鋼渣瀝青混合料配合比設計及其路用性能研究

田騰輝，王德生

（濰坊市市政工程設計研究院有限公司，山東濰坊261061）

1 引言

鋼渣是煉鋼過程中產生的廢棄物，產出比例約為粗鋼的15%～20%。大量廢棄鋼渣不僅占用土地資源，還會引發嚴重的環境污染問題，如何對鋼渣進行有效利用，成為技術人員研究的一個關鍵課題。鋼渣本身質地堅硬，顆粒級配形狀良好，能與瀝青很好地黏附在一起，避免了鋼渣本身的膨脹問題，可以將其作為粗集料代替碎石摻入瀝青混合料中，有利于瀝青混合料路用性能的提高。

2 鋼渣瀝青混合料配合比設計

2.1 級配設計

以連續密實式AC-13 型細粒式瀝青混合料為例，在鋼渣瀝青混合料中，粗集料和細集料全部選擇鋼渣；在石灰石瀝青混合料中，粗集料和細集料全部選擇石灰石；在粗石細鋼與粗鋼細石瀝青混合料中，粗集料和細集料分別選擇鋼渣和石灰石。對其進行對比分析。參照《瀝青混合料設計手冊》[1]的相關要求，借助Excel 電子表格對集料篩分的結果進行記錄，將合成級配通過率與對應工程設計級配范圍中值差的平方和的最小值作為約束條件，反復調試級配，得到4 種級配：

1）鋼渣瀝青混合料：5～15 mm 的鋼渣配比為48.3%，3～5 mm的鋼渣配比為12.5%，0～3 mm 鋼渣配比為34.2%，礦粉配比5.0%。

2）石灰石瀝青混合料：5～15 mm 的石灰石配比為50.0%，0～5 mm 的石灰石配比為45.5%，礦粉配比4.5%。

3）粗石細鋼瀝青混合料：5～15 mm 的石灰石配比為52.0%，3～5 mm 的鋼渣配比為9.0%，0～3 mm 的鋼渣配比為35.0%，礦粉配比4.0%。

4）粗鋼細石瀝青混合料：5～15 mm 的鋼渣配比為50.0%，0～5 mm 的石灰石配比為45.0%，礦粉配比5.0%。

通過上述數據分析看出，雖然級配方案不同，但4 種瀝青混合料的級配曲線存在較大的相似性，通過這樣的設計，能減小不同集料、不同級配對瀝青混合料路用性能的影響。

2.2 油石比設計

依照上文提到的數據，對各種集料的用量進行計算和準確稱量，結合施工經驗，測算出瀝青用量，將其作為中值，依照0.3%～0.5%的間隔變化進行分級，進行瀝青混合料的拌制。通過估算得到的油石比中值為5.0%，確定間隔變化為0.4%，在每個級配中，分別在4.2%～5.8%范圍內取5 個值作為油石比進行試驗和計算。對礦質混合料的合成表觀密度、合成毛體積密度、吸水率、合成有效相對密度等進行計算，并以此推導出理論層面的混合料最大密度，確定理想空隙率為4%，就馬歇爾試件的質量進行初步估計。嚴格依照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的步驟對馬歇爾試件進行制備。脫模后測量試件高度，如果沒有超過（63.5±1.3）mm范圍，則視為合格，可以進行后續試驗。結合瀝青用量與空隙率、毛體積密度、馬歇爾穩定度等相關指標的關系曲線分析，得到全鋼渣瀝青混合料、石灰石瀝青混合料、粗石細鋼瀝青混合料以及粗鋼細石瀝青混合料的油石比依次為5.2%、4.3%、5.5%和4.6%。如果瀝青的用量過多，不僅會導致泛油問題，影響混合料的高溫穩定性，還會導致成本的增加[2]。

3 鋼渣瀝青混合料路用性能研究

鋼渣瀝青混合料的路用性能主要體現在4 個方面。

3.1 膨脹特性

鋼渣中含有約5%～10%的游離氧化鈣，其在發生水解時，體積會增大至原來的2 倍到3 倍，引發鋼渣粉化膨脹的問題，在膨脹率過大的情況下，路面的穩定性會受到影響。結合相關規范中提到的體積測試方法制作標準馬歇爾試件，準確測量試件的尺寸，對其初始體積進行計算，然后將試件整個放入恒溫水箱，溫度保持在60 ℃，72 h 后取出，再次測量直徑和高度，對膨脹率進行計算，結果見表1。

表1 瀝青混合料膨脹率計算結果

從表1 可以看出，3 種混合料的膨脹率都能夠很好地滿足規范要求，表明鋼渣瀝青混凝土具有較好的膨脹特性，能夠被應用在瀝青路面施工中。

3.2 低溫抗裂性

低溫抗裂性評價主要是借助應變加載破壞試驗、低溫收縮試驗、直接拉伸試驗等進行。這里，以劈裂試驗對瀝青混合料的低溫抗裂性進行評價，結果顯示，鋼渣瀝青混合料和石灰石瀝青混凝土的劈裂強度遠遠超出規范要求（2 000 MPa），分別達到了7 742.4 MPa 和8 113.0 MPa，粗鋼細石混合料的劈裂強度也達到了3 484.6 MPa，三者都具備極強的低溫抗裂性能。考慮到瀝青混合料的低溫勁度模量會受到瀝青低溫勁度模量、瀝青黏度以及溫度敏感性的影響，可以選擇稠度較低的瀝青進行拌和。這樣，能夠促進鋼渣瀝青混合料低溫抗裂性能的提高。

3.3 高溫穩定性

對3 種混合料進行動穩定度測試，鋼渣瀝青混合料的動穩定度為2 292 次/mm，石灰石瀝青混合料的動穩定度為1 616 次/mm，粗鋼細石瀝青混合料的動穩定度為1 918 次/mm，如圖1 所示。

圖1 3 種混合料動穩定度測試結果

3 種混合料都能滿足相關標準中不小于1 000 次/mm 的要求。比較而言，鋼渣瀝青混合料的高溫穩定性最好。其原因是：（1）鋼渣集料的顆粒形狀均勻，經過振搗碾壓后，顆粒之間可以形成緊密的嵌鎖作用，有助于抗剪性能的提升；（2）鋼渣表面的紋理粗糙，能有效吸附瀝青，抵抗車轍變形[3]。

3.4 水穩定性

水穩定性的測試需要從2 個方面著手：（1）浸水馬歇爾試驗。可以通過對試件浸水前后的穩定度進行對比，獲取相應的水穩指標[4]。試驗結果顯示，3 種混合料浸水后的穩定度全能滿足規范要求，鋼渣瀝青混合料穩定度最大，在路面使用中有良好的抗水損害能力，使路面具備更強的耐久性和更長的使用壽命。（2）凍融劈裂試驗。3 種混合料的凍融劈裂強度都達到了相關規范中不低于限值標準75%。其中，鋼渣瀝青混合料最大，達到了限值標準的92.5%；粗鋼細石瀝青混合料與其極其接近，達到了限值標準的92.4%；石灰石混合料最低，僅達到了限值標準的83.1%。在經過相應的凍融循環后，單一試件所能承受的最大荷載會有所降低，因為凍融循環會破壞混凝土的水穩定性。

4 結語

鋼渣瀝青混合料在高溫穩定性、低溫穩定性和水穩定性方面都要優于石灰石瀝青混合料，鋼渣本身具備優越的物理性能和力學性能，能夠滿足高等級公路對集料的各種要求，壓碎值、磨耗值、密度等指標要優于傳統集料，將其用于瀝青混凝土中的集料，可具備良好的路用性能。

但是，如果集料全部使用鋼渣，容易出現多空隙、膨脹的問題，導致瀝青消耗量增大，因此，在工程應用中，可將鋼渣作為粗集料，配合石灰石細集料進行瀝青混凝土的制備。