鋼渣微表處技術(shù)性能評(píng)價(jià)

程格格，張辰旸，金 強(qiáng)，周斯琪

（1.上海海事大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，上海市 201306；2.上海中冶環(huán)境工程科技有限公司，上海市 200942）

0 引言

公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)微表處的定義是：用具有一定級(jí)配的石屑或砂、填料（水泥、石灰、粉煤灰、石粉等）與聚合物改性乳化瀝青、外摻劑和水，按一定比例拌制成流動(dòng)型混合料，再均勻?yàn)⒉加诼访嫔系姆鈱覽1]。微表處對(duì)路面具有較好的修復(fù)性能，且施工便易，性價(jià)比高，在我國(guó)大部分省市的道路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程中應(yīng)用非常普遍。在路基路面穩(wěn)定的前提下，國(guó)外優(yōu)質(zhì)的微表處使用壽命可達(dá)5 a，與部分熱瀝青薄層罩面壽命相當(dāng)[2]。國(guó)內(nèi)微表處由于原料，施工及交通等因素的影響，使用壽命往往只有3 a左右。但微表處相比于其他養(yǎng)護(hù)方式仍然有很大的優(yōu)勢(shì)，微表處價(jià)格低且養(yǎng)護(hù)性能好，施工快捷無污染，能夠預(yù)防道路水損壞，提高道路抗滑性能等，因此改善微表處的技術(shù)性能，對(duì)于我國(guó)道路養(yǎng)護(hù)工程質(zhì)量的提高有十分重要的意義。

微表處對(duì)原材料質(zhì)量要求較高，因此需要選擇硬度較高且耐磨的石料，國(guó)內(nèi)對(duì)于微表處的技術(shù)性能研究往往是依據(jù)玄武巖或者輝綠巖等石料進(jìn)行的。鋼渣作為一種金屬提煉的副產(chǎn)物，不僅硬度比石料更大，表面粗糙，比純石料有更好的耐磨和耐久性，而且還具有耐低溫開裂的特性[3]。并且鋼渣含有的硅酸鹽等活性礦物具有一定的水硬活性，這些特性使得鋼渣不僅提高微表處性能，還能將其變廢為寶，實(shí)現(xiàn)鋼渣的廢舊資源整合利用。為此，選取鋼渣替代石料，進(jìn)行濕輪磨耗和負(fù)荷輪粘沙試驗(yàn)。在原有純石料級(jí)配的基礎(chǔ)上，采用0-3和0-5檔鋼渣替代石料，并控制用油量一致，通過試驗(yàn)分析不同內(nèi)徑等級(jí)鋼渣替代石料之后的粘附沙量與濕輪磨耗值的技術(shù)指標(biāo)差異，以期得出鋼渣能有效地提高微表處技術(shù)指標(biāo)的有效依據(jù)，為微表處設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1 改性乳化瀝青

微表處要求的乳化瀝青材料必須選取改性乳化瀝青[4]。該項(xiàng)試驗(yàn)使用的改性乳化瀝青組成成分見表1所列。

表1 改性乳化瀝青組成一覽表

1.1.2 鋼渣

該項(xiàng)試驗(yàn)所用的鋼渣是寶鋼集團(tuán)的鋼渣，共有A，B，C三種不同渣期的鋼渣。由于鋼渣中含有金屬及金屬氧化物，力學(xué)性能較軋制碎石好，具有強(qiáng)度高、表面粗糙、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，且顆粒形狀好，而且與瀝青有良好的粘附性。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

微表處具有良好的礦料級(jí)配，我國(guó)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[4]中規(guī)定的微表處級(jí)配見表2所列。該項(xiàng)試驗(yàn)使用的石料和鋼渣的篩分通過率見表2所列；根據(jù)國(guó)內(nèi)M S-2型微表處級(jí)配范圍設(shè)計(jì)石料的級(jí)配，控制鋼渣級(jí)配盡量與石料級(jí)配一致，配合比設(shè)計(jì)見表3所列。

表2 微表處礦料級(jí)配一覽表 %

表3 石料和鋼渣的配合比設(shè)計(jì)一覽表

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 拌和試驗(yàn)

試件制作進(jìn)行之前需要進(jìn)行乳化瀝青摻量的確定，該項(xiàng)試驗(yàn)根據(jù)施工技術(shù)員的建議選定了乳化瀝青外摻質(zhì)量為10%，即油石比為6%。在試驗(yàn)所需試件制作之前，根據(jù)確定的級(jí)配和用油量，進(jìn)行大量的拌和試驗(yàn)，見表4所列。

表4 拌和試驗(yàn)（30℃）時(shí)間一覽表

由表4可見，可拌和時(shí)間均超過2 min，乳化瀝青和水的摻量基本滿足要求。根據(jù)試件在攪拌過程中的反應(yīng)狀態(tài)及成型效果，最終確定了消石灰作為催化劑外摻量為1%。根據(jù)試驗(yàn)開始前的測(cè)試階段中拌和反應(yīng)的快慢程度，選擇催化劑的添加與否。

1.3.2 濕輪磨耗試驗(yàn)

濕輪磨耗值試驗(yàn)用于檢驗(yàn)成型后的稀漿混合料的配伍性和抗水損害能力，規(guī)范中規(guī)定的濕輪磨耗試驗(yàn)浸水1 h的磨耗值小于540 g/m2，浸水6 d的磨耗值小于800 g/m2[4]。計(jì)算6 d的濕輪磨耗值與1 h的濕輪磨耗值之差，記為X，可以認(rèn)為X越大，則混合料的水穩(wěn)定性越差。濕輪磨耗值越小，耐磨性越高，水穩(wěn)定性越好[5]。

1.3.3 負(fù)荷輪粘沙試驗(yàn)

負(fù)荷輪粘沙試驗(yàn)和濕輪磨耗試驗(yàn)一起確定稀漿混合料的最佳瀝青含量，其中負(fù)荷輪粘沙試驗(yàn)用于控制瀝青用量的上限，見圖1所示，規(guī)范中規(guī)定的負(fù)荷輪粘沙試驗(yàn)的黏附砂量小于450 g/m2[4]。可用于檢測(cè)混合料的粘結(jié)程度和成型質(zhì)量，黏附砂量越大，其試件的質(zhì)量越好。

圖1 確定微表處最佳瀝青用量的曲線圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)拌和試驗(yàn)得出的最佳配比制作濕輪磨耗試件，并把試件放置于烘箱中60℃恒溫使其達(dá)到恒重，分別浸水1 h和6 d進(jìn)行濕輪磨耗試驗(yàn)。試驗(yàn)參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程—T0752》[6]中規(guī)定的試驗(yàn)要求與步驟進(jìn)行，圖2為濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖。

圖2 濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

從圖2可以看出，純石料的濕輪磨耗值最大，耐磨性最差且X值最大，水穩(wěn)定性最差。鋼渣代替石料之后，其濕輪磨耗試驗(yàn)值普遍降低，其中0-3（B）試件浸水1h和6 d的濕輪磨耗值是純石料的27%和 35%，0-3替代（A）是純石料的 34%和46%，0-5全替代（B，C）純石料的 26%和 49%，說明鋼渣替代石料之后的濕輪磨耗性能更好。且鋼渣替代的X值均小于純石料，其中0-3替代（B）的Y值最小，說明鋼渣替代石料具有水穩(wěn)性優(yōu)勢(shì)，細(xì)鋼渣與粗石料的結(jié)合的水穩(wěn)定性更好。鋼渣的浸水6 d比浸水1 h的濕輪磨耗值增長(zhǎng)率比石料要大很多，說明純石料相對(duì)于鋼渣替代穩(wěn)定速度快。但綜合考慮，0-3（B）替代效果最好。

2.2 負(fù)荷輪粘沙試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)拌和試驗(yàn)得出的最佳配比制作試件，并把試件放置于烘箱中60℃恒溫使其達(dá)到恒重，試驗(yàn)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程—T0755》[6]中規(guī)定的試驗(yàn)要求與步驟進(jìn)行，其結(jié)果見圖3所示。

圖3 負(fù)荷輪粘沙試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

從圖3可以看出，鋼渣替代石料的試件的黏附砂量均大于純石料的黏附砂量，其中0-5全替代（B，C）最大，0-3（A）替代和 0-5 全替代（B，C）差距非常小，均比純石料高1倍以上，差距最小的0-3替代（B）比純石料高出0.28倍。0-5全替代（B，C）比0-3替代（B）高了0.67倍，說明由鋼渣全部替代石料的黏附砂量比部分替代的要好很多，即0-5全替代的鋼渣與乳化瀝青的粘結(jié)強(qiáng)度更大，更能節(jié)省瀝青用量。綜合來看，鋼渣會(huì)提高黏附砂量，0-5全替代和0-3替代（A）的試驗(yàn)結(jié)果均比較好。

2.3 鋼渣對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響分析

由于不同種類的鋼渣中的成分不同，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響也不同。如圖2和圖3所示，A，B兩種混合料試驗(yàn)結(jié)果相比，B種鋼渣替代的濕輪磨耗值的X值均略低于A種，且黏附砂量遠(yuǎn)小于A種，說明A，B兩種鋼渣替代的水穩(wěn)定性相差不大，并且A種的粘結(jié)性更好，費(fèi)油更少。且從圖2看出兩種材料的濕輪磨耗值增長(zhǎng)率均在110%附近，說明0-3替代的試驗(yàn)中，雖然不同種類的鋼渣雖然濕輪磨耗值不同，但其水穩(wěn)定性的變化率是相對(duì)穩(wěn)定的。

使用不同粒徑的鋼渣替代石料，其試驗(yàn)結(jié)果也不相同。如圖2和圖3所示，0-3替代和0-5全替代相比，0-5全替代的濕輪磨耗值，X值，黏附砂量均高于0-3替代，說明0-3鋼渣替代的水穩(wěn)定性更好，而全替代費(fèi)油更少。且從圖2可看出0-5全替代濕輪磨耗值增長(zhǎng)率大于0-3鋼渣替代，說明全替代的水穩(wěn)定性隨著時(shí)間的延長(zhǎng)可能會(huì)越來越差。綜合考慮，使用細(xì)鋼渣替代石料更好。

3 機(jī)理分析

從以上試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，鋼渣替代石料之后，其濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果與負(fù)荷輪粘沙試驗(yàn)結(jié)果均有所改善，其中0-3替代的效果最為顯著。這是由于鋼渣中的堿性金屬氧化物與水反應(yīng)形成了堿性環(huán)境，和酸性乳化瀝青接觸之后發(fā)生中和反應(yīng)，產(chǎn)生水分，增加可拌和時(shí)間，便于施工。堿性鋼渣與酸性乳化瀝青發(fā)生中和反應(yīng)，反應(yīng)后的產(chǎn)物結(jié)合更加穩(wěn)定，且產(chǎn)物在一定程度上修補(bǔ)了鋼渣的表面，減小了鋼渣的比表面積，使瀝青和鋼渣之間有更好的黏附性。鋼渣中的少量的活性硅酸鹽等礦物成分與水接觸會(huì)產(chǎn)生類似于水泥的水化反應(yīng)，使得瀝青混合料的強(qiáng)度增大，凝結(jié)性更好。且0-3的細(xì)鋼渣由于體積小，與瀝青結(jié)合后不易脫落，且包裹瀝青之后能防止鋼渣膨脹，因此細(xì)鋼渣作為微表處的替代料比純石料和粗鋼渣更有優(yōu)勢(shì)。

4 經(jīng)濟(jì)型評(píng)價(jià)分析

在無石料有鋼渣的地區(qū)，路用養(yǎng)護(hù)石料大多是從外地運(yùn)輸，運(yùn)輸費(fèi)用較高，且增加碳排放量，在道路養(yǎng)護(hù)中把鋼渣替代石料，可以及時(shí)科學(xué)有效地綜合利用鋼渣尾渣，變?yōu)榭捎觅Y源，可以治理環(huán)境，減少污染。以上海市為例，由于上海市內(nèi)不產(chǎn)石料，道路修建過程中所需石料均是由其他各省市運(yùn)輸，1 km單車道（3.5m寬）厚度為6mm的M S-2微表處所需的石料約60m3左右，價(jià)格見表5所列。

從表5可以看出，1 km單車道所需石料價(jià)格約10 200元，而鋼渣作為上海本地就有產(chǎn)出的煉鋼剩余廢料，其價(jià)格與上海石料市場(chǎng)價(jià)更低，如果用0-3鋼渣替代石料，比使用純石料節(jié)省了將近4 000元，約是骨料價(jià)格的26%，并且減少了石料在運(yùn)輸過程中的碳排放量，比石料擁有更大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

表5 1 km單車道（3.5 m）所需骨料及價(jià)格一覽表

5 結(jié)論

通過以上試驗(yàn)分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）使用鋼渣替代石料得出的濕輪磨耗值明顯降低，而黏附砂量明顯升高，綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出0-3鋼渣（A）替代效果最好。

（2）0-3鋼渣（A）替代的浸水1 h和6 d濕輪磨耗值是純石料的34%，46%，其X值相較于純石料更低，說明0-3鋼渣（A）替代的水穩(wěn)定性和耐磨性比純石料好。0-3替代（A）的黏附砂量是純石料的1倍以上，說明用鋼渣替代石料所需的瀝青用量有所降低。

（3）使用鋼渣代替石料，能獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。以0-3鋼渣替代為例，在上海市其價(jià)格上比純石料低了約26%，說明微表處中石料用鋼渣替代具有十分良好的可行性。