半刚性基层具有整体强度高、稳定性好且造价低等优点, 被广泛应用于高等级公路沥青路面的基层。但它的缺点也较为明显, 沥青面层较薄的路面容易产生所谓的反射裂缝, 造成路面早期破坏, 严重影响了沥青路面的使用寿命。因此, 研究半刚性基层材料的收缩规律, 合理进行材料配合比设计, 最大限度地减小开裂程度, 从而达到提高路面抗裂性能的目的^[1,2,3,4]。

半刚性基层材料的收缩主要分为干缩和温缩2种, 干缩主要发生在竣工后初期阶段, 当水泥与各种细集料及水经拌合、压实后, 会发生水化作用, 使混合料的水分不断减少, 进而发生毛细作用、吸附作用、分子间的作用以及碳化收缩作用等, 会引起半刚性基层材料毛细孔隙中的自由水失去而产生体积收缩。当基层上铺筑沥青面层后, 半刚性基层材料的收缩由干缩转化为以温缩为主, 半刚性基层材料的固、液、气三相由于温度改变而相互作用, 进而导致半刚性基层材料产生温度收缩^[5,6]。

对于将钢渣用于道路工程中的可行性, 此前相关学者通过马歇尔稳定度试验、车辙试验、劈裂试验、冻融劈裂强度试验等相关试验对钢渣的路用性能进行了相关研究^{[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18]}。钢渣块体大小不一, 自然级配不均匀, 但在设计混合料的级配时, 通过反复设计, 一定可以找到符合规范要求的最佳配合比。钢渣中含有多种氧化物和矿物质, 与硅酸盐水泥熟料具有相似的物化成分, 在特定的环境条件下经电解水化作用后, 形成性质稳定、强度高、颗粒均匀的粒状物;钢渣集料具有耐磨、压碎值小且孔隙率大等特点, 水泥等胶结材料与之混合时比与砂砾混合时具有更强的附着性, 因此, 钢渣相对于砂砾具有更好的力学性能。对于钢渣的安定性问题, 目前我国各钢铁企业通常的处理方法是控制钢渣中f-Ca O的含量, 通过相关工艺处理, 完全可以控制钢渣的安定性。因此, 将钢渣用于道路工程中可行。

针对以上问题, 笔者用钢渣代替水泥稳定基层中的碎石, 在路基材料以及结构组成等方面进行优化和改进, 对钢渣水泥混合料的干缩和温缩特性进行研究, 改善半刚性基层的抗裂性能, 并提高废钢渣的利用率。

本试验所用的原材料主要有废钢渣、水泥和砂砾。根据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》及GB/T25824—2010《道路用钢渣》, 钢渣的试验结果如表1所示。

由于原矿石成分以及制作工艺等原因, 钢渣的化学成分各有差异。据日本废钢渣协会的统计结果^[20], 废钢渣的化学成分主要有Ca O, Si O₂, T-Fe, Mg O和Al₂O₃。此外, 钢渣具有较强的水硬性, 由于Ca O与水反应, 废钢渣的p H值可达10~12, 因此采用废钢渣作为半刚性基层材料, 不仅可以提高路基承载力, 而且可以起到防腐效果。

水泥是半刚性基层的一种水硬性胶凝材料, 其化学成分主要为3Ca O·Si O₂, 2Ca O·Si O₂, 3Ca O·Al₂O₃和4Ca O·Al₂O₃·Fe₂O₃, 其具有与水接触产生硬化并保持和发展其强度的特性, 被广泛应用于工程建设中。本试验所采用的水泥为P·O32.5水泥, 根据JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》的要求, 对水泥进行细度、凝结时间、安定性、强度等试验, 试验结果如表2所示。

根据JTJ034—2000《公路路面基层施工技术规范》中水泥稳定土级配的相关要求进行级配设计, 选取级配范围的上限、中限和下限作为钢渣的细、中、粗3种级配, 同时根据JTG D50—2006《公路沥青路面设计规范》中对水泥稳定土的级配要求, 用含量为3%, 4%, 5%的P·O32.5水泥稳定粗、中、细3种级配的钢渣, 钢渣及砂砾的级配曲线如图1, 2所示。

本试验采用钢渣代替全部碎石, 根据JTG F10—2006《公路路基施工技术规范》中关于无机混合料稳定土的建议配合比, 通过击实试验, 确定钢渣混合料和砂砾混合料的最佳含水量与最大干密度, 试验结果如表3, 4所示。

对于钢渣和砂砾混合料, 根据击实试验所确定的最大干密度和最佳含水率, 采用无机混合料稳定材料梁式试件制作方法, 本试验所采用的试件为5cm×5cm×24cm小梁, 根据现场施工95%的压实度称量拌制好的混合料分层装入5cm×5cm×24cm试模中, 分别进行捣实, 然后在压力机上采用300k N的成型压力将试模上的压块压入试模内, 在300k N压力下静压60s后卸载, 到水泥初凝时间后脱模, 得到5cm×5cm×24cm小梁试件, 每种混合料平行试件数量为3个, 成型好的试件用塑料袋密封, 放在养护室内保湿养护7d, 养护期最后一天浸水, 取出试件后用软布擦去可见自由水, 并称其质量和长度。

将保湿养护后的试件取出, 固定在干缩装置上, 放置在室内进行自然干燥, 实验室内温度基本保持在18~25℃。通过安装在磁力支架顶端部位的千分表进行为期14d的收缩量读数。在读取千分表收缩量的同时, 测量在相同状态下备用试件的质量以确定其水分蒸发损失量, 每天记录1次, 直到试验结束, 共计14d。

试验测试了小梁0~14d的干缩变形情况, 根据试验数据并结合下列公式计算失水率、干缩应变以及干缩系数^[21]。

失水率:

干缩量:

干缩应变:

干缩系数:

总干缩系数:

式中:ω_i为第i次失水率 (%) ;δ_i为第i次观测干缩量 (mm) ;ε_i为第i次干缩应变 (%) ;α_di为第i次干缩系数 (%) ;m_i为第i次标准试件称量质量 (g) ;X_{i, j}为第i次测试时第j个千分表的读数 (mm) ;l为标准试件的长度 (mm) ;m_p为标准试件烘干后恒重 (g) 。

根据计算结果绘制出不同级配、不同水泥含量的钢渣与砂砾混合料的失水率、干缩应变与时间以及失水率和干缩系数的关系曲线。

如图3所示, 3种钢渣混合料的失水率都随着时间的增加而增大, 在第10天左右趋于平缓, 因此半刚性基层在施工初期的养护条件尤为重要, 建议施工后1周左右进行湿法养护, 防止由于失水过多引起干缩应变加剧, 从而过早地产生干缩裂缝。水泥含量相同时, 粗级配钢渣混合料的失水率最大, 中级配钢渣混合料次之, 细级配钢渣混合料的失水率最小。

如图4所示, 干缩应变在试验初期变化较大, 后期则趋于平缓。钢渣混合料的级配相同时, 水泥含量越多, 干缩应变越大, 建议控制混合料水泥含量宜≤4%, 可明显降低干缩应变。水泥含量相同时, 中级配钢渣混合料的干缩应变最大, 细级配次之, 粗级配最小。其原因是粗级配钢渣混合料的试件在成型过程中形成骨架型结构, 其结构较中、细级配钢渣混合料稳定, 干缩应变最小。细级配钢渣混合料的试件在成型过程中形成密实型结构, 其结构相对于中级配钢渣混合料更稳定。中级配钢渣混合料的试件在成型过程中既没有形成骨架型结构也没有形成密实型结构, 其稳定性最差, 干缩应变最大, 抗裂性能最差。因此, 不宜选用中级配钢渣混合料作为半刚性基层材料。

如图5所示, 当失水率<3%时, 3种级配钢渣混合料的干缩系数相差无几, 增长趋势较为平缓;而当失水率为4%~5%时, 干缩系数有急剧增大的趋势;当失水率为6%左右时, 3种级配的钢渣混合料的干缩系数达到最大, 尤其对于中级配钢渣混合料更为明显, 而粗级配及细级配钢渣混合料则相对较为平缓, 后期受失水率影响较小。失水率相同时, 中级配钢渣混合料的干缩系数最大, 细级配钢渣混合料次之, 粗级配钢渣混合料最小。

如图6所示, 钢渣混合料和砂砾混合料的失水率都随着时间的增加而增大, 在第10天左右趋于平缓。钢渣混合料的失水率大于砂砾混合料的失水率, 说明钢渣的吸水性优于砂砾的吸水性。

如图7a所示, 钢渣混合料和砂砾混合料的干缩应变都随着时间的增加而增大。在第4天之前, 钢渣混合料的干缩应变增长较为平缓, 且小于砂砾混合料的干缩应变, 而由图3也可以看出, 前4d的失水率却增长较快。从第4天开始, 中级配钢渣混合料的干缩应变急剧增大。其可能的原因为:首先中级配钢渣混合料在成型过程中没有形成相对稳定的密实型或骨架型结构, 造成其稳定性相对较差;另外, 钢渣材料内部水化产物及次生矿物含量较高, 进而在初期延缓了混合料因失水而产生的最大干缩应变, 符合半刚性材料具有干燥收缩滞后性的特点。随着水泥含量的增加, 如图7b所示, 中级配钢渣混合料急剧增加的时间点提前。水泥含量相同时, 粗级配及细级配的钢渣混合料的干缩应变小于砂砾混合料, 因而用钢渣代替基层碎石可行, 可降低半刚性基层的干缩应变、改善其抗裂性能。

如图8所示, 钢渣混合料的失水率大于砂砾混合料的失水率, 进一步说明钢渣的吸水性优于砂砾的吸水性。失水率相同时, 砂砾混合料的干缩系数远大于钢渣混合料的干缩系数, 即在相同水泥用量下, 钢渣混合料的抗裂性能优于砂砾混合料的抗裂性能, 因此用钢渣代替基层碎石可行, 能够提高半刚性基层的抗裂性能。同时, 还可看出, 悬浮密实型的砂砾混合料的干缩系数大于骨架密实型和骨架孔隙型砂砾混合料的干缩系数, 而骨架型的两种砂砾混合料的干缩系数比较接近。这说明对于由相同材料组成的半刚性混合料, 骨架型结构的干缩性能优于悬浮型结构的干缩性能。

1) 试验采用S2120-100AA型电阻应变片, 分别粘贴于试件两侧, 并采用DH3816静态应变测试系统数据采集仪进行数据采集, 将成型并养护好的试件放置于DW-40低温箱设备中降温。

2) 试验温度范围根据工程所在地的气候、水文资料, 将温度控制在-30~30℃, 并且以-30℃为基准, 每升高10℃为一级间隔, 测量试件累计温缩应变, 每级温度下试件至少静置5h, 则可认为试件内外温度达到一致。

3) 温缩试验的起始温度为-30℃, 在设定温度下放置5h, 用DH3816静态应变测试系统测定试件变形, 然后调至下一温度设定值进行下一级试验。

电阻应变片测试半刚性材料温缩系数的计算公式如下^[21]:

式中:ε_t为温缩应变;ΔT为温度差;β_s为标准试件的线膨胀系数。

根据计算结果绘制不同级配钢渣混合料、相同水泥含量的钢渣与砂砾混合料的温缩应变和温度的关系曲线。

如图9a所示, 累计温缩应变 (绝对值) 随着温度的升高而增大, 变化趋势基本相同。钢渣混合料级配相同时, 水泥含量越高, 累计温缩应变 (绝对值) 越大, 说明水泥用量对钢渣混合料的温度收缩变形影响较大, 应控制钢渣混合料的水泥用量。由图可以看出, 温度较高时, 温缩应变增长较快。这是因为温度升高时, 集料颗粒与颗粒之间的间隙增大, 进而造成宏观温缩应变的增加。

如图9b所示, 钢渣混合料和砂砾混合料的累计温缩应变 (绝对值) 随着温度的升高而增大, 水泥含量相同时, 悬浮密实型砂砾混合料的累计温缩应变 (绝对值) 最大, 细级配钢渣混合料次之。因此, 控制钢渣混合料中细集料的含量可以减少温度收缩变形。骨架孔隙型砂砾混合料的累计温缩应变最小。钢渣混合料的温缩应变之所以相对较高是因为钢渣内部的水化物及次生矿物含量较高, 对温度的变化较以碎石为集料的基层材料要敏感^[22]。不过由图可以看出, 当水泥含量相同时, 钢渣混合料的温缩应变介于不同类型砂砾混合料的温缩应变之间, 并不会增加半刚性基层的温缩应变。因此, 用钢渣代替基层碎石可行。

1) 钢渣混合料级配相同时, 失水率和干缩应变都随着水泥含量的增加而增大, 在第10天左右趋于平缓。水泥含量相同时, 粗级配钢渣混合料的失水率最大, 中级配钢渣混合料的干缩应变最大。干缩系数随着失水率的增加而增大, 当失水率为6%左右时达到最大, 后期则受失水率影响较小。失水率相同时, 中级配钢渣混合料的干缩系数最大。

2) 钢渣混合料的失水率大于砂砾混合料的失水率, 说明钢渣的吸水性优于砂砾的吸水性。中级配钢渣混合料的干缩应变较大, 粗级配及细级配钢渣混合料的干缩应变均小于砂砾混合料的干缩应变, 同时砂砾混合料的干缩系数远大于钢渣混合料的干缩系数。

3) 水泥含量对钢渣混合料的温度收缩变形影响较大, 水泥用量越大, 温度收缩变形越大, 温度越高, 温缩应变增长越快。水泥含量相同时, 细级配钢渣混合料温度收缩变形较大, 粗级配及细级配钢渣混合料温度收缩变形介于不同类型砂砾混合料温度收缩变形之间, 用钢渣代替基层碎石可行。

4) 中级配钢渣混合料的干缩变形较大, 细级配钢渣混合料的温度收缩变形较大, 建议用粗级配钢渣混合料作为半刚性基层材料, 既可以减小干缩应变, 也可以改善温度收缩变形, 有利于提高半刚性基层材料的抗裂性能。