鋼渣薄層罩面瀝青混合料試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用

蘇 凱

（上海城投研究總院，上海市 200031）

0 引 言

鋼渣作為煉鋼企業(yè)的工業(yè)廢渣，資源化利用率相對偏低。多數(shù)鋼廠將鋼渣采用露天堆放的方式存放，不僅占用了大量的土地資源，還對周邊環(huán)境造成潛在污染風(fēng)險(xiǎn)[1，2]。近年來，人們環(huán)保意識越來越強(qiáng)，如何實(shí)現(xiàn)鋼渣等工業(yè)廢渣的資源化利用已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。相關(guān)研究結(jié)果表明，在瀝青混合料中采用鋼渣替代天然石料是可行的[3-6]。目前在高等級道路瀝青路面建設(shè)與養(yǎng)護(hù)施工過程中，一般要求選用玄武巖、輝綠巖等磨光值高、與瀝青黏附性較好的堿性礦料，以確保表面層具有良好的平整度、抗剪強(qiáng)度和摩擦系數(shù)等，進(jìn)而提高行車安全與舒適性。但隨著土石資源過度開發(fā)，使得一些地區(qū)的路面建設(shè)與養(yǎng)護(hù)施工需從外地大量購買優(yōu)質(zhì)石材，大大增加了施工成本。本文結(jié)合道路建設(shè)的實(shí)際需求，研究制備以鋼渣替代傳統(tǒng)集料的薄層罩面瀝青混合料，分析其路用性能并在實(shí)體工程中得到應(yīng)用驗(yàn)證，為鋼渣在瀝青路面中資源化應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 原材料與級配設(shè)計(jì)

1.1 原材料

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40）相關(guān)規(guī)定，對鋼渣、玄武巖集料性能指標(biāo)以及鋼渣的游離氧化鈣含量和浸水膨脹率進(jìn)行測試。集料性能測試結(jié)果見表1。

表1 集料性能指標(biāo)測試結(jié)果

試驗(yàn)測試結(jié)果表明，鋼渣的各項(xiàng)指標(biāo)符合現(xiàn)行規(guī)范對路用集料的技術(shù)要求。鋼渣的壓碎值、磨耗值等指標(biāo)與玄武巖性能相近，磨光值和與瀝青黏附性指標(biāo)顯著高于玄武巖集料，表明鋼渣在瀝青路面表面層具備較好的應(yīng)用優(yōu)勢。游離氧化鈣容易導(dǎo)致鋼渣體積不穩(wěn)定[7]。試驗(yàn)用的鋼渣游離氧化鈣含量低，浸水膨脹率符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。

密級配瀝青混合料中選擇SBS（I-D）改性瀝青作結(jié)合料，開級配大空隙瀝青混合料采用高黏改性瀝青作結(jié)合料，其性能指標(biāo)均符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。

1.2 級配設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選擇SMA-10 和OGFC-5 兩類瀝青混合料進(jìn)行研究，級配范圍要求見表2。

設(shè)計(jì)符合表2 要求的礦料級配，并在SMA-10 瀝青混合料5～15 mm 粗集料中摻加了20%、40%和60%的鋼渣代替?zhèn)鹘y(tǒng)玄武巖，在OGFC-5 瀝青混合料的3～5 mm 集料全部采用鋼渣。依據(jù)馬歇爾設(shè)計(jì)方法成型瀝青混合料，在各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求下，確定瀝青混合料的最佳油石比（見表3）。

表2 混合料級配范圍要求

表3 混合料最佳油石比

2 混合料性能評價

2.1 S MA-10 薄層罩面瀝青混合料

（1）馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度

在設(shè)計(jì)級配和最佳油石比條件下成型試件，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度試驗(yàn)，確定鋼渣最佳摻量。鋼渣SMA-10 薄層罩面瀝青混合料的穩(wěn)定度測試結(jié)果見表4。

表4 混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

測試結(jié)果表明，摻用鋼渣的瀝青混合料SMA-10馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度性能指標(biāo)均較未摻加鋼渣的普通玄武巖瀝青混合料高，且遠(yuǎn)高于現(xiàn)行規(guī)范的要求。其中以鋼渣摻用量為40%的瀝青混合料穩(wěn)定度性能表現(xiàn)最佳。選擇40%為最佳鋼渣摻用量，進(jìn)行下一步性能評價。

（2）水穩(wěn)定性

在鋼渣摻量為40%、設(shè)計(jì)級配和最佳油石比條件下成型馬歇爾試件，進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 鋼渣S MA-10 水穩(wěn)定性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，摻配鋼渣40%的薄層罩面瀝青混合料SMA-10 表現(xiàn)出較高的水穩(wěn)定性，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度結(jié)果和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

（3）抗滑性能

采用鋪砂法測試鋼渣瀝青混合料SMA-10 的構(gòu)造深度，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 構(gòu)造深度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼渣薄層罩面瀝青混合料SMA-10的構(gòu)造深度滿足規(guī)范要求，表現(xiàn)出較好的抗滑性能。

（4）浸水膨脹率

將鋼渣瀝青混合料SMA-10 浸水10 d 后測試其體積變化情況，計(jì)算鋼渣瀝青混合料的體積膨脹率，結(jié)果見表7。

表7 浸水膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼渣瀝青混合料SMA-10 的浸水膨脹率較小，符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。試驗(yàn)用鋼渣游離氧化鈣含量僅為0.2%，遠(yuǎn)小于規(guī)范不大于3%的要求。另一方面，鋼渣表面的多孔結(jié)構(gòu)吸附較多瀝青，在混合料內(nèi)部形成結(jié)構(gòu)瀝青，阻止了水分浸入鋼渣內(nèi)部，進(jìn)一步減小了混合料的膨脹性。

2.2 OGFC-5 薄層罩面瀝青混合料

在設(shè)計(jì)級配及最佳瀝青用量條件下成型馬歇爾試件和車轍板試件，進(jìn)行性能指標(biāo)試驗(yàn)測試。

（1）混合料路用性能

鋼渣OGFC-5 薄層罩面瀝青混合料的路用性能測試結(jié)果見表8。

表8 鋼渣OGFC-5 路用性能指標(biāo)測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，鋼渣OGFC-5 薄層罩面瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能均符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。其中，動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂指標(biāo)遠(yuǎn)超規(guī)范要求。

（2）耐久性能

小粒徑瀝青混合料的抗變形耐久性能是施工應(yīng)用較為關(guān)注方面[8，9]。試驗(yàn)采用漢堡車轍儀對鋼渣薄層罩面OGFC-5 的耐久性能進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 鋼渣OGFC-5 與常規(guī)OGFC-5 漢堡車轍曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼渣薄層罩面OGFC-5 車轍發(fā)展明顯緩于傳統(tǒng)OGFC-5 瀝青混合料。鋼渣OGFC-5混合料的剝落點(diǎn)SIP 是傳統(tǒng)OGFC-5 混合料剝落點(diǎn)的1.35 倍，說明鋼渣OGFC-5 的抗水損害能力和抗高溫剝落性能更強(qiáng)。圖1 中剝落點(diǎn)SIP 之后的剝落段，鋼渣OGFC-5 產(chǎn)生1 mm 車轍需要429 Cycles輪載作用，而常規(guī)OGFC-5 僅需要191 Cycles。說明鋼渣OGFC-5 發(fā)生水損害后仍表現(xiàn)出較好的抗破壞能力。

3 工程應(yīng)用

結(jié)合工程設(shè)計(jì)和鋼渣材料實(shí)際情況，選擇某市政道路進(jìn)行SMA-10 薄層罩面施工應(yīng)用研究。該工程薄層罩面鋪筑厚度為20 mm，施工面積近5 000 m2。

路面結(jié)構(gòu)下面層采用AC-25C 瀝青混凝土，上面層采用SMA-10 鋼渣薄層罩面。混合料中鋼渣摻量為40%，如圖2 所示。

圖2 鋼渣薄層罩面S MA-10 工程應(yīng)用

施工路面表面應(yīng)平整、均勻，無明顯劃痕和輪跡，無松散和花白料；接縫緊密平整、順直，整體施工效果良好。SMA-10 薄層罩面施工完成1 年后跟蹤觀測結(jié)果表明，薄層路面應(yīng)用效果良好，路面保持堅(jiān)實(shí)平整，無明顯病害。

4 結(jié) 論

（1）鋼渣的路用性能指標(biāo)與優(yōu)質(zhì)玄武巖接近，符合現(xiàn)行規(guī)范對路用集料的性能要求。鋼渣的磨光值和黏附性能優(yōu)異，在瀝青路面表面層具備較好應(yīng)用前景。

（2）鋼渣摻用量為40%的鋼渣薄層罩面SMA-10的高低溫性能、水穩(wěn)定性能和路面抗滑性能表現(xiàn)優(yōu)異，同時具備較低的浸水膨脹率。

（3）采用鋼渣為粗集料的OGFC-5 瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，且抗變形和耐水損性能表現(xiàn)優(yōu)異。

（4）鋼渣薄層罩面SMA-10 的實(shí)體工程施工應(yīng)用順利，路面質(zhì)量和應(yīng)用效果良好。鋼渣薄層罩面在瀝青路面建設(shè)與養(yǎng)護(hù)工程中具備較好的應(yīng)用前景。