半刚性钢渣路面基层抗裂机理及性能思考

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论文字数:38566 论文编号:sb2022051117531347301 日期:2022-05-24 来源:硕博论文网

本文是一篇土木工程论文,本文以辛集某炼钢厂新产生的游离氧化钙含量分别为 1.42%(小于规范要求值)、2.20%(小于规范要求值)、3.56%(大于规范要求值)的三种钢渣为研究对象,首先测定钢渣的物理量力学性能及其各自的膨胀率,通过设计的 16 种配合比,经过试验研究钢渣的掺入对水泥稳定钢渣碎石基层的性能影响。
第 1 章  绪论
1.1   研究背景及意义
自改革开放以来,我国的经济一直在大踏步的向前发展,在这开放的潮流之中我国基础设施建设在不停的完善,交通运输业更是迅猛发展,伴随着交通运输业的发展,我国公路建设十分迅速,现今公路网十分发达,但随着人们对出行质量要求的提高,公路的建设必然会继续下去。基层是路面结构中作为主要承重层的一部分,目前在我国现有的公路中基层多采用半刚性基层,其中水泥稳定碎石基层因其原料来源丰富、整体力学性能好、造价费用低等优点在我国广泛应用。然而,随着使用范围的扩大和使用时间的增长,道路病害和其自身的缺陷也逐渐显现出来。水泥稳定碎石基层成型后刚度髙,脆性较大,在使用过程中容易出现裂缝并会反射到面层引起路面开裂降低道路使用寿命,对行车的舒适性及安全性造成极大隐患,同时基层的裂缝也会导致道路维护成本增加。因此解决半刚性基层的裂缝,提高道路的使用寿命,是目前面临的函待解决的难题。
另一方面公路的建设离不开石料的开采,每修建一公里高速公路将耗费两万吨石料,石料的开采必然会破坏当地生态环境,打破生态系统的平衡:植被大量减少,动物死亡,严重的甚至会导致山体滑坡、水土流失等问题[1]。根据我国绿色可持续发展战略和近期中国中央、国务院“交通强国建设纲要”的发展要求现在国家倡导绿色可持续发展,对于环境的保护越来越重视,导致石材开采的减少供不应求,石材价格逐渐上涨,公路建设成本增加。所以寻找一种既可以代替碎石满足路基的强度要求又能增强路基抗裂性的材料来缓解石料的开采及延长道路的使用年限十分重要。
自进入 21 世纪以来,我国钢产量每年都在逐渐增加,如今世界钢铁产量的龙头位置已被我国稳坐。炼钢的过程会产生一些副产品,其中固体废弃物钢渣在这些副产品中占绝大多数,大约每生产一吨的钢铁就有 0.13 吨[2]的钢渣产生,单 2020年我国钢渣的产量就达到了 1.6 亿吨[3]。伴随着钢产量的增多废弃物钢渣的堆放也逐年增加,截止到目前为止,与其他产钢大国相比我国钢渣堆放量位居前列,但与日美德等产钢国相比我国的钢渣利用率较低[4],不足钢渣总产量的 30%,剩下未被利用的钢渣一般被直接露天堆放在户外,这不仅使大量土地被占用而且钢渣中的有害化学成分[5]还会随雨水进入河流或农田,对人类的饮水和土壤造成危害,因此钢渣的回收利用是国内研究的热点。
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1.2  国内外研究现状及存在的问题
1.2.1  国外研究现状
国外对钢渣研究起步较早,目前日本、美国、德国是钢渣利用较为广泛的国家,其中日本利用率在 95%以上,德国利用率不低于 98%,美国更是达到了排用平衡,其钢渣主要用于基坑回填、筑路材料、 混凝土生产、农用肥料、钢厂的循环再利用等方面。在利用过程中,很多学者发现钢渣膨胀性带来的不利影响,因此,采取不同改良措施,研究其使用性能。
Barrand  B 等[10]将钢渣直接掺入到道路基层中作为筑路材料使用,但经长时间的观测发现掺有钢渣的基层混合料往往会开裂,经进一步研究发现导致这一状况的原因是钢渣自身膨胀特性没有充分考虑,导致的混合料体积膨胀,而采取一定的改性措施,控制好钢渣的安定性,再将其钢渣用于路面基层时,基层的涨裂情况得到了改善。
Hopkins Donald Stephen 等[11]在生产混凝土时将钢渣粉和硅粉掺入其中,发现钢渣粉和硅粉的掺入不但提升了混凝土的强度,同时降低水泥的用量;Papayianni 等[12]通过将钢渣与粉煤灰添加到混凝土中研究其对混凝土性能的影响,与普通混凝土进行比较发现掺有钢渣及粉煤灰的混凝土在各方面的性能都有所提升。
Pho  H  Y 等[13]在细粒土中掺入钢渣粉,通过改变土体中钢渣掺入比例来对土体进行改良,通过试验研究土的强度和耐久性因钢渣掺入而发生的变化规律,最后发现与普通土体相比,掺有钢渣粉的土体性能在各方面都有一定改善,其更适合用于路基中。
Perviz  Ahmedzade 等[14]使用 AC-5、AC-10、灰石、钢渣四种不同集料制备马歇尔试件并确定其各自的最佳沥青含量。研究表明由钢渣制备的混合料在安定性、蠕变、强度等放慢都有较为明显的改善。
A.Behnood 等[15]在 SMA 中掺入钢渣研究其在 SMA 混合物中应用的可能性,结果表明在将钢渣作为骨料掺入到 SMA 中,不但可以提高混合料的弹性模量和抗拉强度,对其水稳定性和抗永久变形等特性也有很好的改善作用。
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第 2 章  原材料性能研究
2.1  水泥
水泥是一种水硬性胶凝材料,它作为半钢性基层中常用的胶凝材料在公路中起着重要作用,混合料加水拌合后其中的集料在水泥的作用粘结成具有强度的整体,水泥的性能对混合料强度影响很大,水泥质量优劣将直接影响各类工程的使用寿命。本研究使用的水泥是 P.O42.5 水泥,如图 2-1 所示。根据规范[38]对所用水泥的主要指标进行测定,测定结果如表 2-1 所示,检测结果表明试验所用的水泥符合规范要求。

土木工程论文参考
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2.2  集料
试验所用的集料是某路桥公司仓库存储的石灰岩,如图 2-2 所示,根据规范[39]对所用石料进行性能检测,检测结果如表 2-2 所示,其各相检测结果满足规范要求。

土木工程论文怎么写
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本章主要通过对水泥、碎石、钢渣进行性能试验,判断所用材料是否满足要求,同时对钢渣安定性进行试验,通过试验结果得到如下结论:
(1)  通过对水泥的初凝、终凝时间及水泥砂浆的抗折、抗压强度的试验进行测试,其试验结果显示试验所用的 P.O42.5 水泥在各方面都满足规范要求可以用于后续试验研究。
(2)  通过对石料的压碎值、软石含量、表观相对密度、吸水率进行检测,其结果显示石料压碎值及软石含量满足路用石料的性能要求,所用石料可用于后续试验研究。
(3)  通过对钢渣的压碎值及软石含量、表观相对密度,吸水率进行检测,其结果显示钢渣的压碎值及软石含量都满足路用石料的性能要求,对比钢渣与石料的检测性能结果发现:钢渣的密度及吸水率与石料相比要稍大一些;与石料相比钢渣的压碎值要稍小一些,说明钢渣的抗压性能优于碎石。
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第 3 章  水泥稳定钢渣碎石混合料配合比设计···························· 15
3.1  水泥稳定碎石基层性能影响因素分析 ·························· 15
3.2  混合料配合比设计 ································· 16
3.3  击实试验 ···································· 17
第 4 章  水泥稳定钢渣碎石混合料力学性能研究 ···························· 28
4.1  无侧限抗压强度试验 ··························· 28
4.1.1  强度形成机理 ································ 28
4.1.2  试验结果与分析 ··························· 29
第 5 章  水泥稳定钢渣碎石混合料收缩性能研究 ························ 39
5.1  干缩性能 ······························· 39
5.1.1  干缩机理 ······························ 39
5.1.2  试验方法 ··························· 40
第 5 章  水泥稳定钢渣碎石混合料收缩机理研究
5.1  干缩性能
5.1.1  干缩机理
半刚性基层铺筑后随着时间的推移,基层中所含水分不断减少基层逐渐发生收缩[53-54],半刚性基层具有较高强度能够承担较重车辆荷载,但半刚性基层的刚度较大导致其抵抗变形的能力较差,当半刚性基层的收缩达到一定程度后基层内部的应力超过材料所能承受的应力时半刚性基层将产生裂缝,最终在车辆荷载的作用下基层中的裂缝将反射到面层影响道路的使用,所以基层材料的干缩性能与失水密切相关[55-56],混合料失水导致基层收缩的原因主要有以下四个作用。
(1) 毛细管张力作用
水泥稳定材料存在许多微小孔隙称之为毛细管,其管中存在水分,毛细管中存在毛细管张力,在环境作用下,混合料中的水分不断减少导致毛细管管壁内的水液面不断下降,毛细管张力逐渐变大最终导致材料发生收缩[57],但随着水分减少速率的下降,毛细管张力会越来越小。
(2) 吸附水与分子间力作用
混结合料中毛细管中的水分逐渐蒸发完后,因基层中材料的湿度比周围环境的湿度大混合料中的水分仍在慢慢蒸发,此时材料中固相表面的吸附水逐渐蒸发,吸附水位于颗粒与颗粒之间,吸附水的减少使颗粒间的距离变小,分子引力增大混合料体积减小。
(3) 层间水作用
基层中存在大量晶体或者非晶体,它们之间存在许多的层状结构,其中夹杂着许多的层间水和水化离子,当这种晶体间是范德蒙键连接时,其间的水分尤为多。当相对湿度的不断减小,毛细水与吸附水蒸发完后,混合料晶体中的水分开始不断蒸发,层间水的蒸发使晶体之间的距离缩短,从而导致混合料宏观上的收缩。
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结论与展望
结论
本文以辛集某炼钢厂新产生的游离氧化钙含量分别为 1.42%(小于规范要求值)、2.20%(小于规范要求值)、3.56%(大于规范要求值)的三种钢渣为研究对象,首先测定钢渣的物理量力学性能及其各自的膨胀率,通过设计的 16 种配合比,经过试验研究钢渣的掺入对水泥稳定钢渣碎石基层的性能影响,主要结论有:
(1)  钢渣的相对密度和吸水率比碎石大,压碎值比碎石小,游离氧化钙含量为1.42%的钢渣 1 浸水膨胀率为 1.51%,游离氧化钙含量为 2.20%的钢渣 2 浸水膨胀率为 2.06%、游离氧化钙含量为 3.56%的钢渣 3 浸水膨胀率为 2.72%,随着钢渣中游离氧化钙含量的增加,钢渣的浸水膨胀率逐渐增大。
(2) 两种级配下,粗粒径含量较少的级配 1 制成的混合料 7 天测限抗压强度较高,当水泥含量为 4%时便能够适用各等级公路。
(3)  钢渣中游离氧化钙含量越高,掺入的粗粒径钢渣越多,在相同的钢渣掺量下混合料的早期抗压强度越高,当钢渣掺量为 60%时混合料的早期抗压强度最大,混合料的 28 天抗压强度在钢渣掺量为 80%时达到最大,但钢渣 3 中游离氧化钙含量过高导致混合料 28 天抗压强度在 60%时达到最大。
(4)  混合料的间接抗拉强度随钢渣掺量及钢渣中游离氧化钙含量的增加而逐渐增大,并粗粒径的钢渣掺入对抗拉强度提升效果稍好。
(5)  对于抗压回弹模量试验,混合料回弹模量随钢渣掺入比例的增加先增大后减小,粗粒径钢渣掺入更有利于提升混合料的回弹模量,掺有游离氧化钙含量 1.42%的钢渣 1 和游离氧化钙含量 2.20%的钢渣 2 混合料回弹模量在钢渣掺入量为 80%时达到最大,掺有游离氧化钙含量 3.56%的钢渣 3 混合料在钢渣掺量为 60%时达到最大。
参考文献(略)


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