鋼渣SMA—13型瀝青混合料配合比設計及路用性能研究

楊永利　武建民　張建強

0 引言

鋼渣作為煉鋼生產的固體廢渣，大部分被無組織地堆棄，造成土地占用、環境污染和資源浪費。目前，全國鋼渣累積堆存近10億t，如何對鋼渣進行有效的循環利用是亟待解決的問題。鋼渣的棱角性和耐磨性較好，與瀝青有良好的粘附性，用于道路工程領域可以有效降低道路成本，節約天然石料，保護生態環境[1]。

謝君等[2]結合武鋼與武漢理工大學鋪設的3條鋼渣瀝青路面的長期檢測結果，驗證了鋼渣瀝青混合料在道路面層的應用效果。在10年的重載交通使用過程中，3條鋼渣瀝青路面均表現出優異的路用性能，其抗滑性能以及耐久性能等指標均優于普通瀝青路面。

李旺等[3]結合北京市的道路實體工程，對2條鋼渣瀝青混合料試驗路進行了連續3年的觀測和檢測，從檢測結果來看：在使用初期，鋼渣瀝青混合料的摩擦系數與對比路段（石灰巖瀝青混合料）基本相當，但在長期使用過程中，其摩擦系數衰減程度明顯小于對比路段，表明鋼渣瀝青混合料具備良好的抗滑耐久性。

目前鋼渣應用主要存在的問題是：鋼渣集料獨特的多微孔結構及較大的比重會導致其不能完全按照普通瀝青混合料的方法來設計。因此，本文以鋼渣為粗集料對SMA-13型瀝青混合料進行配合比設計，并對混合料的路用性能進行研究，以期為鋼渣用于瀝青混凝土抗滑面層提供參考。

1 原材料檢驗

1.1 鋼渣

鋼渣選自陜西龍門鋼鐵公司鋼渣處理生產線排放的轉爐鋼渣尾渣，經篩分、遴選得到鋼渣骨料，屬于中堿性渣。對鋼渣的基本物理力學性能進行分析，結果見表1。鋼渣浸水膨脹率均值為1.57%，滿足“筑路用鋼渣浸水膨脹率應小于2.0%”的要求，故可將鋼渣應用于瀝青混合料。

1.2 集料

試驗中使用的集料取自陜西西臨高速改擴建工地，粗集料為玄武巖，細集料為石灰巖。根據《公路工程集料試驗規程》（JTJ E42—2005）對各粒徑碎石進行試驗，集料的各項性能指標均符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTE F40—2004）的要求。

1.3 填料、結合料及纖維穩定劑

填料采用礦粉由石灰巖中的強基性巖石等憎水性石料磨細而成。采用韓國SK AH-90基質瀝青制作SBS改性瀝青。纖維穩定劑采用木質素纖維，在SMA-13型鋼渣瀝青混合料中的摻量為0.3%。

2 鋼渣瀝青混合料配合比設計

2.1 級配設計合理性研究

熱拌瀝青混合料材料的級配都是按照體積配合的，當集料之間比重相差不大時，以質量比計算較為簡便且實用；而當集料之間比重相差較大時，以體積比計算較為合理。瀝青混合料由多檔不同比重集料組成，若以質量比求瀝青混合料平均比重，則有

若以體積比求瀝青混合料平均比重，則有

式中：Ga為平均比重；Gi為各檔集料的比重；Pwi為各檔集料的質量百分比；Pvi為各檔集料的體積百分比。

鋼渣中含有大量的金屬氧化物，如Fe2O3、MnO、MgO等，比重大約為3.2～3.6，而一般為鋪面工程的石灰石等天然集料的比重約2.7。由于鋼渣與天然集料兩者之間比重差異大于0.20，故在鋼渣瀝青混合料級配設計時須以體積法進行修正，以調整各類集料的組合比例，修正方式如下。

（1）先假設鋼渣、玄武巖和機制砂的比重相差不大。按照質量配合比設計成合成級配時，鋼渣、玄武巖和機制砂的質量百分比即為體積百分比。

（2）再考慮鋼渣、玄武巖和機制砂的實際比重，由于鋼渣與天然集料兩者之間比重差異大于0.20，集料級配應當以體積為基礎進行比重修正。保證3種集料的體積百分比Pvi不變，式（2）代入式（6）求解鋼渣、玄武巖和機制砂實際質量比Pwi。

鋼渣瀝青混合料配合比設計以體積為基礎進行比重修正的范例見表2。

2.2 級配設計

本文參照已有的研究成果[4-5]，粗集料選用鋼渣、玄武巖，細集料和礦粉選石灰巖，取規范要求的SMA-13級配范圍中值進行級配設計。采用鋼渣替代粗集料（玄武巖），替代比例分別為粗集料（玄武巖）體積的0、20%、40%、60%、80%、100%。采用上述比重修正方式，先按質量來設計級配（表3），再以各檔集料的毛體積密度（表4）進行比重修正，調整各檔集料的組合比例，結果見表5。

2.3 體積參數研究

理論最大相對密度是瀝青混合料配合比設計和施工質量控制的關鍵性指標，瀝青混合料的體積參數和現場壓實度指標均是以此為基礎計算所得。鋼渣集料含有大量的微孔結構，對瀝青的吸附并非瞬時完成，而是隨時間而發生變化，這也將導致理論最大相對密度及相應的體積參數發生改變，進而影響到瀝青混合料的耐久性能。本文各級粒徑集料的有效相對密度由瀝青浸漬法直接測量得到，見表6，然后計算任意配比礦料混合料的合成有效相對密度，進而計算出鋼渣瀝青混合料的理論最大相對密度。

由表6可知，各級粒徑集料的有效相對密度均介于毛體積相對密度和表觀相對密度之間，即γb<γe<γa。因此采用瀝青浸漬法測定的各礦料有效相對密度可以用來計算鋼渣瀝青混合料體積參數。

2.4 最佳油石比及體積參數

按照表5鋼渣瀝青混合料SMA-13型級配設計結果，選擇馬歇爾擊實法進行配合比設計，馬歇爾擊實次數為75次。不同鋼渣體積摻量下瀝青混合料的最佳油石比及體積參數見表7。由表7可以得出以下內容。

（1）不同鋼渣體積摻量下瀝青混合料的體積參數均滿足規范技術要求。

（2）隨著鋼渣體積摻量的增加，鋼渣瀝青混合料的最佳瀝青用量隨之增加。這是因為鋼渣表面有大量的微孔結構，吸附的瀝青量增加。

（3）隨著鋼渣體積摻量的增加，混合料空隙率和礦料間隙率隨之增加。何昌軒等[6]研究表明：針對SMA級配，棱角豐富的碎石顆粒構成的混合料具有較大的空隙率和礦料間隙率。鋼渣顆粒較玄武巖顆粒棱角豐富、表面粗糙，符合這一規律。

（4）隨著鋼渣體積摻量的增加，粗集料搗實間隙率VCADRC隨之增加。馬林等[7]研究表明：粗集料顆粒形狀越接近于立方體，其搗實間隙率VCADRC越大，形成的骨架具有良好的嵌擠結構。

3 鋼渣瀝青混合料路用性能研究

鋼渣瀝青混合料鋪筑的抗滑面層直接承受自然環境因素和交通荷載的影響，應具備良好的路用性能。因此對鋼渣瀝青混合料以下路用性能進行評價

3.1 高溫穩定性

將不同鋼渣體積摻量下的SMA-13瀝青混合料按照最佳油石比成型車轍板，進行車轍試驗，采用動穩定度評價鋼渣瀝青混合料的高溫穩定性能，試驗結果見表8。

從表8得出，隨著鋼渣體積摻量的增加，SMA-13混合料動穩定度先增大后減小，體積摻量為20%時動穩定度達到最高。不同鋼渣體積摻量下，SMA-13混合料動穩定度均滿足規范技術要求。鋼渣體積摻量為20%、40%、60%和80%的SMA-13混合料的動穩定度較普通SMA-13混合料分別提高了53.4%、39.1%、20.3%和7.6%。鋼渣體積摻量為100%的SMA-13混合料和普通SMA-13混合料的動穩定度相當。

就以車轍試驗來評價鋼渣瀝青混合料的高溫穩定性而言，鋼渣體積摻量為20%、40%、60%和80%時，瀝青混合料的高溫穩定性均好于普通瀝青混合料，鋼渣體積摻量為20%時最佳。

3.2 低溫抗裂性

以低溫彎曲應變作為鋼渣瀝青混合料的低溫抗裂性能的評價指標，試驗結果見表9。

從表9得出，隨著鋼渣體積摻量的增加，SMA-13混合料破壞應變逐漸減小。不同鋼渣體積摻量下SMA-13混合料破壞應變均大于2 800 με，滿足規范要求。鋼渣體積摻量為20%、40%、60%、80%和100%的SMA-13混合料的破壞應變較普通SMA-13混合料分別降低了8.3%、14.9%、15.7%、17.3%和18.4%。隨著鋼渣體積摻量的增加，鋼渣瀝青混合料低溫抗裂性能逐漸降低，這主要是因為鋼渣表面的多孔特性，并且存在軟弱顆粒、粉塵與雜質，是影響鋼渣整體強度的薄弱點，也是影響鋼渣瀝青混合料低溫抗裂性能的主要因素。

3.3 水穩定性

對鋼渣瀝青混合料水穩定性的研究分為2個方面：一是通過水煮法來評價瀝青與礦料的粘附性；二是通過浸水馬歇爾試驗的殘留穩定度、凍融劈裂試驗的劈裂強度比和浸水飛散試驗的飛散損失指標來評價瀝青混合料的水穩定性。

3.3.1 集料與瀝青的粘附性試驗

采用水煮法對鋼渣與瀝青的粘附性進行等級評價。鋼渣、玄武巖與瀝青的粘附性試驗結果見表10。

通過表10可知，鋼渣集料表面多微孔結構，瀝青吸附量增加，且龍鋼鋼渣呈堿性，與瀝青的粘附性良好。

3.3.2 鋼渣瀝青混合料的水穩定性試驗

對不同鋼渣體積摻量下SMA-13混合料進行浸水馬歇爾試驗，試驗結果見表11。

由表11得出，隨著鋼渣體積摻量的增加，SMA-13混合料殘留穩定度先增大后減小，體積摻量為40%時達到最高。不同鋼渣體積摻量下，SMA-13混合料殘留穩定度均滿足規范的技術要求。鋼渣體積摻量為20%、40%、60%的SMA-13混合料的殘留穩定度較普通SMA-13混合料分別提高了0.8%、2.0%、1.1%。主要原因是鋼渣集料呈堿性，鋼渣表面含有大量的微孔結構和金屬陽離子，對瀝青發生選擇性擴散吸附和化學反應，在一定程度上增強了鋼渣與瀝青的粘結力。當鋼渣體積摻量增加至80%和100%時，鋼渣中f-CaO和f-MgO遇水后發生體積膨脹，降低了鋼渣與瀝青的粘附性能，使SMA-13混合料的殘留穩定度也隨之降低。

以浸水馬歇爾試驗結果評價鋼渣瀝青混合料的水穩定性：當鋼渣體積摻量為20%、40%和60%時，瀝青混合料的水穩定性均好于普通瀝青混合料，鋼渣體積摻量為40%時最佳。

對不同鋼渣體積摻量下SMA-13混合料進行凍融劈裂試驗。試驗結果見表12。

由表12得出，隨著鋼渣體積摻量的增加，SMA-13混合料的凍融劈裂強度比先增大后減小，體積摻量為20%時達到最高。不同鋼渣體積摻量下SMA-13混合料凍融劈裂強度比均滿足規范的技術要求。鋼渣體積摻量為20%、40%的SMA-13混合料的凍融劈裂強度比較普通SMA-13混合料分別提高了3.5%、2.0%。但鋼渣體積摻量在60%、80%和100%的SMA-13混合料殘留穩定度低于普通SMA-13混合料。主要原因是：凍融循環的試驗條件比浸水馬歇爾試驗條件更苛刻，既要使試件保持飽水狀態，又要經受凍融循環；鋼渣表面特性雖在一定程度上增加了與瀝青的粘附性，但在飽水和凍融循環狀態下，鋼渣中f-CaO和f-MgO遇水膨脹以及鋼渣表面存在的雜質、軟弱顆粒都將影響凍融劈裂強度比。

以凍融劈裂試驗結果評價鋼渣瀝青混合料的水穩定性：鋼渣體積摻量為20%、40%時，瀝青混合料的水穩定性均好于普通瀝青混合料，鋼渣體積摻量為20%時最佳。

3.3.3 浸水飛散試驗

浸水飛散試驗通過瀝青混合料試件在60 ℃浸水48 h后的飛散損失來評價瀝青混合料的水穩定性?？紤]到鋼渣遇水發生體積膨脹，會影響到鋼渣集料與瀝青的粘附性，故本文采用浸水飛散試驗來評價不同鋼渣體積摻量下瀝青混合料的水穩定性。

選擇瀝青混合料的飛散損失來評價不同鋼渣體積摻量下瀝青混合料的水穩定性，按式（7）計算。

式中：ΔS為瀝青混合料的飛散損失（%）；m0試驗前試件的質量（g）；m1試驗后試件的殘留質量（g）。

對不同鋼渣體積摻量下SMA-13混合料進行浸水飛散試驗，結果見表13。

由表13得出，隨著鋼渣體積摻量的增加，SMA-13混合料的飛散損失先減小后增大，體積摻量為40%時達到最低。不同鋼渣體積摻量下SMA-13混合料飛散損失均滿足規范的技術要求。鋼渣體積摻量為20%、40%、60%、80%和100%的SMA-13混合料飛散損失較普通SMA-13混合料分別降低了3.7%、10.7%、9.3%、6.8%和6.2%。浸水飛散試驗不同于浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗，可用來表征水對鋼渣與瀝青粘附性的影響。隨著鋼渣體積摻量的增加，鋼渣瀝青混合料的飛散損失增加，表明鋼渣中f-CaO和f-MgO遇水膨脹影響了鋼渣與瀝青的粘附性能。

以浸水飛散試驗結果來評價鋼渣瀝青混合料的水穩定性：鋼渣瀝青混合料的水穩定性均好于普通瀝青混合料，鋼渣體積摻量為40%時最佳。

3.4 體積穩定性

鋼渣集料遇水發生體積膨脹，而作為路面材料會影響路面結構的穩定性。通過瀝青混合料試件浸泡養生前后體積膨脹率來評價鋼渣瀝青混合料的膨脹性能。根據試驗規程，先測定標準馬歇爾試件的初始體積V1，再將試件放在 （60±1）℃的恒溫水箱中浸泡72 h，測定最終體積V2。計算鋼渣瀝青混合料的體積膨脹率。

式中：C鋼渣瀝青混合料的體積膨脹率（%）；V1為浸泡養生前試件體積（cm3）；V2為浸泡養生后試件體積（cm3）。

不同鋼渣體積摻量下瀝青混合料的膨脹性試驗結果見表14。

由表14得出：不同鋼渣體積摻量下瀝青混合料的體積膨脹率均小于規范要求的1.5%；但隨著鋼渣體積摻量的增加，瀝青混合料的膨脹率也逐漸增加。故兼顧鋼渣瀝青混合料的其他路用性能的同時，鋼渣體積摻量越小越好。

綜合考慮不同鋼渣體積摻量下瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性和體積穩定性，鋼渣最佳體積摻量宜在20%和40%之間選擇。權衡后選擇鋼渣最佳體積摻量為40%。

4 結語

（1）鋼渣與天然集料兩者之間比重差異大，故在鋼渣瀝青混合料配合比設計時須以體積法進行修正，方可獲得所需級配。

（2）各級粒徑集料的有效相對密度由浸漬法直接測量得到，然后計算任意配比礦料混合料的合成有效相對密度，進而計算出鋼渣瀝青混合料的理論最大相對密度。

（3）通過對鋼渣體積摻量為0、20%、40%、60%、80%和100%的SMA-13混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性、體積穩定性等進行試驗研究，得出結論：鋼渣瀝青混合料的高溫穩定性在鋼渣體積摻量為20%時最佳，低溫抗裂性隨著鋼渣體積摻量的增加而逐漸降低，水穩定性在鋼渣體積摻量為20%或40%時最好，體積膨脹率隨著鋼渣體積摻量的增加逐漸增加。綜合考慮鋼渣瀝青混合料的路用性能，鋼渣最佳體積摻量取40%。

參考文獻：

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