鋼渣摻量對OGFC-13混合料路用性能影響的研究

劉 清 波

(中鐵三局集團投資有限公司，山西 太原 030000)

1 概述

鋼渣作為固廢材料，具有耐磨、抗滑強度高、與瀝青粘附性好的特點，目前已被研究證明能作為筑路材料進行應用。由于玄武巖等抗滑料價格昂貴，采用鋼渣代替或者部分代替碎石集料用于瀝青路面，已經在河南、山西等實體工程被付諸于實踐[1,2]。OGFC瀝青混合料中粗集料多、細集料少，將鋼渣摻配到混合料中，由于鋼渣耐磨，粘附性強的特點，可有效提高OGFC瀝青混凝土性能。本文從鋼渣摻量角度出發，研究鋼渣替代石灰巖應用于OGFC-13的路用性能，提出最佳鋼渣摻量范圍，從而為鋼渣在OGFC-13瀝青混合料的應用提供參考。

2 試驗

2.1 原材料

鋼渣選用某鋼廠堆放兩年的轉爐鋼渣，f-CaO和f-MgO含量在3%以下，本次鋼渣主要對粗集料進行替代試驗，經篩分后，對粒徑9.5 mm以上鋼渣的物理性能進行測試，除吸水性大于2%之外，基本滿足相關指標要求。所用瀝青為SBS改性瀝青，各項基礎指標及老化指標滿足規范要求。所用粗集料、細集料均為石灰巖，外表潔凈、干燥、無雜質，其級配和力學性能均滿足規范要求。所用礦粉為石灰巖碎石磨細的石粉，無結團結塊的問題。

2.2 摻配方案

本文重點研究不同摻量鋼渣代替粗集料在OGFC-13瀝青混合料的路用性能，在合理的經濟成本范圍內，確定鋼渣最佳摻量。擬定的鋼渣替代量為石灰石質量的0%,20%,40%,60%，80%，100%。但由于鋼渣表觀相對密度為3.564，是石灰石密度的1.4倍以上，在相同體積下單位質量較高，故在以上確定摻量下分別加上1.4倍的系數，以期保持礦料體積的相對穩定[3]。

2.3 測試方法

OGFC瀝青混合料的最佳油石比由析漏試驗和飛散試驗共同來確定，并通過混合料穩定度進行驗證。OGFC瀝青混合料析漏試驗值小于0.3%，飛散試驗值小于15%[4]。路用性能主要進行高溫穩定性、低溫抗裂性水穩定性和抗滑性能的測試。本文中采用車轍試驗評定混合料的高溫穩定性，小梁彎曲試驗評定混合料的低溫抗裂性，擺式儀法測定混合料的抗滑性。

3 配合比設計

3.1 級配

OGFC-13是常見的抗滑透水層結構，本文主要研究最優鋼渣摻量下的混合料性能，替代粗集料的鋼渣在體積上基本與石灰石一致[5]，在混合料內部空隙率相差無幾，默認以不摻鋼渣的級配為基礎級配，各個鋼渣摻量下的配比要求均能滿足要求。

3.2 油石比

對各個鋼渣摻量配合比進行飛散試驗和析漏試驗，用以確定該鋼渣摻量下的最大油石比和最小油石比，取中間值進行混合料穩定度測試，經驗證，確定各鋼渣摻量下混合料的最佳油石比見表1。可以看出，隨著鋼渣摻量的增多，混合料的油石比都在逐漸增加。這與鋼渣的表面結構密切相關，鋼渣表面多為細微孔隙結構，比表面積更大，對比石灰石需要更多的瀝青來填充和包裹。

表1 不同鋼渣摻量瀝青混合料的最佳油石比

4 路用性能測試

4.1 高溫穩定性

表2 不同鋼渣摻量瀝青混合料的車轍試驗結果

表2是不同鋼渣摻量的OGFC混合料車轍板的試驗結果。可以看出，摻加了鋼渣的混合料其動穩定度都顯著提高，混合料的動穩定度呈現先增加后降低的趨勢，這種變化在鋼渣摻量60%時達到最高，該摻量下混合料動穩定度對比未摻加鋼渣混合料動穩定度提高近1.5倍。分析動穩定度的變化原因：一是由于鋼渣比表面積大，礦料間的鑲嵌更為牢固，鋼渣與瀝青的粘附性更好，高溫下粘聚力強，抵抗變形能力提高。二是隨著鋼渣摻量繼續增加，油石比也在不斷增加，在壓實成型時，混合料不易被壓實，但高溫下瀝青流動性提高，內部空隙率增加，在動載下礦料位移量逐漸提高，混合料整體出現車轍，動穩定度降低，車轍深度提高。

4.2 低溫抗裂性

表3 不同鋼渣摻量瀝青混合料的彎拉試驗結果

表3是不同鋼渣摻量的OGFC混合料的低溫彎曲試驗的試驗結果。小梁彎曲試驗中，彎拉應變值越大，混合料的抗變形能力越好，即低溫下應用效果越好。可以看出，摻加了鋼渣的OGFC混合料的彎拉應變在逐漸降低，即低溫抗裂性能逐漸降低，并在鋼渣摻量為100%時，彎拉應變值僅為2 701 με，已經低于2 800 με的下限要求，鋼渣摻量應控制在80%以下。

4.3 水穩定性

表4是不同鋼渣摻量下OGFC混合料凍融劈裂試驗結果。從表4可以看出，鋼渣的加入對混合料的水穩定性有所提高，總體上抗水損害能力得到加強。但這種趨勢只在初期較為明顯，在鋼渣摻量大于40%之后幾乎沒有明顯的變化。盡管鋼渣能與瀝青在表面發生酸酐反應，提高粘結力。但在鋼渣數量增加后，鋼渣中f-CaO和f-MgO在水的作用下體積發生膨脹，影響鋼渣與瀝青之間的粘附性，故而出現以上現象。

表4 不同鋼渣摻量瀝青混合料的凍融劈裂試驗結果 %

4.4 表面抗滑

表5 不同鋼渣摻量瀝青混合料的擺式儀試驗結果

表5是不同鋼渣摻量下OGFC混合料的表面抗滑試驗測定值。鋼渣未加入前，混合料BPN為68。鋼渣的摻入，混合料BPN整體得到提高，在摻量達到40%以上后，其提升效果不再增加。鋼渣外觀整體不均勻，棱角性更好，表面多孔的結構特性對比石灰石更加粗糙，在少量摻加時可顯著提高混合料的抗滑性能。在摻量達到40%以上后，鋼渣數量已經聚集到一定程度，無明顯凸起，結構整體性較好，故提升效果變得不明顯。總體來看，鋼渣在加入初期對提升混合料的抗滑性影響較大。

5 結語

鋼渣能夠有效改善OGFC-13瀝青混合料的高溫穩定性、水穩定性和表面抗滑性。隨著鋼渣含量的不斷增加，低溫穩定性呈下降趨勢，水穩定性和表面抗滑性呈現先提高后降低的趨勢。綜合各項性能指標，從道路安全角度和長期路用性能角度出發，本文建議OGFC-13瀝青混合料的鋼渣摻量為40%。