摘要：以矿渣粉为主要材料，掺入碱性无机物与硫酸盐等激发剂，研制出环保的新型路面基层结合料（NB）两种。这两种结合料都具备了缓凝、抗裂性能好，28 天强度超过了P.O32.5R 的标准等特点。两种结合料稳定土，具有抗压强度较高、最大干密度与无侧限抗压强度受结合料延迟时间的影响小，弯拉强度与劈裂强度均较高、弯拉应变较大；同时用数据说明了两种结合料对土的选择性。结果表明，用矿渣粉为主要原料所配制的两种结合料能够符合路面基层的需求。
关键词：矿渣粉；结合料；路面基层；延迟时间；力学性能
1 引言
在基础设施建设中，尤其是公路的高速建设期，如何能减少利用破坏生态环境的建筑材料，将循环经济的概念及材料运用到公路建设中，符合国家的节能政策，走一条资源消耗低、环境污染少、人力资源与物力资源得到充分发挥的新型工业化路子，将是利国利民的大好事。
本文的提出基于以下几个方面：1.工业废渣——矿渣粉要作为一种循环材料找到利用的途径，减少废物的堆放量，并且希望不影响传统材料的质量指标；2.已经拥有了年产60 万吨的矿渣粉生产线，为大面积应用提供了可能；3.矿渣粉作为水泥的掺和料，能够减缓水泥的凝结时间，对某些行业比较有利；4.矿渣粉的掺入能够减少水泥混凝土中的大孔数量，从而减少水泥石的收缩，具有很好的使用品质；5.公路路面基层正好需要凝结时间长、收缩性较小的结合料，这是目前半刚性结合料两方面的致命缺陷，亟需要改善。本文介绍了以太钢矿渣粉为主体，用石灰、水泥、石膏等为激发剂研制的结合料NB 及其强度的特性。
2 结合料配合比的确定
路面基层常用水泥稳定类或者二灰稳定类的无机结合料稳定类材料，在所稳定的对象粗粒土或者细粒土一旦确定的条件下，结合料起着极为重要的作用，强度尤其是板体性取决于结合料的种类与剂量。而现在目前采用的普通硅酸盐水泥凝结时间较短，温度与干燥收缩大，严重影响路面的施工质量与使用质量，是目前半刚性基层上的沥青路面出现早期破坏的一个重要原因，所以，本文期望在高掺量矿渣的基础上，研究出凝结时间较长，干燥收缩裂缝较小的基层专用结合料。研究结合料配比时，以抗压强度、凝结时间和干燥收缩为主要技术指标。由于基层施工时，一般选用普通硅酸盐水泥P.O32.5R，故本文以P.O32.5R 作为参照对象来衡量所研制材料的性能。所采用的P.O32.5R 为耀县产秦岭水泥，其性能试验结果见表1。
2.1 采用原材料
试验用材料，主要为矿渣粉以及常见的非常易得的价格便宜、便于施工的普通材料。
2.1.1 矿渣
太原钢铁公司的粒化高炉矿渣，由德龙公司通过立磨磨制成矿渣粉，其主要成分是玻璃相。矿渣中添加了2％的石灰石粉，矿渣与石灰石的化学成分见表2，密度分别为2.935 g/cm3，2.913g/cm3；渣的比表面积为430m2/kg 左右。
2.1.2 石灰
来源于陕西富平地区产石灰，白色块状，化学成分见表2，属于Ⅰ级石灰，按照水：生石灰= 4：10 的重量比将石灰消解，使得消石灰含水量不大于4%，并用0.6mm 方孔筛过筛后，取筛下消石灰试验用。
2.1.3 水泥
选用耀县水泥厂生产的秦岭P.O42.5R 水泥来掺配研制的结合料，其性能试验结果见表1。
表 1 水泥的性能试验结果
2.1.4 石膏
来源于首钢，化学成分见表2，质量一般。经750℃高温煅烧2 小时后使用。
表2 原料的化学成分
2.2 结合料配合比的试验结果与分析
按照凝结时间、胶砂的强度、收缩实验的标准试验方法对42 种研究方案经过大量的试验，推荐出了能够符合路面基层使用的环保节能型高矿渣掺量的结合料两种NB1 和NB2，并得出以下试验结论。
2.2.1 强度
所研制结合料NB 的胶砂强度能够达到常用的P·O32.5R 的强度标准要求，试验结果见表3。该反映出，NB 结合料在3d 龄期时，强度低于参照水泥P.O32.5R，7d 时，略高于参照水泥，在28 天时，明显高于参照水泥的强度，超过了P.O32.5R 的强度，从抗压强度上来看，能够满足路面基层使用。另外，比较抗折强度，与抗压强度的增长规律相同，28 天的抗折强度明显高于参照对象的。本文借助水泥混凝土中对抗裂性的评价手段---脆度系数，来反映两种结合料的抗裂性。脆度系数是抗压与抗折强度之比，该值越小，表明脆性越小，即柔性越好，越不容易发生脆断。结合料NB 的抗压、抗折强度都高，脆度系数小，说明NB比P.O32.5R 有更优的性能，很适合道路路面基层使用。
表3 胶砂强度试验结果
2.2.2 凝结时间
在标准稠度用水量下，按照标准试验方法对NB 与P.O32.5R 两种净浆的凝结时间进行了测试，得出NB 初凝时间大于5 个小时，终凝时间大于9 小时，这样给混合料拌和、摊铺、碾压留出了充分的时间。因此，从施工时间上要优于常用的普通硅酸盐水泥，试验结果见表4。
表4 净浆试验结果
表3～表4 表明了NB1、NB2 与P.O32.5R 相比，有较高的28d 抗压强度，而凝结时间、抗折强度，具有明显的优势。表明了两种结合料NB 都是比较理想的路面基层材料。
3.稳定土的试验结果与分析
本文对西安黄土（细粒土）与富平产级配碎石（粗粒土）进行了较为系统的路用性能试验研究。
3.1 原材料
3.1.1 土
细土采用陕西西安南郊的黄土，最大干密度为1.820g/cm3，最佳含水量为12.5％。
3.1.2 碎石
碎石采用石灰岩，取自陕西省富平县。按照《公路工程石料试验规程》（JTJ 054－94）的要求，测得集料压碎值为18.1%，小于30%，符合技术规范的要求。碎石级配按照规范级配中值逐级回配而成。
3.2 稳定细粒土与稳定碎石试验结果与分析
3.2.1 击实试验与无侧限抗压强度结果
击实试验是做其它力学性能的基础试验，通过它能够确定出研究材料在一定的击实功下的最佳含水量与最大干密度，为试件成型、施工质量的控制提供依据。依据现行规范《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057-94)，对稳定细粒土采用小型击实筒，稳定碎石采用大型击实筒,都采用重型击实法，稳定细粒土与稳定碎石击实试验结果分别见表5 和6。无侧限抗压强度是评价水泥稳定土路用性能的一个重要指标。在现行《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034—2000）中，对水泥稳定土应用于各级公路唯一的控制指标就是混合料7d 无侧限饱水抗压强度，本文为了了解短期与长期龄期的抗压强度，以通过击实试验得到的最大干密度和最佳含水量为依据，考虑工地预定达到的压实度，并采用静力压实法制备试件。成型试件时压实度都采用了97％，成型的试件在标准养生温度（20±2℃）下分别保湿养生7 天、28 天、90 天，试验前一天浸水24 小时，然后以1mm/min 的加载速率测试各龄期试件的抗压强度。并按照高等级公路的保证律系数计算出强度的代表值。
表5 稳定细粒土击实及无侧限抗压强度代表值试验结果
表6 稳定碎石击实及无侧限抗压强度试验结果
试验结果表明：
①稳定细粒土的击实试验结果比较规律，随着结合料剂量的增加，最大干密度在减小，最佳含水量在增大。稳定碎石各结合料的最大干密度并不象稳定细粒土那样有规律，主要原因是碎石材料离散性太大，所以，相同体积的重量就偏差过大，这也是粗粒土材料的一个显著特点。
②随着养生龄期的增长，三种结合料稳定土的抗压强度均在增加，但各个阶段增加的幅度不同，一般7 天到28 天的增长幅度较大，28 天到90 天的增长幅度较小。
③对稳定细粒土，7 天强度中，P.O32.5R 水泥稳定土的强度最大、NB2 次之，NB1 强度最小，28 天和90 天强度中，三种结合料稳定土在相同的结合料剂量条件下，强度大小的排序是相同的，NB2 的强度最大，P.O32.5R 水泥土次之，NB1 稳定土的抗压强度最小。
④对于稳定粗粒土，在相同养生龄期、相同的结合料剂量条件下，7 天、28 天时NB1、NB2 的抗压强度显著高于普通硅酸盐水泥P.O32.5R 的抗压强度，而到90 天时，强度已比较接近。
⑤NB1 结合料对土有选择性，NB1 更适合于稳定碎石，而NB2 对细粒土和粗粒土都有很好的稳定效果。这主要是由于NB2 中含有更多的Ca2+离子，与粘土中的一价金属离子能够进行更充分的物理化学作用，而使稳定细粒土的强度能够更进一步地提高。
3.2.2 延迟时间对最大干密度与抗压强度的影响
从加水拌和到碾压终了之间的延迟时间对水泥稳定土强度和所能达到的最大干密度有明显影响。延迟时间越长，混合料强度和最大干密度的损失愈大，在土质不变的情况下，用终凝时间短的水泥时，延迟时间对混合料强度损失的影响大。
本文分析了在西安黄土不变的情况下，3 种结合料稳定细粒土的击实试验与不同龄期抗压强度受延迟时间的影响，目的是对施工时的延迟时间提供依据，试验采用重型击实法，结合料剂量为8％，最大干密度结果见表7，无侧限抗压强度试验结果见表8。表中在不同延迟时间的最大干密度与强度的降低幅度是以没有延时即0 小时的值作为参照。
表7 延迟时间对最大干密度的影响
表 8 三种结合料稳定土无侧限抗压强度受延迟时间的影响
注：表中正值指与0h 成型的强度相比降低的百分率，负值指提高的百分率。
结果分析：
①表7 表明，随着延迟时间的延长，最大干密度值在降低，延迟时间对三种结合料最大干密度均有不同程度的影响，P.O32.5R 水泥稳定细粒土降低幅度最大，最大干密度的数值最小；NB2 的最大干密度受延迟时间对其影响最小，最大干密度的数值最大；NB1 稳定细粒土最大干密度的数值以及降低的幅度都介于其他两者之间。分析原因主要是由于普通硅酸盐水泥P.O32.5R 的初凝时间短，在延迟的过程当中，混合料结团，水化反应已经进行，导致颗粒之间缺水，可压实性降低，所以，最大干密度值降低明显。
②表8 反映出延迟时间对NB1 稳定细粒土强度的影响是，延迟时间对7 天、28 天的强度影响是正面的，这一现象以及原因仍有待于进一步研究与分析；但从90 天看，随着延迟时间的加长，强度衰减比较有规律，即随着延迟时间的增长，抗压强度在降低。NB1 稳定土在延迟4 小时以上时，各龄期的抗压强度都比P.O32.5R 的优，这也表明了NB1 结合料的优良特点，也就是由于其凝结时间尤其终凝时间比P.O32.5R 水泥长的多，缓凝的特点使得其在实际使用中，强度已明显地超过了P.O32.5R 稳定土的。
③对NB2，从表8 看出，该结合料稳定细粒土的28 天、90 天强度不论有没有延迟时间都远高于普通硅酸盐水泥P.O32.5R 的，同时能够看出， P.O32.5R 稳定土的降低幅度比其它两种都大，说明P.O32.5R 稳定土受延迟时间的影响更大。
3.2.3 稳定土弯拉强度与劈裂试验
良好的基层材料，不仅要求其有较高的抗压强度，较高的抗拉强度也是非常重要的，劈裂强度能够反映材料间接拉伸的能力，因此本文分别测定了7 天、28 天、90 天标准养生龄期的弯拉强度，劈裂强度，并通过弯拉应变的大小来判断各混合料的柔韧性，弯拉应变越大，材料的韧性越强，抗开裂能力越好。
稳定细粒土采用5×5×24cm 的梁式试件，稳定碎石采用10×10×40cm 的梁式试件，试验在MTS810（Material Test System）材料试验机上进行，采用弯曲梁单点集中加载方式，以1mm/min 的加载速率进行弯拉破坏试验，测出破坏时的最大荷载，计算出抗弯拉强度Rw 与破坏时的弯拉应变。
（1）稳定细粒土
稳定细粒土的弯拉强度与弯拉应变见表9，劈裂试验仅做了8％稳定细粒土的不同龄期的强度，结果见表10。
表 9 稳定细粒土抗弯拉强度与弯拉应变
表10 8％的结合料稳定土劈裂试验结果:/MPa
结果分析：
①抗弯拉强度与劈裂强度都能反映混合料的抗拉能力，从以上两个表能够看出，NB1的抗拉能力最强，P.O32.5R 次之，NB2 的最差，这一现象与抗压强度的正好相反，说明了抗压与抗拉的不一致性，这应该与反应生成物的类型及形貌有关。
结果分析：
①抗弯拉强度与劈裂强度都能反映混合料的抗拉能力，从以上两个表能够看出，NB1的抗拉能力最强，P.O32.5R 次之，NB2 的最差，这一现象与抗压强度的正好相反，说明了抗压与抗拉的不一致性，这应该与反应生成物的类型及形貌有关。
结果表明：
①表3.12 表明了在相同龄期内，相同水泥用量的情况下，NB1 稳定碎石的抗弯拉强度最大，NB2 水泥碎石次之，P.O32.5R 水泥碎石的最小。
②NB1 稳定碎石90 天的弯拉应变最大，P.O32.5R 的次之，NB2 的最小，表明NB1 的柔韧性最好，抗裂性最佳，其次是P.O32.5R，较差的是NB2。
4．结论
（1）矿渣作为一种工业废渣，严重污染环境，危及人们的生存空间，粉磨到不同的细度，可以很好地用作路面基层结合料的主材。
（2）所研究缓凝型路面基层结合料NB1 与NB2 能够满足路面基层结合料的需求，缓凝，强度高，且抗裂性能好，是优质的基层专用结合料。
（3）用两种结合料稳定细粒土与粗粒土，总的来说，抗压强度、弯拉强度、劈裂强度都比较高，弯拉应变较大，最大干密度与抗压强度受延迟时间影响小，其中NB1 更适合于稳定碎石，NB2 更适合于稳定细粒土。
(4) 矿渣粉以及其他工业废渣在道路中的应研究还有待于进一步研究，以便于研制出各种路面专用水泥，实现矿渣粉的资源化。
参考文献
1. 姚爱玲,徐德龙, 孙治军。 矿渣粉作为填料的沥青混合料性能试验。中国公路学报 2006 年11 月.第19卷 第6 期 总第82 期：25—29。
2. 周明凯，李北星，沈卫国等。SGL 结合料稳定土的性能、应用及其硬化机理。1999 年5 月第12 卷（增刊）：p.9—16。
3. Maurice Serruto, Lucas Pardo.Evaluation of stabilized marginal pavement materials using established and newlydeveloped cementitious binders. 20th ARRB Conference. March 2001： P.19-21.
4. JTJ034-2000.公路路面基层施工规范，人民交通出版社。
5. JTJ057-94.公路工程无机结合料稳定材料试验规程. 人民交通出版社。
6.郑青。工业渣超细粉磨的研究 。中国水泥碱激发碳酸盐矿胶凝－灌浆材料的复合与性能优化。第一界全国化学碱激发胶凝材料研讨会论文集。2004 年11 月，p.195-201。
7.姚爱玲，张西玲。再生资源——矿渣微粉在道路工程中的应用。西部公路学会2006 年学会年会优秀论文集.
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
