一种水泥稳定钢渣的半刚性基层原料配比设计方法

摘要

本发明公开了一种水泥稳定钢渣的半刚性基层原料配比设计方法，属于道路工程材料领域。该设计方法通过将钢渣集料按粒径分档，根据密度最大原则确定各档料的掺配比例，再通过水泥掺量和水用量设计，通过击实试验确定不同水泥掺量混合料的最大干密度、最佳含水率，最后经过7d无侧限抗压强度试验，根据测试结果，综合无侧限抗压强度要求和水泥用量占比，得出水泥稳定钢渣半刚性基层的原料最佳配比。本发明设计方法能成本最低的满足道路基层的抗压强度，还解决了天然砂石筑路材料短缺和由其带来的环境污染问题，提高了钢渣废弃物的利用率和适用性，解决钢渣大量堆积带来的生态环境问题，以及现有钢渣直接作为半刚性基层材料路用性能不稳定问题。

说明书

技术领域

本发明涉及道路工程材料技术领域，特别是涉及一种水泥稳定钢渣的半刚性基层原料配比设计方法。

背景技术

随着我国基础设施的蓬勃发展，带动了公路运输业的快速发展，公路建设里程逐年增加，导致天然石材集料短缺。并且，由于天然石材集料开采会对周围环境造成严重破坏，因此受到了严格的管控，使得道路工程集料短缺问题更加突出，故新型集料的研究成为了行业热点问题。

钢渣是钢铁冶炼过程中产生的副产物，主要化学成分有CaO、SiO

但现有的研究大多是利用钢渣的胶凝特性，将其磨成粉后直接用作胶凝材料，由于不同地区、不同时期的钢渣成分差异较大，使其材料性能不稳定，限制了大规模推广应用。

由此可见，上述现有的钢渣作为半刚性基层材料的应用仍存在问题，本申请就是在此基础上创设的一种水泥稳定钢渣的半刚性基层原料配比设计方法，使其能简单方便的得出钢渣作为道路基层集料的合理混合方式，以及得出水泥稳定钢渣的半刚性基层原料最佳配比，节约成本，提高钢渣适用性，为钢渣废弃物在道路工程中的广泛应用提供了必要的参考。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种水泥稳定钢渣的半刚性基层原料配比设计方法，使其能简单方便的得出钢渣作为道路基层集料的合理混合方式，以及得出水泥稳定钢渣的半刚性基层原料最佳配比，节约成本，提高钢渣适用性，为钢渣废弃物在道路工程中的广泛应用提供了必要的参考。

为解决上述技术问题，本发明提供一种水泥稳定钢渣的半刚性基层原料配比设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1.采用筛分试验将钢渣集料按不同粒径进行分档，得到不同粒径的钢渣料；

S2.根据密度最大原则确定所述不同粒径的钢渣料的最佳掺配比例；

S3.在步骤S2得到的最佳掺配比例基础上分别匹配不同试件下的干密度计算，得到不同水泥掺量的混合料；

S4.对所述不同水泥掺量的混合料拟定不同的含水量，然后采用重型击实试验方法完成不同含水量试件下的干密度计算，并绘制含水率与干密度的相关曲线，得出所述不同水泥掺量的混合料的最佳含水率和最大干密度；

S5.将所述不同水泥掺量的混合料的最佳含水率和最大干密度的成型试件，进行7d无侧限抗压强度试验，根据测试结果，综合无侧限抗压强度要求和水泥用量占比，得出水泥稳定钢渣的半刚性基层原料的最佳配比。

进一步改进，所述步骤S1中首先使用破碎设备将钢渣集料破碎成小于 15mm粒径的钢渣，再将其筛分为小于5mm、5～10mm、10～15mm的三档挡料。

进一步改进，所述步骤S1中还包括对不同粒径的档料钢渣进行性能测试的步骤，测试参数包括钢渣压碎值≤26，0.075mm以下粉尘含量≤2％，针片状含量≤22％，软石含量≤5％。

进一步改进，所述步骤S3中水泥掺量的匹配范围为与其匹配的钢渣料重量的4～6％，且间隔设计≤1％。

进一步改进，所述步骤S4中拟定的不同含水量按梯度设计，且不同含水量依次间隔相差为1～2％。

进一步改进，所述步骤S4中得出的最佳含水率在拟定的最大含水量和最小含水量范围之内。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

本发明水泥稳定钢渣的半刚性基层原料配比设计方法通过将钢渣集料按粒径分档，根据密度最大原则确定各档料的掺配比例，再通过水泥掺量和水用量的设计，通过击实试验确定不同水泥掺量混合料的最大干密度、最佳含水率，最后经过7d无侧限抗压强度试验，根据测试结果，综合无侧限抗压强度要求和水泥用量占比，得出水泥稳定钢渣半刚性基层的原料最佳配比。本发明在该水泥稳定钢渣半刚性基层的原料最佳配比基础上，能成本最低的满足道路基层的抗压强度，成本降低，还解决了天然砂石筑路材料短缺和由其带来的环境污染问题，提高了钢渣固体废弃物的利用率和适用性，解决钢渣大量堆积带来的生态环境问题，以及现有钢渣直接作为半刚性基层材料路用性能不稳定问题，为钢渣在道路基层中的大规模应用提供了可靠保障。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明不同水泥掺量及不同粒径钢渣掺配比例下水泥稳定钢渣半刚性基层的7d无侧限抗压强度图。

具体实施方式

下面结合一个具体实例对本发明作进一步的说明，但本发明的内容不限于下列实施例。目的是通过试验进行验证说明，该发明提出的一种水泥稳定钢渣的半刚性基层原料配比设计方法能够以最低成本的原料配比满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/TF20—2015)中高速公路、一级公路基层重交通下7d无侧限抗压强度大于4Mpa的要求。具体实施例如下。

1、对钢渣进行筛分试验，并测试钢渣料的基本性能

(1)首先使用破碎设备将钢渣集料破碎成小于15mm粒径的钢渣，再采用筛分试验将钢渣集料按不同粒径进行筛分。本实施例将钢渣集料按粒径分为≤5mm、5-10mm、10-15mm三档。当然，还可以根据需求分成更多档。

(2)对不同粒径的钢渣料进行性能测试，测试参数包括压碎值、毛体积密度、吸水率、0.075mm以下粉尘含量、针片状含量、软石含量等，测试方法均采用现有技术进行，测试结果见如下表1。

表1不同粒径的钢渣料的性能测试结果

从上结果可得出，各粒径的钢渣料性能测试均符合要求。

2、设计上述不同粒径的钢渣料的各档料掺配比例，并计算各掺配比例的平均堆积密度，结果如下表2。

表2不同粒径的钢渣料的掺配比例及平均密度结果

从上表2可看出，6#掺配比例(即≤5mm的占比30％、5-10mm的占比 40％、10-15mm的占比30％)得到的钢渣料的堆积密度最大，为2.965g/cm

3、确定不同水泥掺量及含水率梯度

(1)对上述各掺配比例的钢渣料分别设置4％、5％、6％的水泥掺量，以此制备出1#、2#、3#、4#、5#、6#掺配比例的4％水泥掺量的混合料、 1#、2#、3#、4#、5#、6#掺配比例的5％水泥掺量的混合料、1#、2#、3#、 4#、5#、6#掺配比例的6％水泥掺量的混合料。本实施例中每份混合料的干料总质量为6～7kg。

(2)对上述各混合料拟定不同的含水量，不同的含水量按梯度设计，且不同含水量依次间隔相差为1～2％。并且不同含水量的设计范围应包括最佳含水率，即最佳含水率在拟定的最大含水量和最小含水量范围之内。本实施例拟定含水率3％、4％、5％、6％、7％，5个含水率梯度。

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)进行重型击实试验，对上述各混合料的不同含水量试件进行干密度计算，并绘制含水率与干密度的曲线，得出各混合料的最佳含水率和最大干密度。结果见表3。

表3各混合料的最佳含水率和最大干密度结果

4、测试各混合料成型试件的7d无侧限抗压强度

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)规定的试验方法，分别对上述各混合料在最佳含水率和最大干密度条件下的成型试件进行7d无侧限抗压强度测试，试验结果如下表4。

表4各混合料的7d无侧限抗压强度结果

由上述表4可知，随着水泥掺量的加大，相同组别试件的7d无侧限抗压强度不断增加。并且可看出当水泥掺量增加到5％时，不同粒径的钢渣料掺配比例的各组水泥稳定钢渣半刚性基层材料均已满足规范7d无侧限抗压强度大于4Mpa的要求。还可以得出6#掺配比例(即≤5mm的占比30％、 5-10mm的占比40％、10-15mm的占比30％)在相同水泥掺量条件下均属于7d无侧限抗压强度的最大值。

结合6#掺配比例(即≤5mm的占比30％、5-10mm的占比40％、10-15mm 的占比30％)得到的钢渣料的堆积密度最大的结果，很好的验证了在堆积密度最大的不同粒径钢渣料掺配比例下，更加确保了水泥稳定钢渣的半刚性基层满足公路路面基层施工强度的要求。

再结合不同含水量的重型击实试验，可得出最佳钢渣料掺配比例下的最佳含水量，进而考虑在满足公路路面基层施工强度的要求下水泥最为节约原则，最终确定该水泥稳定钢渣的半刚性基层的原料最佳配比。如本实施例中可以确定水泥稳定钢渣的半刚性基层配合比应为：三档钢渣料掺配比例为≤5mm的占比30％、5-10mm的占比40％、10-15mm的占比30％，水泥掺量4％，最佳含水率5％，在此配比基础上，既符合公路路面基层施工强度的要求，又达到节约水泥用量的效果。

本发明将钢渣代替传统的砂石材料作为集料应用于道路基层，按照本发明配比设计方法制备的半刚性基层材料，可以满足公路路面基层施工强度的要求，还能最大程度的节约水泥用量，大大节约成本，解决天然砂石筑路材料短缺和带来的环境污染问题，提高钢渣固体废弃物的利用率和不同钢渣废料的适用性，解决钢渣大量堆积带来的生态环境问题。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。