鋼渣粉煤灰瀝青混合料試驗(yàn)研究

宋東方

（平頂山市公路交通勘察設(shè)計(jì)院，河南 平頂山 467036）

河南省平頂山市是重要的鋼鐵和煤炭生產(chǎn)基地，其廢棄物的排放量增長(zhǎng)很快。本研究考慮用石質(zhì)礦粉和粉煤灰作為填料，用鋼渣替代部分集料，制備AC-16與AC-13兩種級(jí)配的混合料，鋼渣和粉煤灰摻量不同，鋼渣粉煤灰瀝青混合料的具體特性不同。具體方案如下：一是用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾法，確定鋼渣和粉煤灰摻量下瀝青混合料的最佳油石比；二是以瀝青混合料的最佳油石比，制作試驗(yàn)混合料公路用性能的試件，試驗(yàn)路用低溫抗裂性能。

1 內(nèi)容與技術(shù)

國(guó)內(nèi)關(guān)于鋼渣瀝青路面的規(guī)范目前有GBT 24765-2009《耐磨瀝青路面用鋼渣》和GBT 24766-2009《透水瀝青路面用鋼渣》，兩部規(guī)范都是簡(jiǎn)單地引用其他技術(shù)規(guī)范，對(duì)于鋼渣和粉煤灰的引入給混合料設(shè)計(jì)、制備帶來(lái)的其他問(wèn)題并未渉及[1]。本文將討論鋼渣作為瀝青混合料集料且粉煤灰作為填料的設(shè)計(jì)研究，按照配合比設(shè)計(jì)初定的最佳瀝青用量制備試件進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，研究粉煤灰和鋼渣摻量對(duì)瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.1 原材料

制備AC-16與AC-13兩種類型的混合料的原材料，其由平頂山70#A級(jí)基質(zhì)瀝青、礦質(zhì)集料、粉煤灰、鋼渣和礦粉等組成，粒徑組成均滿足要求。

1.2 混合料制備

（1）AC-16礦質(zhì)集料按檔篩分取10檔，包括16 mm、13.2 mm、9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm、0.075 mm。鋼渣粒徑只以細(xì)鋼渣替代部分細(xì)集料進(jìn)行初步試驗(yàn)，粉煤灰的毛體積相對(duì)密度為2.12，礦粉的相對(duì)密度為2.745 g/cm3，符合要求。

（2）鋼渣粉煤灰AC-13混合料的制備：試驗(yàn)組采用粗鋼渣代替1/3的5～10 mm粗集料，細(xì)鋼渣代替1/3的0～5 mm細(xì)集料，粉煤灰代替1/2的礦粉作填料（粗鋼渣及用量各占礦料總質(zhì)量的14%，粉煤灰用量為3%），粒徑組成均滿足要求。

1.3 儀器

試驗(yàn)采用的儀器有馬歇爾儀、馬歇爾擊實(shí)儀、混合料拌和鍋、溫度計(jì)、真空飽和儀、電子稱、冰箱、劈裂儀、秒表等。采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾法，試實(shí)驗(yàn)確定各礦料級(jí)配、鋼渣和粉煤灰摻量下瀝青混合料的最佳油石比[2]。

2 混合料的馬歇爾最佳油石比試驗(yàn)

平頂山氣候分區(qū)屬于夏炎熱及冬溫區(qū)，本次試驗(yàn)依然按高等級(jí)道路的馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定，交通情況假定為中輕交通。對(duì)于常規(guī)AC-16與AC-13瀝青混合料，初選3.8%、4.3%、4.8%、5.3%和5.8%五個(gè)瀝青用量；對(duì)于摻鋼渣粉煤灰AC-16與AC-13瀝青混合料，初選5.8%、6.3%、6.8%、7.3%和7.8%五個(gè)瀝青用量。在各個(gè)瀝青用量下，制備試件進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，結(jié)果如表1和表2所示。

根據(jù)表1摻鋼渣粉煤灰瀝青混合料（AC-16）馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果分析顯示，確定普通AC-16瀝青混合料的最佳油石比為4.3%，摻鋼渣粉煤灰瀝青混合料的最佳油石比為6.0%。摻鋼渣粉煤灰瀝青混合料的瀝青飽和度略超規(guī)范要求，綜合考慮其他指標(biāo)要求，確定為6.0%，其他指標(biāo)均能滿足要求[3]。

表1 摻鋼渣粉煤灰瀝青混合料（AC-16）馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表2 摻鋼渣粉煤灰瀝青混合料（AC-13）馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表1及表2馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻鋼渣粉煤灰瀝青混合料最佳瀝青用量，經(jīng)過(guò)綜合考慮和計(jì)算，常規(guī)AC-13瀝青混合料的最佳油石比為確定4.6%，摻鋼渣粉煤灰AC-13瀝青混合料的最佳油石比確定為6.7%。

因此，相比于常規(guī)瀝青混合料，摻鋼渣粉煤灰AC-16與AC-13瀝青混合料的最佳油石比提高了1.7%，增幅約為22.2%。但流值變化不大，說(shuō)明其抗變形能力略有增強(qiáng)。主要原因是鋼渣表面較粗糙，所組成的混合料具有較大的內(nèi)摩阻力，同時(shí)這種粗糙增加了骨料的表面積，使與瀝青的粘合面積增大，提高了鋼渣與瀝青的粘結(jié)力。此外，粉煤灰一定程度上也提高了瀝青膠漿粘結(jié)力。

3 凍融劈裂性試驗(yàn)

路面開(kāi)裂是瀝青混合料路面的主要病害之一，瀝青混合料在低溫狀況下必須保持足夠的韌性[4]。在瀝青混合料低溫評(píng)價(jià)方面，鑒于凍融劈裂試驗(yàn)得到的強(qiáng)度值較穩(wěn)定，且變異性較小，本研究采用凍融劈裂的方法評(píng)價(jià)摻鋼渣粉煤灰瀝青混合料路面在低溫情況下的抗裂性能。

按照瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)確定的填料劑量和最佳瀝青用量拌和、成型試件，試驗(yàn)采用馬歇爾擊實(shí)方法成型，每種混合料各4個(gè)平行試件，正反面擊實(shí)次數(shù)為50次。凍融組經(jīng)過(guò)真空保水后在-18℃的恒溫冰箱中保持16 h，再放入60℃恒溫水浴箱中保溫24 h，之后與對(duì)照組共同置于25℃水槽中保溫2 h[5]。按照劈裂試驗(yàn)計(jì)算劈裂強(qiáng)度和TSR，整理結(jié)果如表3所示。

從表3試驗(yàn)結(jié)果看出，摻鋼渣粉煤灰AC-16與AC-13瀝青混合料的凍融后劈裂強(qiáng)度高于常規(guī)AC-16與AC-13瀝青混合料，增幅27.8%[6]。鋼渣粉煤灰AC-AC-16與AC-1313瀝青混合料劈裂強(qiáng)度比也高于常規(guī)AC-16與AC-13瀝青混合料，且大于規(guī)范要求的75%，說(shuō)明其抗凍性能優(yōu)于常規(guī)AC-16與AC-13瀝青混合料。

表3 AC-16瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)平頂山市的鋼渣和粉煤灰開(kāi)展系統(tǒng)研究，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定了AC-16和AC-13兩種鋼渣粉煤灰瀝青混合料的最佳瀝青用量[7]。常規(guī)AC-16和AC-13瀝青混合料的最佳油石比為4.6%，摻鋼渣粉煤灰AC-16和AC-13瀝青混合料的最佳油石比為6.7%。

同時(shí)，采用凍融劈裂試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)，檢驗(yàn)摻鋼渣粉煤灰瀝青混合料路面在低溫情況下的抗裂性能[8]。結(jié)果表明，摻鋼渣粉煤灰的AC-16與AC-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性均優(yōu)于常規(guī)AC-16瀝青混合料，滿足路面材料的使用性能，但其低溫抗裂性能低于常規(guī)AC-16與AC-13瀝青混合料。此外，摻鋼渣粉煤灰的瀝青混合料，外觀無(wú)油，陽(yáng)光下也無(wú)反光晃眼的油光，這一點(diǎn)很適合行車(chē)路面。

總之，本研究全面考慮粉煤灰、鋼渣不同摻量與不同膠凝劑的組合作用，綜合試驗(yàn)表明，水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣、碎石的路用性能很好，滿足規(guī)范要求。因此，筆者認(rèn)為，用鋼渣代替部分集料，同時(shí)摻入粉煤灰，應(yīng)用在水泥穩(wěn)定類基層材料中，是完全可行的。

1 吳 平，王選倉(cāng).粉煤灰特性對(duì)瀝青混合料性能的影響[J].公路交通科技，2016，33（12）：21-28.

2 吳 平，王選倉(cāng).摻粉煤灰廠拌熱再生瀝青混合料性能研究[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2016，（6）：13-15.

3 牛 哲.鋼渣瀝青混合料的制備與性能研究[D].南京：東南大學(xué)，2016.

4 李 偉，王鶴彬，王 達(dá)，等.轉(zhuǎn)爐鋼渣瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，32（6）：1062-1069.

5 盧發(fā)亮，李 晉.濟(jì)鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣瀝青混合料路用性能研究[J].中外公路，2013，33（4）：259-263.

6 劉文歡，李 輝，朱繪美，等.一種單級(jí)配粒徑鋼渣透水瀝青混合料：中國(guó)，CN106045384A[P].2016-10-26.

7 劉 偉.粉煤灰替代礦粉作填料的瀝青混合料水穩(wěn)性研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2012，（4）：82-84.

8 李愛(ài)軍.粉煤灰替代礦粉作填料的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性研究[J].交通世界（建養(yǎng)·機(jī)械），2012，（1）：100-101.