摘要：以礦渣粉為主要材料，摻入堿性無機(jī)物與硫酸鹽等激發(fā)劑，研制出環(huán)保的新型路面基層結(jié)合料（NB）兩種。這兩種結(jié)合料都具備了緩凝、抗裂性能好，28 天強(qiáng)度超過了P.O32.5R 的標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)。兩種結(jié)合料穩(wěn)定土，具有抗壓強(qiáng)度較高、最大干密度與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度受結(jié)合料延遲時(shí)間的影響小，彎拉強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度均較高、彎拉應(yīng)變較大；同時(shí)用數(shù)據(jù)說明了兩種結(jié)合料對(duì)土的選擇性。結(jié)果表明，用礦渣粉為主要原料所配制的兩種結(jié)合料能夠符合路面基層的需求。
關(guān)鍵詞：礦渣粉；結(jié)合料；路面基層；延遲時(shí)間；力學(xué)性能
1 引言
在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，尤其是公路的高速建設(shè)期，如何能減少利用破壞生態(tài)環(huán)境的建筑材料，將循環(huán)經(jīng)濟(jì)的概念及材料運(yùn)用到公路建設(shè)中，符合國家的節(jié)能政策，走一條資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源與物力資源得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化路子，將是利國利民的大好事。
本文的提出基于以下幾個(gè)方面：1.工業(yè)廢渣——礦渣粉要作為一種循環(huán)材料找到利用的途徑，減少廢物的堆放量，并且希望不影響傳統(tǒng)材料的質(zhì)量指標(biāo)；2.已經(jīng)擁有了年產(chǎn)60 萬噸的礦渣粉生產(chǎn)線，為大面積應(yīng)用提供了可能；3.礦渣粉作為水泥的摻和料，能夠減緩水泥的凝結(jié)時(shí)間，對(duì)某些行業(yè)比較有利；4.礦渣粉的摻入能夠減少水泥混凝土中的大孔數(shù)量，從而減少水泥石的收縮，具有很好的使用品質(zhì)；5.公路路面基層正好需要凝結(jié)時(shí)間長、收縮性較小的結(jié)合料，這是目前半剛性結(jié)合料兩方面的致命缺陷，亟需要改善。本文介紹了以太鋼礦渣粉為主體，用石灰、水泥、石膏等為激發(fā)劑研制的結(jié)合料NB 及其強(qiáng)度的特性。
2 結(jié)合料配合比的確定
路面基層常用水泥穩(wěn)定類或者二灰穩(wěn)定類的無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料，在所穩(wěn)定的對(duì)象粗粒土或者細(xì)粒土一旦確定的條件下，結(jié)合料起著極為重要的作用，強(qiáng)度尤其是板體性取決于結(jié)合料的種類與劑量。而現(xiàn)在目前采用的普通硅酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間較短，溫度與干燥收縮大，嚴(yán)重影響路面的施工質(zhì)量與使用質(zhì)量，是目前半剛性基層上的瀝青路面出現(xiàn)早期破壞的一個(gè)重要原因，所以，本文期望在高摻量礦渣的基礎(chǔ)上，研究出凝結(jié)時(shí)間較長，干燥收縮裂縫較小的基層專用結(jié)合料。研究結(jié)合料配比時(shí)，以抗壓強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間和干燥收縮為主要技術(shù)指標(biāo)。由于基層施工時(shí)，一般選用普通硅酸鹽水泥P.O32.5R，故本文以P.O32.5R 作為參照對(duì)象來衡量所研制材料的性能。所采用的P.O32.5R 為耀縣產(chǎn)秦嶺水泥，其性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。
2.1 采用原材料
試驗(yàn)用材料，主要為礦渣粉以及常見的非常易得的價(jià)格便宜、便于施工的普通材料。
2.1.1 礦渣
太原鋼鐵公司的粒化高爐礦渣，由德龍公司通過立磨磨制成礦渣粉，其主要成分是玻璃相。礦渣中添加了2％的石灰石粉，礦渣與石灰石的化學(xué)成分見表2，密度分別為2.935 g/cm3，2.913g/cm3；渣的比表面積為430m2/kg 左右。
2.1.2 石灰
來源于陜西富平地區(qū)產(chǎn)石灰，白色塊狀，化學(xué)成分見表2，屬于Ⅰ級(jí)石灰，按照水：生石灰= 4：10 的重量比將石灰消解，使得消石灰含水量不大于4%，并用0.6mm 方孔篩過篩后，取篩下消石灰試驗(yàn)用。
2.1.3 水泥
選用耀縣水泥廠生產(chǎn)的秦嶺P.O42.5R 水泥來摻配研制的結(jié)合料，其性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。
表 1 水泥的性能試驗(yàn)結(jié)果
2.1.4 石膏
來源于首鋼，化學(xué)成分見表2，質(zhì)量一般。經(jīng)750℃高溫煅燒2 小時(shí)后使用。
表2 原料的化學(xué)成分
2.2 結(jié)合料配合比的試驗(yàn)結(jié)果與分析
按照凝結(jié)時(shí)間、膠砂的強(qiáng)度、收縮實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法對(duì)42 種研究方案經(jīng)過大量的試驗(yàn)，推薦出了能夠符合路面基層使用的環(huán)保節(jié)能型高礦渣摻量的結(jié)合料兩種NB1 和NB2，并得出以下試驗(yàn)結(jié)論。
2.2.1 強(qiáng)度
所研制結(jié)合料NB 的膠砂強(qiáng)度能夠達(dá)到常用的P·O32.5R 的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)結(jié)果見表3。該反映出，NB 結(jié)合料在3d 齡期時(shí)，強(qiáng)度低于參照水泥P.O32.5R，7d 時(shí)，略高于參照水泥，在28 天時(shí)，明顯高于參照水泥的強(qiáng)度，超過了P.O32.5R 的強(qiáng)度，從抗壓強(qiáng)度上來看，能夠滿足路面基層使用。另外，比較抗折強(qiáng)度，與抗壓強(qiáng)度的增長規(guī)律相同，28 天的抗折強(qiáng)度明顯高于參照對(duì)象的。本文借助水泥混凝土中對(duì)抗裂性的評(píng)價(jià)手段---脆度系數(shù)，來反映兩種結(jié)合料的抗裂性。脆度系數(shù)是抗壓與抗折強(qiáng)度之比，該值越小，表明脆性越小，即柔性越好，越不容易發(fā)生脆斷。結(jié)合料NB 的抗壓、抗折強(qiáng)度都高，脆度系數(shù)小，說明NB比P.O32.5R 有更優(yōu)的性能，很適合道路路面基層使用。
表3 膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
2.2.2 凝結(jié)時(shí)間
在標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量下，按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法對(duì)NB 與P.O32.5R 兩種凈漿的凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行了測試，得出NB 初凝時(shí)間大于5 個(gè)小時(shí)，終凝時(shí)間大于9 小時(shí)，這樣給混合料拌和、攤鋪、碾壓留出了充分的時(shí)間。因此，從施工時(shí)間上要優(yōu)于常用的普通硅酸鹽水泥，試驗(yàn)結(jié)果見表4。
表4 凈漿試驗(yàn)結(jié)果
表3～表4 表明了NB1、NB2 與P.O32.5R 相比，有較高的28d 抗壓強(qiáng)度，而凝結(jié)時(shí)間、抗折強(qiáng)度，具有明顯的優(yōu)勢。表明了兩種結(jié)合料NB 都是比較理想的路面基層材料。
3.穩(wěn)定土的試驗(yàn)結(jié)果與分析
本文對(duì)西安黃土（細(xì)粒土）與富平產(chǎn)級(jí)配碎石（粗粒土）進(jìn)行了較為系統(tǒng)的路用性能試驗(yàn)研究。
3.1 原材料
3.1.1 土
細(xì)土采用陜西西安南郊的黃土，最大干密度為1.820g/cm3，最佳含水量為12.5％。
3.1.2 碎石
碎石采用石灰?guī)r，取自陜西省富平縣。按照《公路工程石料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 054－94）的要求，測得集料壓碎值為18.1%，小于30%，符合技術(shù)規(guī)范的要求。碎石級(jí)配按照規(guī)范級(jí)配中值逐級(jí)回配而成。
3.2 穩(wěn)定細(xì)粒土與穩(wěn)定碎石試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.2.1 擊實(shí)試驗(yàn)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果
擊實(shí)試驗(yàn)是做其它力學(xué)性能的基礎(chǔ)試驗(yàn)，通過它能夠確定出研究材料在一定的擊實(shí)功下的最佳含水量與最大干密度，為試件成型、施工質(zhì)量的控制提供依據(jù)。依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ057-94)，對(duì)穩(wěn)定細(xì)粒土采用小型擊實(shí)筒，穩(wěn)定碎石采用大型擊實(shí)筒,都采用重型擊實(shí)法，穩(wěn)定細(xì)粒土與穩(wěn)定碎石擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果分別見表5 和6。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是評(píng)價(jià)水泥穩(wěn)定土路用性能的一個(gè)重要指標(biāo)。在現(xiàn)行《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ034—2000）中，對(duì)水泥穩(wěn)定土應(yīng)用于各級(jí)公路唯一的控制指標(biāo)就是混合料7d 無側(cè)限飽水抗壓強(qiáng)度，本文為了了解短期與長期齡期的抗壓強(qiáng)度，以通過擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度和最佳含水量為依據(jù)，考慮工地預(yù)定達(dá)到的壓實(shí)度，并采用靜力壓實(shí)法制備試件。成型試件時(shí)壓實(shí)度都采用了97％，成型的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生溫度（20±2℃）下分別保濕養(yǎng)生7 天、28 天、90 天，試驗(yàn)前一天浸水24 小時(shí)，然后以1mm/min 的加載速率測試各齡期試件的抗壓強(qiáng)度。并按照高等級(jí)公路的保證律系數(shù)計(jì)算出強(qiáng)度的代表值。
表5 穩(wěn)定細(xì)粒土擊實(shí)及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值試驗(yàn)結(jié)果
表6 穩(wěn)定碎石擊實(shí)及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)結(jié)果表明：
?、俜€(wěn)定細(xì)粒土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果比較規(guī)律，隨著結(jié)合料劑量的增加，最大干密度在減小，最佳含水量在增大。穩(wěn)定碎石各結(jié)合料的最大干密度并不象穩(wěn)定細(xì)粒土那樣有規(guī)律，主要原因是碎石材料離散性太大，所以，相同體積的重量就偏差過大，這也是粗粒土材料的一個(gè)顯著特點(diǎn)。
?、陔S著養(yǎng)生齡期的增長，三種結(jié)合料穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度均在增加，但各個(gè)階段增加的幅度不同，一般7 天到28 天的增長幅度較大，28 天到90 天的增長幅度較小。
③對(duì)穩(wěn)定細(xì)粒土，7 天強(qiáng)度中，P.O32.5R 水泥穩(wěn)定土的強(qiáng)度最大、NB2 次之，NB1 強(qiáng)度最小，28 天和90 天強(qiáng)度中，三種結(jié)合料穩(wěn)定土在相同的結(jié)合料劑量條件下，強(qiáng)度大小的排序是相同的，NB2 的強(qiáng)度最大，P.O32.5R 水泥土次之，NB1 穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度最小。
?、軐?duì)于穩(wěn)定粗粒土，在相同養(yǎng)生齡期、相同的結(jié)合料劑量條件下，7 天、28 天時(shí)NB1、NB2 的抗壓強(qiáng)度顯著高于普通硅酸鹽水泥P.O32.5R 的抗壓強(qiáng)度，而到90 天時(shí)，強(qiáng)度已比較接近。
?、軳B1 結(jié)合料對(duì)土有選擇性，NB1 更適合于穩(wěn)定碎石，而NB2 對(duì)細(xì)粒土和粗粒土都有很好的穩(wěn)定效果。這主要是由于NB2 中含有更多的Ca2+離子，與粘土中的一價(jià)金屬離子能夠進(jìn)行更充分的物理化學(xué)作用，而使穩(wěn)定細(xì)粒土的強(qiáng)度能夠更進(jìn)一步地提高。
3.2.2 延遲時(shí)間對(duì)最大干密度與抗壓強(qiáng)度的影響
從加水拌和到碾壓終了之間的延遲時(shí)間對(duì)水泥穩(wěn)定土強(qiáng)度和所能達(dá)到的最大干密度有明顯影響。延遲時(shí)間越長，混合料強(qiáng)度和最大干密度的損失愈大，在土質(zhì)不變的情況下，用終凝時(shí)間短的水泥時(shí)，延遲時(shí)間對(duì)混合料強(qiáng)度損失的影響大。
本文分析了在西安黃土不變的情況下，3 種結(jié)合料穩(wěn)定細(xì)粒土的擊實(shí)試驗(yàn)與不同齡期抗壓強(qiáng)度受延遲時(shí)間的影響，目的是對(duì)施工時(shí)的延遲時(shí)間提供依據(jù)，試驗(yàn)采用重型擊實(shí)法，結(jié)合料劑量為8％，最大干密度結(jié)果見表7，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表8。表中在不同延遲時(shí)間的最大干密度與強(qiáng)度的降低幅度是以沒有延時(shí)即0 小時(shí)的值作為參照。
表7 延遲時(shí)間對(duì)最大干密度的影響
表 8 三種結(jié)合料穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度受延遲時(shí)間的影響
注：表中正值指與0h 成型的強(qiáng)度相比降低的百分率，負(fù)值指提高的百分率。
結(jié)果分析：
①表7 表明，隨著延遲時(shí)間的延長，最大干密度值在降低，延遲時(shí)間對(duì)三種結(jié)合料最大干密度均有不同程度的影響，P.O32.5R 水泥穩(wěn)定細(xì)粒土降低幅度最大，最大干密度的數(shù)值最?。籒B2 的最大干密度受延遲時(shí)間對(duì)其影響最小，最大干密度的數(shù)值最大；NB1 穩(wěn)定細(xì)粒土最大干密度的數(shù)值以及降低的幅度都介于其他兩者之間。分析原因主要是由于普通硅酸鹽水泥P.O32.5R 的初凝時(shí)間短，在延遲的過程當(dāng)中，混合料結(jié)團(tuán)，水化反應(yīng)已經(jīng)進(jìn)行，導(dǎo)致顆粒之間缺水，可壓實(shí)性降低，所以，最大干密度值降低明顯。
?、诒? 反映出延遲時(shí)間對(duì)NB1 穩(wěn)定細(xì)粒土強(qiáng)度的影響是，延遲時(shí)間對(duì)7 天、28 天的強(qiáng)度影響是正面的，這一現(xiàn)象以及原因仍有待于進(jìn)一步研究與分析；但從90 天看，隨著延遲時(shí)間的加長，強(qiáng)度衰減比較有規(guī)律，即隨著延遲時(shí)間的增長，抗壓強(qiáng)度在降低。NB1 穩(wěn)定土在延遲4 小時(shí)以上時(shí)，各齡期的抗壓強(qiáng)度都比P.O32.5R 的優(yōu)，這也表明了NB1 結(jié)合料的優(yōu)良特點(diǎn)，也就是由于其凝結(jié)時(shí)間尤其終凝時(shí)間比P.O32.5R 水泥長的多，緩凝的特點(diǎn)使得其在實(shí)際使用中，強(qiáng)度已明顯地超過了P.O32.5R 穩(wěn)定土的。
③對(duì)NB2，從表8 看出，該結(jié)合料穩(wěn)定細(xì)粒土的28 天、90 天強(qiáng)度不論有沒有延遲時(shí)間都遠(yuǎn)高于普通硅酸鹽水泥P.O32.5R 的，同時(shí)能夠看出， P.O32.5R 穩(wěn)定土的降低幅度比其它兩種都大，說明P.O32.5R 穩(wěn)定土受延遲時(shí)間的影響更大。
3.2.3 穩(wěn)定土彎拉強(qiáng)度與劈裂試驗(yàn)
良好的基層材料，不僅要求其有較高的抗壓強(qiáng)度，較高的抗拉強(qiáng)度也是非常重要的，劈裂強(qiáng)度能夠反映材料間接拉伸的能力，因此本文分別測定了7 天、28 天、90 天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生齡期的彎拉強(qiáng)度，劈裂強(qiáng)度，并通過彎拉應(yīng)變的大小來判斷各混合料的柔韌性，彎拉應(yīng)變?cè)酱?，材料的韌性越強(qiáng)，抗開裂能力越好。
穩(wěn)定細(xì)粒土采用5×5×24cm 的梁式試件，穩(wěn)定碎石采用10×10×40cm 的梁式試件，試驗(yàn)在MTS810（Material Test System）材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用彎曲梁單點(diǎn)集中加載方式，以1mm/min 的加載速率進(jìn)行彎拉破壞試驗(yàn)，測出破壞時(shí)的最大荷載，計(jì)算出抗彎拉強(qiáng)度Rw 與破壞時(shí)的彎拉應(yīng)變。
（1）穩(wěn)定細(xì)粒土
穩(wěn)定細(xì)粒土的彎拉強(qiáng)度與彎拉應(yīng)變見表9，劈裂試驗(yàn)僅做了8％穩(wěn)定細(xì)粒土的不同齡期的強(qiáng)度，結(jié)果見表10。
表 9 穩(wěn)定細(xì)粒土抗彎拉強(qiáng)度與彎拉應(yīng)變
表10 8％的結(jié)合料穩(wěn)定土劈裂試驗(yàn)結(jié)果:/MPa
結(jié)果分析：
?、倏箯澙瓘?qiáng)度與劈裂強(qiáng)度都能反映混合料的抗拉能力，從以上兩個(gè)表能夠看出，NB1的抗拉能力最強(qiáng)，P.O32.5R 次之，NB2 的最差，這一現(xiàn)象與抗壓強(qiáng)度的正好相反，說明了抗壓與抗拉的不一致性，這應(yīng)該與反應(yīng)生成物的類型及形貌有關(guān)。
結(jié)果分析：
?、倏箯澙瓘?qiáng)度與劈裂強(qiáng)度都能反映混合料的抗拉能力，從以上兩個(gè)表能夠看出，NB1的抗拉能力最強(qiáng)，P.O32.5R 次之，NB2 的最差，這一現(xiàn)象與抗壓強(qiáng)度的正好相反，說明了抗壓與抗拉的不一致性，這應(yīng)該與反應(yīng)生成物的類型及形貌有關(guān)。
結(jié)果表明：
?、俦?.12 表明了在相同齡期內(nèi)，相同水泥用量的情況下，NB1 穩(wěn)定碎石的抗彎拉強(qiáng)度最大，NB2 水泥碎石次之，P.O32.5R 水泥碎石的最小。
②NB1 穩(wěn)定碎石90 天的彎拉應(yīng)變最大，P.O32.5R 的次之，NB2 的最小，表明NB1 的柔韌性最好，抗裂性最佳，其次是P.O32.5R，較差的是NB2。
4．結(jié)論
?。?）礦渣作為一種工業(yè)廢渣，嚴(yán)重污染環(huán)境，危及人們的生存空間，粉磨到不同的細(xì)度，可以很好地用作路面基層結(jié)合料的主材。
?。?）所研究緩凝型路面基層結(jié)合料NB1 與NB2 能夠滿足路面基層結(jié)合料的需求，緩凝，強(qiáng)度高，且抗裂性能好，是優(yōu)質(zhì)的基層專用結(jié)合料。
?。?）用兩種結(jié)合料穩(wěn)定細(xì)粒土與粗粒土，總的來說，抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度都比較高，彎拉應(yīng)變較大，最大干密度與抗壓強(qiáng)度受延遲時(shí)間影響小，其中NB1 更適合于穩(wěn)定碎石，NB2 更適合于穩(wěn)定細(xì)粒土。
(4) 礦渣粉以及其他工業(yè)廢渣在道路中的應(yīng)研究還有待于進(jìn)一步研究，以便于研制出各種路面專用水泥，實(shí)現(xiàn)礦渣粉的資源化。
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Environmental-friendly binder for roadbase with slag powder as the
main material and its mechanical performance of stablized soil
Yao Ai-ling1,2, Zhang xi-ling 3, Xu De-long1
(1.School of Material Science and Engineering, University of Architecture & Technology Xi’an, 710055,China.2 Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an,China 710064. 3.Department of Chemistry , Technological College of Jiangxi pingxiang City,Jiangxi Pingxiang,China.337000.)
Abstract: Two kinds of environmental-friendly binder NB have been created with slag powder as the mainmaterial and alkaline inorganic substance and sulphate as activator. Both new NB has the following properties:slow－setting,good anti-crack capability, 28d’s intensity above P.O32.5R standard. The stabilized fine particle soilof the two NB has comparatively higher compressive strength ,less affection on maximum dry density andcompressive strength by delay time of binder, comparatively stronger flexural-tensile strength and splittingstrength and bigger flexural-tensile strain. The tests show that the two NB can have selectivity on soil. The resultsshow that the two NB can reach the requirements of the road base.
Key words: slag powder; binder; road base; delay time; mechanical perfomance
