骨架密实型水泥稳定碎石-钢渣混合料收缩补偿机理与性能研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1016

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (5): 1823-1837.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1016

骨架密实型水泥稳定碎石-钢渣混合料收缩补偿机理与性能研究

李有¹(), 王雪琪², 赵玉霞³, 郑木莲²(), 黄洁³, 卢川²^,⁴, 李宜锋⁵

^1.日照公路养护有限公司，日照 276826
^2.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064
^3.日照市公路事业发展中心，日照 276826
^4.齐鲁理工学院土木工程学院，济南 250200
^5.日照市东港区公路事业发展中心，日照 276826

收稿日期:2025-10-20 修订日期:2025-11-27 出版日期:2026-05-15 发布日期:2026-06-10
通信作者: 郑木莲，博士，教授。E-mail：zhengml@chd.edu.cn
作者简介:李有（1979—），男，高级工程师。主要从事高速公路、国省道公路建设管理工作。E-mail：ly328717@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(52378430);山东省日照市交通科技项目(211921250077)

Shrinkage Compensation Mechanism and Properties of Dense-Skeleton Cement-Stabilized Crushed Stone-Steel Slag Mixture

LI You¹(), WANG Xueqi², ZHAO Yuxia³, ZHENG Mulian²(), HUANG Jie³, LU Chuan²^,⁴, LI Yifeng⁵

^1.Rizhao Highway Maintenance Co.，Ltd.，Rizhao 276826，China
^2.Ministry of Education Key Laboratory of Highway Engineering in Special Areas of Chang’an University，Xi’an 710064，China
^3.Rizhao Highway Development Center，Rizhao 276826，China
^4.School of Civil Engineering，Qilu Institute of Technology，Jinan 250200，China
^5.Rizhao Donggang Highway Development Center，Rizhao 276826，China

Received:2025-10-20 Revised:2025-11-27 Published:2026-05-15 Online:2026-06-10

摘要/Abstract

摘要：

为揭示水泥稳定碎石-钢渣的收缩补偿机理，本文基于钢渣膨胀特性并结合XRD和SEM技术，研究不同钢渣掺量与水泥剂量的骨架密实型水泥稳定碎石-钢渣的无侧限抗压强度、抗压回弹模量、劈裂抗拉强度、弯拉强度，评估其干缩应变、温缩系数及总收缩率，并评价其抗冻性能、抗冲刷性能和抗疲劳性能。结果表明，增加钢渣掺量能提升材料的力学性能。当钢渣掺量为20%和40%（体积分数）时，干缩应变降低8.9%和16.7%，温缩系数增加2.6%和6.4%，但总收缩率分别降低了19.2%和26.6%。钢渣中游离氧化钙水化是导致钢渣体积膨胀和钢渣对水泥稳定碎石收缩补偿的主要原因。水泥稳定碎石材料的耐久性能因钢渣掺入而提升，当钢渣掺量为20%和40%时，经受6次冻融循环后的残余强度比提升2.0%和3.8%，经受300次洗刷后的质量损失率降低22.2%和38.2%，在0.80应力水平下的疲劳寿命提高88.32%和230.00%。此外，水泥剂量对水泥稳定碎石-钢渣的路用性能有重要影响，增加水泥剂量可以显著提高其力学性能和耐久性能，但对收缩抗裂性能不利。

关键词: 钢渣, 水泥稳定碎石-钢渣, 收缩补偿, 力学性能, 耐久性, 机理分析

Abstract:

To elucidate the shrinkage compensation mechanism of cement-stabilized crushed stone-steel slag， this study investigated the unconfined compressive strength， compressive resilience modulus， tensile splitting strength， and bending strength of dense-skeleton cement-stabilized crushed stone-steel slag with varying steel slag and cement content. Based on the expansion characteristics of steel slag and utilizing XRD and SEM techniques， the dry shrinkage strain， thermal shrinkage coefficient， and total shrinkage rate were evaluated. Additionally， the frost resistance， erosion resistance， and fatigue resistance of the mixtures were assessed. The results indicate that as the steel slag content increases， the mechanical properties of the cement-stabilized crushed stone-steel slag material increase. And the dry shrinkage strain of the materials with 20% and 40% （volume fraction） steel slag content decreases by 8.9% and 16.7%， respectively， but the temperature shrinkage coefficient increases by 2.6% and 6.4%. Nevertheless， steel slag incorporation generally contributes to reducing the total shrinkage rate of the material by 19.2% and 26.6%， respectively. The hydration of free calcium oxide in steel slag is the primary cause of volume expansion and its ability to compensate for the shrinkage of cement-stabilized crushed stone materials. The durability of the materials is enhanced by the incorporation of steel slag， with residual strengths after 6 freeze-thaw cycles increasing by 2.0% and 3.8% at 20% and 40% slag content， respectively， mass loss rates after 300 cycles of erosion decreasing by 22.2% and 38.2%， respectively， while fatigue life at a stress level of 0.80 improving by 88.32% and 230.00%， respectively. Furthermore， cement content significantly impacts the road performance characteristics of cement-stabilized crushed stone-steel slag materials. Increasing cement content markedly enhances the mechanical properties and durability of the material but adversely affects its shrinkage crack resistance.

Key words: steel slag, cement-stabilized crushed stone-steel slag, shrinkage compensation, mechanical property, durability, mechanism analysis

中图分类号:

U414

李有, 王雪琪, 赵玉霞, 郑木莲, 黄洁, 卢川, 李宜锋. 骨架密实型水泥稳定碎石-钢渣混合料收缩补偿机理与性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(5): 1823-1837.

LI You, WANG Xueqi, ZHAO Yuxia, ZHENG Mulian, HUANG Jie, LU Chuan, LI Yifeng. Shrinkage Compensation Mechanism and Properties of Dense-Skeleton Cement-Stabilized Crushed Stone-Steel Slag Mixture[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(5): 1823-1837.

图/表 18

表1 水泥性能指标检测结果

Table 1 Cement performance index test results

Test item		Standard value	Actual measured value	Test method
Sieve residue/%		≤5.0	2.3	GB 175—2023，GB/T 1345—2005
Stability/mm		≤5.0	1.5	GB 175—2023，GB/T 1346—2024
Setting time/min	Initial setting	≥45	246	GB 175—2023，GB/T 1346—2024
Setting time/min	Final setting	≤390	458	GB 175—2023，GB/T 1346—2024
Compressive strength/MPa	3 d	≥17.0	24.8	GB 175—2023，GB/T 17671—2021
Compressive strength/MPa	28 d	≥42.5	47.5	GB 175—2023，GB/T 17671—2021
Flexural strength/MPa	3 d	≥4.0	4.9	GB 175—2023，GB/T 17671—2021
Flexural strength/MPa	28 d	≥6.5	7.7	GB 175—2023，GB/T 17671—2021

表2 集料性能指标检测结果

Table 2 Aggregate performance index test results

Test item		Limestone	Steel slag	Standard value	Test method
4.75~16.00 mm	Apparent relative density/（g·cm^-3）	2.725	3.248	≥2.500	JTG 3432—2024 T 0308—2005
4.75~16.00 mm	Water absorption rate/%	0.71	1.30	≤2.00	JTG 3432—2024 T 0307—2005
2.36~<4.75 mm	Apparent relative density/（g·cm^-3）	2.733	3.281	≥2.500	JTG 3432—2024 T 0308—2005
2.36~<4.75 mm	Water absorption rate/%	0.94	1.70	≤2.00	JTG 3432—2024 T 0307—2005
Crushing value/%		19.3	13.2	≤22.0	JTG 3432—2024 T 0316—2024
Los Angeles abrasion value/%		15.2	17.4	≤28.0	JTG 3432—2024 T 0317—2005
Needle and flake particle content/%		12.1	2.1	≤18.0	JTG 3432—2024 T 0312—2005
Soil content/%		1.9	2.4	≤1.2	JTG 3432—2024 T 0310—2005
Water-soaked swelling ratio/%		—	0.65	≤2.00	JTG 3432—2024 T 0348—2024

表3 钢渣与水泥的主要化学成分

Table 3 Main chemical composition of steel slag and cement

Material	Mass fraction/%
Material	CaO	Fe₂O₃	Al₂O₃	MgO	SiO₂	Na₂O	K₂O	SO₃	V₂O₅	MnO	Other
Steel slag	38.83	16.96	7.63	4.05	19.95	0.31	0.26	1.04	3.53	4.17	3.27
Cement	61.15	4.01	5.57	1.08	20.59	0.23	0.76	2.74	—	—	3.87

图1 研究方法与基本框架

Fig.1 Research methods and basic framework

图2 不同钢渣掺量下的混合料级配曲线

Fig.2 Gradation curves of mixture at different steel slag content

表4 各配合比的最佳含水率和最大干密度

Table 4 Optimal moisture content and maximum dry density for each mix proportion

Cement content/%	Steel slag content/%	Optimal moisture content/%	Maximum dry density/（g·cm^-3）
4	0	4.5	2.426
4	20	4.8	2.461
4	40	5.0	2.508
5	0	4.5	2.452
5	20	4.9	2.476
5	40	5.1	2.533
6	0	4.8	2.475
6	20	5.2	2.496
6	40	5.5	2.548

图3 不同钢渣掺量混合料的干缩应变随暴露时间的变化

Fig.3 Dry shrinkage strain of mixtures with different steel slag content as a function of exposure time

图4 不同水泥剂量混合料的干缩应变随暴露时间的变化

Fig.4 Dry shrinkage strain of mixtures with different cement content as a function of exposure time

图5 不同配合比混合料随温度变化的温缩应变

Fig.5 Thermal shrinkage strain of mixtures with different mix proportion as a function of temperature

图6 不同钢渣掺量的混合料总收缩率

Fig.6 Total shrinkage rate of mixtures with different steel slag content

图7 不同水化龄期下钢渣的XRD谱

Fig.7 XRD patterns of steel slag at different hydration ages

图8 各试件水化28 d时的XRD谱

Fig.8 XRD patterns of each specimen after hydration for 28 d

图9 不同水化龄期下材料水化产物的SEM照片

Fig.9 SEM images of hydration products from materials at different hydration ages

图10 不同配合比混合料的力学性能

Fig.10 Mechanical properties of mixtures with different mix proportion

图11 不同钢渣掺量混合料的力学性能随龄期变化情况

Fig.11 Mechanical properties of mixtures with different steel slag content changing with age

图12 不同配合比混合料的抗冻试验结果

Fig.12 Frost resistance test results of mixtures with different mix proportion

图13 不同配合比混合料的冲刷试验结果

Fig.13 Erosion resistance test results for mixtures with different mix proportion

图14 不同配合比混合料的疲劳试验结果

Fig.14 Fatigue resistance test results for mixtures with different mix proportion

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骨架密实型水泥稳定碎石-钢渣混合料收缩补偿机理与性能研究

Shrinkage Compensation Mechanism and Properties of Dense-Skeleton Cement-Stabilized Crushed Stone-Steel Slag Mixture

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