鋼渣瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及其路用性能研究

田騰輝，王德生

（濰坊市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東濰坊261061）

1 引言

鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的廢棄物，產(chǎn)出比例約為粗鋼的15%～20%。大量廢棄鋼渣不僅占用土地資源，還會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，如何對鋼渣進(jìn)行有效利用，成為技術(shù)人員研究的一個(gè)關(guān)鍵課題。鋼渣本身質(zhì)地堅(jiān)硬，顆粒級配形狀良好，能與瀝青很好地黏附在一起，避免了鋼渣本身的膨脹問題，可以將其作為粗集料代替碎石摻入瀝青混合料中，有利于瀝青混合料路用性能的提高。

2 鋼渣瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 級配設(shè)計(jì)

以連續(xù)密實(shí)式AC-13 型細(xì)粒式瀝青混合料為例，在鋼渣瀝青混合料中，粗集料和細(xì)集料全部選擇鋼渣；在石灰石瀝青混合料中，粗集料和細(xì)集料全部選擇石灰石；在粗石細(xì)鋼與粗鋼細(xì)石瀝青混合料中，粗集料和細(xì)集料分別選擇鋼渣和石灰石。對其進(jìn)行對比分析。參照《瀝青混合料設(shè)計(jì)手冊》[1]的相關(guān)要求，借助Excel 電子表格對集料篩分的結(jié)果進(jìn)行記錄，將合成級配通過率與對應(yīng)工程設(shè)計(jì)級配范圍中值差的平方和的最小值作為約束條件，反復(fù)調(diào)試級配，得到4 種級配：

1）鋼渣瀝青混合料：5～15 mm 的鋼渣配比為48.3%，3～5 mm的鋼渣配比為12.5%，0～3 mm 鋼渣配比為34.2%，礦粉配比5.0%。

2）石灰石瀝青混合料：5～15 mm 的石灰石配比為50.0%，0～5 mm 的石灰石配比為45.5%，礦粉配比4.5%。

3）粗石細(xì)鋼瀝青混合料：5～15 mm 的石灰石配比為52.0%，3～5 mm 的鋼渣配比為9.0%，0～3 mm 的鋼渣配比為35.0%，礦粉配比4.0%。

4）粗鋼細(xì)石瀝青混合料：5～15 mm 的鋼渣配比為50.0%，0～5 mm 的石灰石配比為45.0%，礦粉配比5.0%。

通過上述數(shù)據(jù)分析看出，雖然級配方案不同，但4 種瀝青混合料的級配曲線存在較大的相似性，通過這樣的設(shè)計(jì)，能減小不同集料、不同級配對瀝青混合料路用性能的影響。

2.2 油石比設(shè)計(jì)

依照上文提到的數(shù)據(jù)，對各種集料的用量進(jìn)行計(jì)算和準(zhǔn)確稱量，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，測算出瀝青用量，將其作為中值，依照0.3%～0.5%的間隔變化進(jìn)行分級，進(jìn)行瀝青混合料的拌制。通過估算得到的油石比中值為5.0%，確定間隔變化為0.4%，在每個(gè)級配中，分別在4.2%～5.8%范圍內(nèi)取5 個(gè)值作為油石比進(jìn)行試驗(yàn)和計(jì)算。對礦質(zhì)混合料的合成表觀密度、合成毛體積密度、吸水率、合成有效相對密度等進(jìn)行計(jì)算，并以此推導(dǎo)出理論層面的混合料最大密度，確定理想空隙率為4%，就馬歇爾試件的質(zhì)量進(jìn)行初步估計(jì)。嚴(yán)格依照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的步驟對馬歇爾試件進(jìn)行制備。脫模后測量試件高度，如果沒有超過（63.5±1.3）mm范圍，則視為合格，可以進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。結(jié)合瀝青用量與空隙率、毛體積密度、馬歇爾穩(wěn)定度等相關(guān)指標(biāo)的關(guān)系曲線分析，得到全鋼渣瀝青混合料、石灰石瀝青混合料、粗石細(xì)鋼瀝青混合料以及粗鋼細(xì)石瀝青混合料的油石比依次為5.2%、4.3%、5.5%和4.6%。如果瀝青的用量過多，不僅會(huì)導(dǎo)致泛油問題，影響混合料的高溫穩(wěn)定性，還會(huì)導(dǎo)致成本的增加[2]。

3 鋼渣瀝青混合料路用性能研究

鋼渣瀝青混合料的路用性能主要體現(xiàn)在4 個(gè)方面。

3.1 膨脹特性

鋼渣中含有約5%～10%的游離氧化鈣，其在發(fā)生水解時(shí)，體積會(huì)增大至原來的2 倍到3 倍，引發(fā)鋼渣粉化膨脹的問題，在膨脹率過大的情況下，路面的穩(wěn)定性會(huì)受到影響。結(jié)合相關(guān)規(guī)范中提到的體積測試方法制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，準(zhǔn)確測量試件的尺寸，對其初始體積進(jìn)行計(jì)算，然后將試件整個(gè)放入恒溫水箱，溫度保持在60 ℃，72 h 后取出，再次測量直徑和高度，對膨脹率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 瀝青混合料膨脹率計(jì)算結(jié)果

從表1 可以看出，3 種混合料的膨脹率都能夠很好地滿足規(guī)范要求，表明鋼渣瀝青混凝土具有較好的膨脹特性，能夠被應(yīng)用在瀝青路面施工中。

3.2 低溫抗裂性

低溫抗裂性評價(jià)主要是借助應(yīng)變加載破壞試驗(yàn)、低溫收縮試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)等進(jìn)行。這里，以劈裂試驗(yàn)對瀝青混合料的低溫抗裂性進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果顯示，鋼渣瀝青混合料和石灰石瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)范要求（2 000 MPa），分別達(dá)到了7 742.4 MPa 和8 113.0 MPa，粗鋼細(xì)石混合料的劈裂強(qiáng)度也達(dá)到了3 484.6 MPa，三者都具備極強(qiáng)的低溫抗裂性能?？紤]到瀝青混合料的低溫勁度模量會(huì)受到瀝青低溫勁度模量、瀝青黏度以及溫度敏感性的影響，可以選擇稠度較低的瀝青進(jìn)行拌和。這樣，能夠促進(jìn)鋼渣瀝青混合料低溫抗裂性能的提高。

3.3 高溫穩(wěn)定性

對3 種混合料進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度測試，鋼渣瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為2 292 次/mm，石灰石瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為1 616 次/mm，粗鋼細(xì)石瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為1 918 次/mm，如圖1 所示。

圖1 3 種混合料動(dòng)穩(wěn)定度測試結(jié)果

3 種混合料都能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中不小于1 000 次/mm 的要求。比較而言，鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性最好。其原因是：（1）鋼渣集料的顆粒形狀均勻，經(jīng)過振搗碾壓后，顆粒之間可以形成緊密的嵌鎖作用，有助于抗剪性能的提升；（2）鋼渣表面的紋理粗糙，能有效吸附瀝青，抵抗車轍變形[3]。

3.4 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性的測試需要從2 個(gè)方面著手：（1）浸水馬歇爾試驗(yàn)?？梢酝ㄟ^對試件浸水前后的穩(wěn)定度進(jìn)行對比，獲取相應(yīng)的水穩(wěn)指標(biāo)[4]。試驗(yàn)結(jié)果顯示，3 種混合料浸水后的穩(wěn)定度全能滿足規(guī)范要求，鋼渣瀝青混合料穩(wěn)定度最大，在路面使用中有良好的抗水損害能力，使路面具備更強(qiáng)的耐久性和更長的使用壽命。（2）凍融劈裂試驗(yàn)。3 種混合料的凍融劈裂強(qiáng)度都達(dá)到了相關(guān)規(guī)范中不低于限值標(biāo)準(zhǔn)75%。其中，鋼渣瀝青混合料最大，達(dá)到了限值標(biāo)準(zhǔn)的92.5%；粗鋼細(xì)石瀝青混合料與其極其接近，達(dá)到了限值標(biāo)準(zhǔn)的92.4%；石灰石混合料最低，僅達(dá)到了限值標(biāo)準(zhǔn)的83.1%。在經(jīng)過相應(yīng)的凍融循環(huán)后，單一試件所能承受的最大荷載會(huì)有所降低，因?yàn)閮鋈谘h(huán)會(huì)破壞混凝土的水穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

鋼渣瀝青混合料在高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性方面都要優(yōu)于石灰石瀝青混合料，鋼渣本身具備優(yōu)越的物理性能和力學(xué)性能，能夠滿足高等級公路對集料的各種要求，壓碎值、磨耗值、密度等指標(biāo)要優(yōu)于傳統(tǒng)集料，將其用于瀝青混凝土中的集料，可具備良好的路用性能。

但是，如果集料全部使用鋼渣，容易出現(xiàn)多空隙、膨脹的問題，導(dǎo)致瀝青消耗量增大，因此，在工程應(yīng)用中，可將鋼渣作為粗集料，配合石灰石細(xì)集料進(jìn)行瀝青混凝土的制備。