摘要：以礦渣粉為主要材料，摻入堿性無機物與硫酸鹽等激發劑，研制出環保的新型路面基層結合料（NB）兩種。這兩種結合料都具備了緩凝、抗裂性能好，28 天強度超過了P.O32.5R 的標準等特點。兩種結合料穩定土，具有抗壓強度較高、最大干密度與無側限抗壓強度受結合料延遲時間的影響小，彎拉強度與劈裂強度均較高、彎拉應變較大；同時用數據說明了兩種結合料對土的選擇性。結果表明，用礦渣粉為主要原料所配制的兩種結合料能夠符合路面基層的需求。
關鍵詞：礦渣粉；結合料；路面基層；延遲時間；力學性能
1 引言
在基礎設施建設中，尤其是公路的高速建設期，如何能減少利用破壞生態環境的建筑材料，將循環經濟的概念及材料運用到公路建設中，符合國家的節能政策，走一條資源消耗低、環境污染少、人力資源與物力資源得到充分發揮的新型工業化路子，將是利國利民的大好事。
本文的提出基于以下幾個方面：1.工業廢渣——礦渣粉要作為一種循環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材料的質量指標；2.已經擁有了年產60 萬噸的礦渣粉生產線，為大面積應用提供了可能；3.礦渣粉作為水泥的摻和料，能夠減緩水泥的凝結時間，對某些行業比較有利；4.礦渣粉的摻入能夠減少水泥混凝土中的大孔數量，從而減少水泥石的收縮，具有很好的使用品質；5.公路路面基層正好需要凝結時間長、收縮性較小的結合料，這是目前半剛性結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、石膏等為激發劑研制的結合料NB 及其強度的特性。
2 結合料配合比的確定
路面基層常用水泥穩定類或者二灰穩定類的無機結合料穩定類材料，在所穩定的對象粗粒土或者細粒土一旦確定的條件下，結合料起著極為重要的作用，強度尤其是板體性取決于結合料的種類與劑量。而現在目前采用的普通硅酸鹽水泥凝結時間較短，溫度與干燥收縮大，嚴重影響路面的施工質量與使用質量，是目前半剛性基層上的瀝青路面出現早期破壞的一個重要原因，所以，本文期望在高摻量礦渣的基礎上，研究出凝結時間較長，干燥收縮裂縫較小的基層專用結合料。研究結合料配比時，以抗壓強度、凝結時間和干燥收縮為主要技術指標。由于基層施工時，一般選用普通硅酸鹽水泥P.O32.5R，故本文以P.O32.5R 作為參照對象來衡量所研制材料的性能。所采用的P.O32.5R 為耀縣產秦嶺水泥，其性能試驗結果見表1。
2.1 采用原材料
試驗用材料，主要為礦渣粉以及常見的非常易得的價格便宜、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產石灰，白色塊狀，化學成分見表2，屬于Ⅰ級石灰，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，取篩下消石灰試驗用。
2.1.3 水泥
選用耀縣水泥廠生產的秦嶺P.O42.5R 水泥來摻配研制的結合料，其性能試驗結果見表1。
表 1 水泥的性能試驗結果
2.1.4 石膏
來源于首鋼，化學成分見表2，質量一般。經750℃高溫煅燒2 小時后使用。
表2 原料的化學成分
2.2 結合料配合比的試驗結果與分析
按照凝結時間、膠砂的強度、收縮實驗的標準試驗方法對42 種研究方案經過大量的試驗，推薦出了能夠符合路面基層使用的環保節能型高礦渣摻量的結合料兩種NB1 和NB2，并得出以下試驗結論。
2.2.1 強度
所研制結合料NB 的膠砂強度能夠達到常用的P·O32.5R 的強度標準要求，試驗結果見表3。該反映出，NB 結合料在3d 齡期時，強度低于參照水泥P.O32.5R，7d 時，略高于參照水泥，在28 天時，明顯高于參照水泥的強度，超過了P.O32.5R 的強度，從抗壓強度上來看，能夠滿足路面基層使用。另外，比較抗折強度，與抗壓強度的增長規律相同，28 天的抗折強度明顯高于參照對象的。本文借助水泥混凝土中對抗裂性的評價手段---脆度系數，來反映兩種結合料的抗裂性。脆度系數是抗壓與抗折強度之比，該值越小，表明脆性越小，即柔性越好，越不容易發生脆斷。結合料NB 的抗壓、抗折強度都高，脆度系數小，說明NB比P.O32.5R 有更優的性能，很適合道路路面基層使用。
表3 膠砂強度試驗結果
2.2.2 凝結時間
在標準稠度用水量下，按照標準試驗方法對NB 與P.O32.5R 兩種凈漿的凝結時間進行了測試，得出NB 初凝時間大于5 個小時，終凝時間大于9 小時，這樣給混合料拌和、攤鋪、碾壓留出了充分的時間。因此，從施工時間上要優于常用的普通硅酸鹽水泥，試驗結果見表4。
表4 凈漿試驗結果
表3～表4 表明了NB1、NB2 與P.O32.5R 相比，有較高的28d 抗壓強度，而凝結時間、抗折強度，具有明顯的優勢。表明了兩種結合料NB 都是比較理想的路面基層材料。
3.穩定土的試驗結果與分析
本文對西安黃土（細粒土）與富平產級配碎石（粗粒土）進行了較為系統的路用性能試驗研究。
3.1 原材料
3.1.1 土
細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
碎石采用石灰巖，取自陜西省富平縣。按照《公路工程石料試驗規程》（JTJ 054－94）的要求，測得集料壓碎值為18.1%，小于30%，符合技術規范的要求。碎石級配按照規范級配中值逐級回配而成。
3.2 穩定細粒土與穩定碎石試驗結果與分析
3.2.1 擊實試驗與無側限抗壓強度結果
擊實試驗是做其它力學性能的基礎試驗，通過它能夠確定出研究材料在一定的擊實功下的最佳含水量與最大干密度，為試件成型、施工質量的控制提供依據。依據現行規范《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTJ057-94)，對穩定細粒土采用小型擊實筒，穩定碎石采用大型擊實筒,都采用重型擊實法，穩定細粒土與穩定碎石擊實試驗結果分別見表5 和6。無側限抗壓強度是評價水泥穩定土路用性能的一個重要指標。在現行《公路路面基層施工技術規范》（JTJ034—2000）中，對水泥穩定土應用于各級公路唯一的控制指標就是混合料7d 無側限飽水抗壓強度，本文為了了解短期與長期齡期的抗壓強度，以通過擊實試驗得到的最大干密度和最佳含水量為依據，考慮工地預定達到的壓實度，并采用靜力壓實法制備試件。成型試件時壓實度都采用了97％，成型的試件在標準養生溫度（20±2℃）下分別保濕養生7 天、28 天、90 天，試驗前一天浸水24 小時，然后以1mm/min 的加載速率測試各齡期試件的抗壓強度。并按照高等級公路的保證律系數計算出強度的代表值。
表5 穩定細粒土擊實及無側限抗壓強度代表值試驗結果
表6 穩定碎石擊實及無側限抗壓強度試驗結果
試驗結果表明：
?、俜€定細粒土的擊實試驗結果比較規律，隨著結合料劑量的增加，最大干密度在減小，最佳含水量在增大。穩定碎石各結合料的最大干密度并不象穩定細粒土那樣有規律，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顯著特點。
②隨著養生齡期的增長，三種結合料穩定土的抗壓強度均在增加，但各個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。
?、蹖Ψ€定細粒土，7 天強度中，P.O32.5R 水泥穩定土的強度最大、NB2 次之，NB1 強度最小，28 天和90 天強度中，三種結合料穩定土在相同的結合料劑量條件下，強度大小的排序是相同的，NB2 的強度最大，P.O32.5R 水泥土次之，NB1 穩定土的抗壓強度最小。
?、軐τ诜€定粗粒土，在相同養生齡期、相同的結合料劑量條件下，7 天、28 天時NB1、NB2 的抗壓強度顯著高于普通硅酸鹽水泥P.O32.5R 的抗壓強度，而到90 天時，強度已比較接近。
?、軳B1 結合料對土有選擇性，NB1 更適合于穩定碎石，而NB2 對細粒土和粗粒土都有很好的穩定效果。這主要是由于NB2 中含有更多的Ca2+離子，與粘土中的一價金屬離子能夠進行更充分的物理化學作用，而使穩定細粒土的強度能夠更進一步地提高。
3.2.2 延遲時間對最大干密度與抗壓強度的影響
從加水拌和到碾壓終了之間的延遲時間對水泥穩定土強度和所能達到的最大干密度有明顯影響。延遲時間越長，混合料強度和最大干密度的損失愈大，在土質不變的情況下，用終凝時間短的水泥時，延遲時間對混合料強度損失的影響大。
本文分析了在西安黃土不變的情況下，3 種結合料穩定細粒土的擊實試驗與不同齡期抗壓強度受延遲時間的影響，目的是對施工時的延遲時間提供依據，試驗采用重型擊實法，結合料劑量為8％，最大干密度結果見表7，無側限抗壓強度試驗結果見表8。表中在不同延遲時間的最大干密度與強度的降低幅度是以沒有延時即0 小時的值作為參照。
表7 延遲時間對最大干密度的影響
表 8 三種結合料穩定土無側限抗壓強度受延遲時間的影響
注：表中正值指與0h 成型的強度相比降低的百分率，負值指提高的百分率。
結果分析：
?、俦? 表明，隨著延遲時間的延長，最大干密度值在降低，延遲時間對三種結合料最大干密度均有不同程度的影響，P.O32.5R 水泥穩定細粒土降低幅度最大，最大干密度的數值最小；NB2 的最大干密度受延遲時間對其影響最小，最大干密度的數值最大；NB1 穩定細粒土最大干密度的數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 的初凝時間短，在延遲的過程當中，混合料結團，水化反應已經進行，導致顆粒之間缺水，可壓實性降低，所以，最大干密度值降低明顯。
②表8 反映出延遲時間對NB1 穩定細粒土強度的影響是，延遲時間對7 天、28 天的強度影響是正面的，這一現象以及原因仍有待于進一步研究與分析；但從90 天看，隨著延遲時間的加長，強度衰減比較有規律，即隨著延遲時間的增長，抗壓強度在降低。NB1 穩定土在延遲4 小時以上時，各齡期的抗壓強度都比P.O32.5R 的優，這也表明了NB1 結合料的優良特點，也就是由于其凝結時間尤其終凝時間比P.O32.5R 水泥長的多，緩凝的特點使得其在實際使用中，強度已明顯地超過了P.O32.5R 穩定土的。
?、蹖B2，從表8 看出，該結合料穩定細粒土的28 天、90 天強度不論有沒有延遲時間都遠高于普通硅酸鹽水泥P.O32.5R 的，同時能夠看出， P.O32.5R 穩定土的降低幅度比其它兩種都大，說明P.O32.5R 穩定土受延遲時間的影響更大。
3.2.3 穩定土彎拉強度與劈裂試驗
良好的基層材料，不僅要求其有較高的抗壓強度，較高的抗拉強度也是非常重要的，劈裂強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 天標準養生齡期的彎拉強度，劈裂強度，并通過彎拉應變的大小來判斷各混合料的柔韌性，彎拉應變越大，材料的韌性越強，抗開裂能力越好。
穩定細粒土采用5×5×24cm 的梁式試件，穩定碎石采用10×10×40cm 的梁式試件，試驗在MTS810（Material Test System）材料試驗機上進行，采用彎曲梁單點集中加載方式，以1mm/min 的加載速率進行彎拉破壞試驗，測出破壞時的最大荷載，計算出抗彎拉強度Rw 與破壞時的彎拉應變。
（1）穩定細粒土
穩定細粒土的彎拉強度與彎拉應變見表9，劈裂試驗僅做了8％穩定細粒土的不同齡期的強度，結果見表10。
表 9 穩定細粒土抗彎拉強度與彎拉應變
表10 8％的結合料穩定土劈裂試驗結果:/MPa
結果分析：
①抗彎拉強度與劈裂強度都能反映混合料的抗拉能力，從以上兩個表能夠看出，NB1的抗拉能力最強，P.O32.5R 次之，NB2 的最差，這一現象與抗壓強度的正好相反，說明了抗壓與抗拉的不一致性，這應該與反應生成物的類型及形貌有關。
結果分析：
?、倏箯澙瓘姸扰c劈裂強度都能反映混合料的抗拉能力，從以上兩個表能夠看出，NB1的抗拉能力最強，P.O32.5R 次之，NB2 的最差，這一現象與抗壓強度的正好相反，說明了抗壓與抗拉的不一致性，這應該與反應生成物的類型及形貌有關。
結果表明：
?、俦?.12 表明了在相同齡期內，相同水泥用量的情況下，NB1 穩定碎石的抗彎拉強度最大，NB2 水泥碎石次之，P.O32.5R 水泥碎石的最小。
②NB1 穩定碎石90 天的彎拉應變最大，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．結論
?。?）礦渣作為一種工業廢渣，嚴重污染環境，危及人們的生存空間，粉磨到不同的細度，可以很好地用作路面基層結合料的主材。
?。?）所研究緩凝型路面基層結合料NB1 與NB2 能夠滿足路面基層結合料的需求，緩凝，強度高，且抗裂性能好，是優質的基層專用結合料。
（3）用兩種結合料穩定細粒土與粗粒土，總的來說，抗壓強度、彎拉強度、劈裂強度都比較高，彎拉應變較大，最大干密度與抗壓強度受延遲時間影響小，其中NB1 更適合于穩定碎石，NB2 更適合于穩定細粒土。
(4) 礦渣粉以及其他工業廢渣在道路中的應研究還有待于進一步研究，以便于研制出各種路面專用水泥，實現礦渣粉的資源化。
參考文獻
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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
