基于多孔鋼渣的瀝青混合料設(shè)計與路用性能研究*

楊俊霖 羅 蓉 樊向陽 馮光樂

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術(shù)研究中心2) 武漢 430063)(湖北省交通廳工程質(zhì)量監(jiān)督局3) 武漢 430014)

0 引 言

鋼渣由于回收利用途徑不暢，大量的堆放不僅會占據(jù)了寶貴的土地和空間資源，并且容易造成土壤和水源的污染[1].我國鋼渣的堆積總量已超過10億t，每年還以上億t的速度增長，可是我國的鋼渣利用水平遠低于歐美和日本等發(fā)達國家[2].并且，隨著我國公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，優(yōu)質(zhì)的路用石料資源日益緊缺，公路行業(yè)的發(fā)展也迫切需要尋找可以代替路用石料的其他材料[3].因此將鋼渣代替?zhèn)鹘y(tǒng)石料用于高速公路建設(shè)不僅具有良好的工程經(jīng)濟效益，而且有助于促進公路建設(shè)的綠色可持續(xù)發(fā)展[4].

國內(nèi)對鋼渣用于瀝青路面的研究發(fā)展較快，但是相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用還遠落后于歐美等國家，還未形成鋼渣瀝青混凝土的設(shè)計與施工規(guī)范[5].文中以AC-20石灰?guī)r瀝青混合料作為對比，選用多孔鋼渣為粗集料，石灰?guī)r為細集料，制備AC-20連續(xù)密級配鋼渣瀝青混合料，對其級配組成及最佳油石比的確定過程進行研究，最終通過試驗來檢驗鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性以及膨脹性.

1 原材料性能

1.1 粗集料

粗集料包括鋼渣與石灰?guī)r.鋼渣的外觀與傳統(tǒng)石料之間存在一些差異.鋼渣表面呈現(xiàn)灰黑色，棱角性豐富，并且表面孔隙較多.鋼渣與石灰?guī)r的各項物理力學性質(zhì)指標見表1～2，試驗所使用的鋼渣與石灰?guī)r各項指標相比較，較為明顯的是鋼渣的吸水率達到了2.4%，是石灰?guī)r吸水率的近4倍，這也說明鋼渣內(nèi)部的孔隙較多而造成鋼渣易吸水的特點.但是多孔隙的鋼渣仍然有著較高的強度，材質(zhì)堅硬，耐磨性能優(yōu)良.并且由于鋼渣含有金屬元素，其表觀相對密度較大，比石灰?guī)r高出16%.

表1 粗集料鋼渣物理力學性質(zhì)指標

表2 粗集料石灰?guī)r物理力學性質(zhì)指標

1.2 細集料

細集料石灰?guī)r產(chǎn)自湖北省京山縣，其各項物理力學性質(zhì)指標都滿足規(guī)范要求，見表3.

表3 細集料石灰?guī)r物理力學性質(zhì)指標

1.3 瀝青

采用70#基質(zhì)石油瀝青，各項檢測指標都滿足規(guī)范要求，見表4.

表4 瀝青基本性能指標

2 配合比設(shè)計

2.1 級配設(shè)計

瀝青混合料的級配組成對其各項路用性能有著重要的影響，因此,本次試驗的兩組瀝青混合料均采用相同的級配，以達到排除級配差異對試驗對照結(jié)論所產(chǎn)生的影響.試驗所選用級配的級配曲線為圖1中的級配1曲線，并且該級配曲線滿足規(guī)范要求.當采用馬歇爾設(shè)計方法對鋼渣瀝青混合料進行設(shè)計時，由于常規(guī)的級配設(shè)計中默認采用同一種類的集料，因此,保證各檔集料的質(zhì)量配比即可控制各檔集料的體積配比，從而完成級配設(shè)計工作.但采用鋼渣和天然集料共同進行級配設(shè)計時，若忽略這兩種材料之間的密度差異，直接將各檔集料的質(zhì)量配比當做體積之間的配比，這樣所確定的實際合成級配曲線與理論上的目標級配曲線將存差異.并且這種差異將隨著鋼渣與天然石料密度比值的增大而增大.因此，為了保證鋼渣瀝青混合料的實際合成級配與理論目標級配一致，必須將由質(zhì)量控制確定的鋼渣摻入質(zhì)量乘以鋼渣與石料的密度比值，若以級配1作為目標級配為例，不考慮摻入的鋼渣與石灰?guī)r之間的密度差異，則實際得到的合成級配曲線為圖1中的級配2曲線.通過兩條級配曲線的對比可知，若不考慮密度的影響，實際合成級配與目標級配相比是不一致的，并且鋼渣的實際摻入比例變低，實際的合成級配偏細.

圖1 級配曲線設(shè)計

2.2 最佳油石比

由于鋼渣具有多孔隙的特點，因此,鋼渣瀝青混合料與石灰?guī)r瀝青混合料的最佳油石比將會存在差異，并且摻入鋼渣后混合料的最佳油石比將顯著升高.根據(jù)馬歇爾設(shè)計方法，對石灰?guī)r瀝青混合料分別選取油石比為3.0%，3.5%，4.0%，4.5%,5.0%成型試件來檢測混合料體積指標以及穩(wěn)定度流值等指標，最終確定其最佳油石比為4.1%.對于鋼渣瀝青混合料，分別選取油石比為4.5%，5.0%，5.5%，6.0%,6.5%，同樣采用馬歇爾試驗的指標最終確定鋼渣瀝青混合料的最佳油石比為5.2%.與同級配下的石灰?guī)r瀝青混合料相比，AC-20鋼渣瀝青混合料油石比高出了1.1%.由于油石比的定義是瀝青質(zhì)量與集料質(zhì)量的比值，而鋼渣的密度比石灰?guī)r大，在集料體積相同的情況下，摻入了鋼渣的集料總質(zhì)量更大，即使油石比相同的情況下鋼渣瀝青混合料的實際瀝青用量還是要大于石灰?guī)r瀝青混合料，因此雖然兩者的最佳油石的差異為1.1%，而瀝青的實際用量差異將更大，這也表明鋼渣的多孔特性導致鋼渣對瀝青的吸收能力較強.在進行經(jīng)濟性分析時，假定瀝青混合料體積同為1 m3，鋼渣瀝青混合料的質(zhì)量為2.708 t，石灰?guī)r瀝青混合料質(zhì)量為2.552 t.可以看出二者質(zhì)量差異較大，傳統(tǒng)的油石比指標不適合用于鋼渣瀝青混合料的經(jīng)濟效益分析,因此,需要定義相同體積下瀝青混合料的瀝青用量，才能使鋼渣瀝青混合料與石灰?guī)r瀝青混合料具有可比性.在瀝青混合料體積同為1 m3時，經(jīng)過換算，石灰?guī)r瀝青混合料的瀝青用量為102.9 kg，而鋼渣瀝青混合料的瀝青用量為133.9 kg，比石灰?guī)r瀝青混合料的瀝青用量高出23%.

3 路用性能檢測與分析

3.1 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性是瀝青混合料性能檢測中的重要指標.根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范，采用車轍試驗中的動穩(wěn)定度指標來評價混合料的高溫抗車轍能力，兩組混合料的動穩(wěn)定度指標見表5，由表5可知，鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于石灰?guī)r瀝青混合料，并且兩種瀝青混合料的高溫抗車轍性能都遠高于規(guī)范要求下限.

表5 車轍試驗數(shù)據(jù) 次/mm

3.2 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性是指瀝青混合料受到水的侵蝕后在溫濕度及車輛荷載作用下抵抗集料與瀝青膜剝落的能力，水穩(wěn)定性不足將導致瀝青路面的水損害現(xiàn)象頻發(fā)[6],因此,采用浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗來重點考察鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，試驗結(jié)果見表6～7.從浸水馬歇爾試驗數(shù)據(jù)可知，鋼渣瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度高于石灰?guī)r瀝青混合料，并且都符合規(guī)范要求.但是由于浸水馬歇爾試驗所成型的試件孔隙率較小，短時間內(nèi)水侵蝕試件的難度較大，因此,浸水馬歇爾試驗用于評價水穩(wěn)定性能還存在一定局限性.而凍融劈裂試驗的混合料試件孔隙率相對較大，并且將水的溫度范圍擴展至-18～60 ℃，考慮了水和溫度共同作用的影響，試驗環(huán)境更加符合工程實際情況,因此,通過采用凍融劈裂試驗來評價混合料水穩(wěn)定性，結(jié)果表明，鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性能十分優(yōu)良，相比之下石灰?guī)r瀝青混合料的劈裂強度比略高于規(guī)范要求的下限值.兩種試驗都驗證了鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性較好，表明被鋼渣內(nèi)部孔隙所吸收的瀝青與鋼渣粘結(jié)較為緊密，不易剝落.

表6 浸水馬歇爾試驗數(shù)據(jù) %

表7 凍融劈裂試驗數(shù)據(jù) %

3.3 膨脹性

瀝青混合料的膨脹性也是鋼渣瀝青混合料需要重點考察的性質(zhì).混合料發(fā)生膨脹的原因主要是鋼渣的化學成分中含有游離的氧化鈣，游離氧化鈣在遇水反應(yīng)后生產(chǎn)氫氧化鈣，并出現(xiàn)體積膨脹的現(xiàn)象[7].在瀝青路面中，這一反應(yīng)過程產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力將導致路面發(fā)生開裂現(xiàn)象.根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范，采用鋼渣瀝青混合料的膨脹性試驗，利用試件在60 ℃的水中浸水72 h過程前后的體積變化來計算鋼渣瀝青混合料的膨脹量，具體數(shù)據(jù)如表8所示.可以看到鋼渣瀝青混合料的膨脹量在規(guī)范要求之內(nèi)，膨脹性較小.

表8 鋼渣瀝青混合料膨脹性試驗數(shù)據(jù) %

4 結(jié) 論

1) 在級配設(shè)計中，將鋼渣作為粗集料與石料作為細集料進行參配時，需要考慮兩者的密度差異對級配組成的影響，否則實際的級配中鋼渣的摻入比例將變小，細集料偏多，與目標級配相比,實際級配偏細.

2) 通過試驗確定AC-20鋼渣瀝青混合料最佳瀝青用量為5.2%，而同級配下的石灰?guī)r瀝青混合料最佳瀝青用量為4.1%，鋼渣材料的多孔特性導致了其混合料的最佳瀝青用量高出了1.1%.而鋼渣瀝青混合料的真實瀝青用量更大，換算后，每立方米鋼渣瀝青混合料的實際瀝青用量比同體積石灰?guī)r瀝青混合料高出23%.

3) 通過石灰?guī)r瀝青混合料路用性能的對比，表明本文設(shè)計的鋼渣瀝青混合料在高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性方面都優(yōu)于石灰?guī)r瀝青混合料.并且其膨脹性能也滿足規(guī)范要求，多孔鋼渣作為粗集料來制備瀝青混合料的方法是可行的.

[1] 謝君.鋼渣瀝青混凝土的制備性能與應(yīng)用研究[D].武漢：武漢理工大學,2013.

[2] 葉勇,周新星.細集料對鋼渣瀝青混合料粘附性的影響研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2016，40(3):423-427.

[3] 李超,陳宗武,謝君,等.鋼渣瀝青混凝土技術(shù)及其應(yīng)用研究進展[J].材料導報,2017(3):86-95.

[4] 周啟偉.公路鋼渣基層與鋼渣瀝青混合料路用性能研究[D].重慶：重慶交通大學,2011.

[5] 李燦華,仇金輝,向曉東,等.道路用鋼渣標準體系的構(gòu)建與展望[J].鋼鐵研究,2016(3):57-62.

[6] 張宏超,孫立軍.瀝青混合料水穩(wěn)定性能全程評價方法研究[J].同濟大學學報(自然科學版),2002(4):422-426.

[7] 李博.鋼渣瀝青混合料路用性能及膨脹性能研究[J].交通世界(建養(yǎng)機械),2013(6):305-307.