结合工程实践经验，控制−25～60 ℃温度区间内的平均温缩系数不大于12 ～15 με/℃，建议SSCA适宜掺量为40 %～60 %。

4 钢渣水泥稳定级配碎石混合料疲劳性能
钢渣水泥稳定碎石疲劳试验采用UTM试验机进行三分点加载，根据拟定的0.70～0.85应力强度比，计算疲劳试验施加的应力强度。按照劲度模量下降为初始值的50 %确定疲劳试验加载次数。试验机及疲劳试验结果，见图6。
水泥稳定级配碎石混合料在0.7应力水平下疲劳寿命可达数十万次，甚至百万余次，而在0.85应力水平下降至2～5万次，表明疲劳寿命对应力强度比变化极为敏感，掺加SSCA后弯拉强度增大，有助于降低实际车辆荷载下半刚性基层层底应力强度比，从而延长路面使用寿命。
随着应力强度增大，普通水泥稳定级配碎石和钢渣水泥稳定级配碎石混合料的疲劳寿命呈现指数关系减小，拟合优化度R2大于0.95，疲劳方程斜率越大，增大弯拉强度后疲劳寿命衰减越快，相应的水泥稳定级配碎石结构层对车辆荷载应力变化越敏感，掺加SSCA后疲劳方程斜率绝对值减小，说明掺加SSCA有助于降低水泥稳定级配碎石疲劳寿
命对车辆荷载的敏感性。

钢渣水泥稳定级配碎石混合料在较高应力强度下的疲劳寿命仍大于普通水泥稳定级配碎石，且随着SSCA掺量增大，各应力强度下的疲劳寿命先增大后减小，疲劳方程斜率先减小后增大，考虑疲劳性能，最佳SSCA掺量为40 %～60 %。SSCA表面的多孔结构，可增大水泥砂浆与SSCA的浸润接触面，有利于水泥砂浆在SSCA表面形成一定锚固和嵌挤深度，增加接触界面黏附强度和骨架嵌挤强度，因此疲劳性能增强。但参与水泥水化的SSCA熟料数量有限，过多的SSCA反而导致SSCA与水泥砂浆界面呈现半分离状态，在重复荷载作用下更易产生界面黏附失效破坏，因此疲劳寿命不增反减。

5 工程应用
根据室内研究成果，将钢渣水泥稳定碎石混合料应用于内蒙古自治区某高速公路沥青路面基层。考虑到项目区冬季寒冷、漫长，昼夜温差大，年降雨量小且蒸发强烈的气候特点，试验段采用40 %SSCA等质量替换碎石集料，试验段铺筑长度2 500 m，采用20 cm厚C-B-3型钢渣水泥稳定级配碎石。钢渣水泥稳定级配碎石摊铺、碾压、养生工艺与普通水泥稳定级配碎石无差异。试验段铺筑过程，见图7。
压实后经现场检测，试验段芯样相对于振动成型试件压实度为98.9 %～99.7 %，相对于重型击实成型试件压实度为102.4 %～103.5 %，芯样7天无侧限抗压强度代表值9.75 MPa，远大于设计要求4.5 MPa。加铺上层沥青混凝土后采用落锤式弯沉仪实测弯沉代表值为22.7（0.01 mm）。经检测，掺量为40 %SSCA水泥稳定碎石基层试验段平整度、压实度、弯沉、芯样力学强度等指标，均满足相关设计、施工规范要求。

自2018年施工完成后，试验段已服役5年，跟踪检测发现，试验段典型病害为半刚性基层反射裂缝病害，试验段内的反射裂缝间距与相邻路段普通水泥稳定碎石基层无异，钢渣在水泥稳定碎石中的长期稳定性良好，未见膨胀、松散等病害，试验段达到了预定使用效果。

6 结语
以20 %～80 %掺量钢渣等质量替代粗集料碎石，进行无侧限抗压强度、弯拉强度、动态回弹模量试验、温缩和干缩变形特性试验、三分点加载疲劳试验，优化最佳钢渣掺量，并基于室内研究成果进行工程应用，验证钢渣应用于水泥稳定级配碎石基层的可行性。
1）采用20 %～80 %钢渣替代粗集料可增强水泥稳定级配碎石混合料的无侧限抗压强度、抗弯拉拉强度、动态回弹模量与抗疲劳耐久性能。
2）增大钢渣掺量导致水泥稳定级配碎石温缩、干缩变形增大。建议以控制最大干缩系数不超过70～85 με，以−25～60 ℃温度区间内的平均温缩系数不大于12 ～15 με/℃为限制条件，推荐最大钢渣掺量宜控制在40 %～60 %。
3）掺加40 %钢渣的水泥稳定级配碎石混合料现场压实度满足设计要求，试验段平整度、压实度、弯沉、芯样力学强度指标等均满足相关设计、施工规范要求。