摻鋼渣碎石封層的配合比設(shè)計(jì)與路用性能

鄧玉訓(xùn)，張韜宇，琚貴安，高 萍，郭云開(kāi)，蔡潯泉，姚佳良

（1.九江市公路管理局，江西 九江 332500；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

0 引 言

目前，已有將鋼渣用于瀝青混合料中的大研究，但將鋼渣用于碎石封層的研究相對(duì)較少。鋼渣是鋼鐵工業(yè)煉鋼過(guò)程中的副產(chǎn)物，是由造渣材料、冶煉反應(yīng)物、侵蝕脫落的爐體、補(bǔ)爐材料、金屬爐料帶入的雜質(zhì)和為調(diào)整鋼渣性質(zhì)而特意加入的造渣材料所組成的固體渣體［1］。鋼渣的產(chǎn)量為煉鋼量的10%～15%，如果不加以利用或者回收的話，不利于環(huán)境保護(hù)，同時(shí)也是對(duì)資源的浪費(fèi)。以前，中國(guó)對(duì)于鋼渣的綜合利用重視不夠，大多采用堆積的方式，這樣的處理措施不僅對(duì)環(huán)境造成了較嚴(yán)重的負(fù)面影響，也占用了大量的土地空間。王雅婷［2］對(duì)SMA-10和SAC-10鋼渣瀝青混合料進(jìn)行了高溫穩(wěn)定性檢驗(yàn)，獲得了鋼渣的最佳摻量，又由鋼渣瀝青混合料的低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及抗滑性試驗(yàn)結(jié)果，判斷鋼渣集料可以用于瀝青超薄抗滑磨耗層。孫家瑛等［3］通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)、車(chē)轍試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣微粉的摻入能改善瀝青與集料的黏附性和瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，并能提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性和瀝青路面的抗車(chē)轍老化能力。王鑫［4］通過(guò)對(duì)不同鋼渣摻配比例下瀝青磨耗層的路用性能進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)鋼渣瀝青磨耗層的優(yōu)越性。本文主要研究摻入鋼渣的碎石封層配合比和路用性能，探索鋼渣對(duì)封層性能的影響規(guī)律，并提出建議配合比，從而為摻鋼渣碎石封層的技術(shù)推廣和工程應(yīng)用提供參考，也可為鋼鐵企業(yè)提供一種新的鋼渣再利用的途徑，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 原材料優(yōu)選

1.1 瀝青

結(jié)合文獻(xiàn)［5］和摩爾-庫(kù)倫理論可知，碎石封層抗剪能力的大小主要是由碎石與瀝青的黏結(jié)、碎石間的嵌擠作用決定的，若瀝青與集料的黏附力小，會(huì)導(dǎo)致碎石在外力作用下從碎石封層表面脫落?；谝陨戏治觯疚膮⒖紴r青路面施工技術(shù)規(guī)范的要求［6］，選用SBS改性瀝青作為膠結(jié)料。其主要性能見(jiàn)表1。

表1 SBS瀝青性能

1.2 集料

碎石在碎石封層中是主要材料，其性能在很大程度上影響碎石封層的效果。鋼渣與一般碎石存在差異，因此從物理特性、幾何特性、力學(xué)特性和與瀝青的黏附性角度，比較鋼渣與一般碎石的性能差別，從碎石技術(shù)性能層次初步分析鋼渣是否可用于碎石封層［7］。鋼渣的化學(xué)成分見(jiàn)表2，其中活性f-CaO較少，穩(wěn)定性容易控制。輝綠巖及鋼渣的性能見(jiàn)表3，由表3可知鋼渣部分性能優(yōu)于輝綠巖性能。鋼渣和輝綠巖的表面形態(tài)見(jiàn)圖1、2。

表2 鋼渣的化學(xué)成分

表3 集料性能

圖1 鋼渣表面

圖2 輝綠巖表面

1.3 集料級(jí)配

依據(jù)依托工程的情況，結(jié)合同步碎石封層的設(shè)計(jì)規(guī)范［8－9］，取2種單一粒徑的集料，均為輝綠巖，粒徑范圍分別為5～10mm、10～15mm。輝綠巖級(jí)配見(jiàn)表4，鋼渣級(jí)配見(jiàn)表5。

本文考慮初步配合比設(shè)計(jì)采用的2種級(jí)配，將鋼渣中4.75～16.0mm的部分單獨(dú)篩分出來(lái)。由于鋼渣的級(jí)配在9.5、13.2、16.0mm 這幾檔無(wú)法和10～15mm輝綠巖的級(jí)配匹配，故單獨(dú)將這幾檔篩出，按照比例合成與10～15mm的輝綠巖相近的級(jí)配。

表4 輝綠巖級(jí)配

表5 鋼渣級(jí)配

2 摻鋼渣的碎石封層配合比設(shè)計(jì)

2.1 初步配合比設(shè)計(jì)

本文在參考已有工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用碎石封層層間力學(xué)性能指標(biāo)控制其配合比，建立基于鋼渣碎石封層路用性能的優(yōu)化配合比［10－11］。

本依托工程項(xiàng)目位于G319線江西省九江市瑞昌段，根據(jù)工程實(shí)際情況，以原材料試驗(yàn)結(jié)果中輝綠巖的性能參數(shù)為基礎(chǔ)，選擇SBS改性瀝青，對(duì)比碎石為輝綠巖。確定以下4種影響因素：瀝青用量、碎石用量、鋼渣摻量、碎石粒徑。目前碎石封層相關(guān)規(guī)范和其他文獻(xiàn)配合比參數(shù)如表6所示。

表6 碎石封層參數(shù)統(tǒng)計(jì)

綜合工程經(jīng)驗(yàn)法和本依托工程項(xiàng)目要求初步確定各參數(shù)范圍。

（1）碎石粒徑確定為5～10mm和10～15mm兩種。

（2）碎石用量初步確定為6、8、10kg·m－2。

（3）碎石粒徑增大，瀝青灑布量也增大，所以對(duì)應(yīng)2種粒徑分別有2種瀝青范圍：5～10mm粒徑對(duì)應(yīng)的SBS改性瀝青灑布量為1.2、1.4、1.6kg·m－2；10～15mm粒徑對(duì)應(yīng)的SBS改性瀝青灑布量為1.4、1.6、1.8kg·m－2。

（4）因?yàn)殇撛幸欢ㄅ蛎浶裕疚母鶕?jù)膨脹率試驗(yàn)結(jié)果和依托項(xiàng)目鋼渣特點(diǎn)，初次考慮應(yīng)用于封層，減少工程風(fēng)險(xiǎn)，限制取代量不超過(guò)40%。在得到初步配合比之后，將碎石集料按等體積1∶1替換，采用摻入20%、30%、40%的鋼渣3種方案。

2.2 摻鋼渣的碎石封層層間力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)摻鋼渣的碎石封層進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，參考同步碎石封層層間黏結(jié)性能的含義，把層間抗剪和層間抗拉拔作為配合比設(shè)計(jì)的指標(biāo)［12－14］，故本文采用剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)其進(jìn)行測(cè)定評(píng)價(jià)。

（1）摻5～10mm鋼渣碎石封層的剪切力與拉拔力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。從表7可以看出，當(dāng)碎石撒布量為8kg·m－2，瀝青用量為1.4kg·m－2、鋼渣摻量為30%時(shí)，碎石封層的剪切力和拉拔力處于最佳。

表7 摻5～10mm鋼渣碎石封層的剪切力與拉拔力

（2）摻10～15mm碎石封層的剪切力與拉拔力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。從表8可以看出，當(dāng)碎石撒布量為8kg·m－2、瀝青用量為1.6kg·m－2、鋼渣摻量為30%時(shí)，碎石封層的剪切力和拉拔力處于最佳。綜合表7、8試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼渣的摻入對(duì)碎石封層的層間黏結(jié)性有一定的促進(jìn)作用，主要體現(xiàn)在：抗剪力的提升十分明顯，呈上升趨勢(shì)；在抗拉拔方面，鋼渣帶來(lái)的效果雖然沒(méi)有前者好，但也有一定的提升。

表8 摻10～15mm鋼渣碎石封層的剪切力與拉拔力

2.3 兩種粒徑封層的滲水試驗(yàn)結(jié)果

由正交矩陣計(jì)算法確定2種粒徑碎石封層的配合比，然后分別測(cè)定其滲水系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 兩種粒徑配比碎石封層的滲水系數(shù)

由表9可知，摻2種粒徑鋼渣的碎石封層優(yōu)選的配合比均滿足滲水系數(shù)要求，由于粒徑為5～10 mm的滲水系數(shù)更低，且碎石封層的防水是其重要功能，所以選取5～10mm粒徑的優(yōu)選配比作為初步配合比設(shè)計(jì)結(jié)果。

3 摻鋼渣碎石封層的路用性能

同步碎石封層的路用性能包括防水性能、抗滑性能等，由于鋼渣的加入可能產(chǎn)生穩(wěn)定性問(wèn)題，本文在路用性能方面增加了鋼渣混合料的膨脹率試驗(yàn)。通過(guò)制作試件，分別進(jìn)行滲水試驗(yàn)、構(gòu)造深度試驗(yàn)以及浸水膨脹性試驗(yàn)，探索鋼渣的加入對(duì)碎石封層路用性能的影響規(guī)律。

3.1 摻鋼渣碎石封層的防水性能

碎石封層的主要作用之一就是防止水從路面滲入基層，因此碎石封層加入鋼渣后防水性能如何，是考察鋼渣能否部分替代集料的重要標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮試驗(yàn)重復(fù)操作的難易性，本項(xiàng)目擬在室內(nèi)鋪筑摻鋼渣的碎石封層，利用路面便攜式滲水儀測(cè)定其滲水系數(shù)，從而評(píng)價(jià)鋼渣的摻入量和粒徑對(duì)碎石封層滲水性能產(chǎn)生的影響。

3.1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

（1）成型試件的碎石封層材料的組成參數(shù)見(jiàn)表10。

表10 摻鋼渣碎石封層防水性能試驗(yàn)參數(shù)

（2）試驗(yàn)步驟：用車(chē)轍板試模成型基層試件，再在其上撒布碎石封層；以同樣的方法成型試件，碎石封層的鋼渣摻量分別為0、10%、20%、30%、40%；將路面用便攜式滲水儀置于各試件上，測(cè)定對(duì)應(yīng)的滲水系數(shù)并分析。

計(jì)算時(shí)以水面從100mL下降到500mL所需的時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算公式如下。

式中：Cw為路面滲水系數(shù)（mL·min－1）；V1為第1次計(jì)時(shí)的水量（mL）；V2為第2次計(jì)時(shí)的水量（mL）；t1為第1次計(jì)時(shí)的時(shí)間（s）；t2為第二次計(jì)時(shí)的時(shí)間（s）。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果在圖上描出各點(diǎn)，然后進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二次曲線擬合程度較高，如圖3所示。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)：碎石封層采用2種粒徑時(shí)，均滿足碎石封層的滲水系數(shù)要求（小于20mL·min－1），隨著鋼渣摻量的增加，碎石封層的滲水系數(shù)下降，但是當(dāng)鋼渣摻量大于30%后，繼續(xù)增加鋼渣的摻量，滲水系數(shù)反而增大。對(duì)于5～10mm粒徑的碎石封層，鋼渣最佳摻量為24.5%；對(duì)于10～15mm粒徑的碎石封層，鋼渣最佳摻量為27.0%；且摻5～10 mm鋼渣的碎石封層的滲水系數(shù)比10～15mm更小，即5～10mm碎石封層具有更好的防水性能。

鋼渣的摻入可改善碎石封層的防水性能，其原因可能在于鋼渣與瀝青黏結(jié)料能更好地結(jié)合，所以形成的封層結(jié)構(gòu)對(duì)水的侵蝕具有更強(qiáng)的抵抗力。小粒徑的碎石封層比大粒徑的具有更好的防水性能，這可能是由于：小粒徑的碎石封層具備了更加密集的排列，使得封層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度更好；而且小粒徑的碎石封層中鋼渣與瀝青的結(jié)合面更多，加上鋼渣與瀝青結(jié)合更穩(wěn)固，粒徑為5～10mm時(shí)防水性能較優(yōu)。

圖3 鋼渣摻量及粒徑對(duì)滲水系數(shù)的影響

3.2 摻鋼渣碎石封層的抗滑性能

上封層有抗滑要求，下封層的抗滑性能好，可反映面層與下封層的層間摩擦力較大，即層間連續(xù)性較好，符合瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范的模型假設(shè)，因此本文擬開(kāi)展封層抗滑性研究。李曦［15］研究了不同構(gòu)造深度對(duì)碎石封層界面抗剪強(qiáng)度的影響，得出結(jié)論：構(gòu)造深度越大，碎石封層界面的最大抗剪強(qiáng)度也越大。構(gòu)造深度是從宏觀角度評(píng)價(jià)碎石封層的抗滑性能，本文采取測(cè)試碎石封層試件構(gòu)造深度的方法，研究鋼渣摻量及粒徑對(duì)碎石封層抗滑性能的影響。

3.2.1 試驗(yàn)方法

（1）用車(chē)轍板試模先成型基層試件，然后在其上鋪設(shè)碎石封層并進(jìn)行5次碾壓。

（2）以同樣的方法成型試件，碎石封層的鋼渣摻量分別為0、10%、20%、30%、40%。

（3）采用手工鋪砂法測(cè)定各試件的構(gòu)造深度并分析。

按式（2）計(jì)算表面構(gòu)造深度。

式中：TD為路表面構(gòu)造深度（mm）；V 為砂的體積（cm3）；D為推平后砂堆的平均直徑（mm）。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，線性擬合具有較高擬合度，擬合曲線如圖4所示。

圖4 鋼渣摻量及粒徑對(duì)構(gòu)造深度的影響

由圖4可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)碎石封層采用2種粒徑時(shí)，鋼渣的摻量與碎石封層的構(gòu)造深度成線性關(guān)系，隨著鋼渣摻量的增加，碎石封層的構(gòu)造深度不斷增大，鋼渣的加入對(duì)碎石封層的構(gòu)造深度有提升作用；5～10mm鋼渣碎石封層的構(gòu)造深度比10～15mm稍小，10～15mm的碎石封層比5～10mm具有更好的抗滑性能。

鋼渣替代碎石集料用于封層中能有效增加碎石封層的抗滑性能，這是因?yàn)殇撛陨淼亩嗫滋匦詫?dǎo)致表面粗糙，而且鋼渣的顆粒較為整齊，長(zhǎng)寬尺寸較接近，所以集料接觸面也比普通集料大。

3.3 摻鋼渣碎石封層的浸水膨脹性

3.3 .1 試驗(yàn)方法

根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）對(duì)鋼渣瀝青混合料的膨脹率進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算公式見(jiàn)式（3）。按照選定的 AC-16級(jí)配，以0、10%、20%、30%、40%比例摻入對(duì)應(yīng)粒徑的鋼渣，通過(guò)擊實(shí)成型的方法制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，分別測(cè)定它們的初始體積V1。將試件放在圖5的恒溫水箱中，在60℃±1℃浸泡72h，測(cè)定浸水后體積V2。

式中：C為鋼渣瀝青混合料的膨脹率（%）；V1為浸泡養(yǎng)生前的試件體積（cm3）；V2為浸泡養(yǎng)生后試件的體積（cm3）。

3.3 .2 試驗(yàn)結(jié)果分析

鋼渣摻量及粒徑對(duì)體積膨脹率的影響如圖6所示。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)：碎石封層在采用2種鋼渣粒徑的情況下，鋼渣的摻量與體積膨脹率成線性關(guān)系，隨著鋼渣摻量的增加，體積膨脹率不斷上升，但是均未超出規(guī)范要求（1.5%）。

圖5 試件放入恒溫水箱

通過(guò)對(duì)比圖6兩種鋼渣粒徑碎石封層的膨脹率可以發(fā)現(xiàn)，鋼渣粒徑為5～10mm的體積膨脹率比10～15mm更低，故得出：當(dāng)路面結(jié)構(gòu)所在環(huán)境中可能存在較多水分時(shí)，選用粒徑為5～10mm的鋼渣較合適。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）基于工程經(jīng)驗(yàn)法，結(jié)合依托工程，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析得到最優(yōu)方案為：摻5～10mm鋼渣碎石的撒布量為8kg·m－2，瀝青用量為1.4kg·m－2，鋼渣摻量為30%。

（2）由剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)證明，對(duì)于碎石封層脫層問(wèn)題，摻入一定量的鋼渣是有效的，鋼渣的摻入對(duì)碎石封層的抗剪切效果有較大的提升，對(duì)提高抗拉拔能力也有幫助。

（3）通過(guò)對(duì)碎石封層各路用性能的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合后，得到了近似的函數(shù)表達(dá)式，初步獲得了鋼渣摻量和粒徑對(duì)碎石封層路用性能（滲水系數(shù)、構(gòu)造深度以及浸水膨脹率）的影響規(guī)律：鋼渣的摻量與滲水系數(shù)成二次曲線關(guān)系；隨著鋼渣摻量的增加，碎石封層的構(gòu)造深度也隨之增大，且摻量與封層構(gòu)造深度成線性關(guān)系；鋼渣的加入使鋼渣瀝青混合料體積膨脹性增大，在本文的摻量下，鋼渣瀝青混合料膨脹率均符合要求。