鋼渣瀝青混合料路用性能研究與應用效果評價

葛 浩

(江蘇省鎮江市公路事業發展中心，鎮江 212002)

在綠色發展理念的背景下，鑒于鋼渣瀝青混合料的綠色節能優勢，鋼渣在道路工程建設中的應用受到廣泛關注。自20世紀90年代以來，國內已開展了鋼渣瀝青混合料的研究。上海寶鋼公司鋪筑了國內首條鋼渣瀝青混合料路面試驗段，取得了良好的應用效果，為鋼渣在道路工程領域中的應用開啟了新篇章[1]；李永生等[2]選用鋼渣為原材料，研究了鋼渣SMA-13目標和生產配合比設計，結果表明，鋼渣瀝青混合料作為路面磨耗層的抗滑性能等多項指標優于普通路面；秦仁杰等[3]通過高溫穩定性等試驗，研究鋼渣瀝青混合料的路用性能，試驗表明鋼渣較普通集料在路用性能方面具有一定優勢，同時更具經濟環保性；何亮等[4]指出了目前鋼渣體積安定性不良、瀝青用量增加等問題仍未得到根本性解決，并表明未來重點發展方向為研究鋼渣瀝青路面的質量控制體系和全壽命周期性能。

目前，與歐美發達國家鋼渣利用率相比(鋼渣利用率高達84.5%～98.4%，其中32.5%～42.9%的鋼渣用于道路工程建設)，國內鋼渣利用率存在劣勢[5-6]。國內鋼渣瀝青混合料技術主要集中在室內試驗的理論研究，針對現場工程實踐應用和社會經濟效益評價方面研究甚少。因此，如何將鋼渣變廢為寶，進行循環再利用是目前亟待解決的問題，充分開發利用鋼渣是一項重要的新課題，可有效豐富綠色公路的建設手段。

本文以鋼渣瀝青混合料為研究對象，對其開展路用性能研究，并評價鋼渣瀝青路面的實際應用效果和社會經濟效益。

1 鋼渣的物理性質

1.1 密度和吸水率

依據《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)，對鋼渣的密度和吸水率進行了試驗。鋼渣的密度和吸水率如表1所示。

表1 鋼渣的密度和吸水率

由表1可知，鋼渣的表觀相對密度超過3.5，毛體積相對密度約為3.3。與常用的天然集料中密度較大的玄武巖相比，鋼渣的密度比其高15%～20%。另外，由于多孔特性，鋼渣的吸水率為1.0%～2.2%，遠高于天然石料。

1.2 力學性能

道路工程中，路用集料的力學性能主要包括抗壓碎能力和磨耗性，分別用壓碎值和洛杉磯磨耗值表示。常見路用集料的力學性能如表2所示。

表2 常見路用集料的力學性能 (%)

由表2可知，鋼渣較為堅硬，其壓碎值低于玄武巖和石灰巖；而其磨耗值與玄武巖接近，遠小于石灰巖。該結果表明，鋼渣具有良好的工程力學性能。

2 鋼渣瀝青混合料路用性能研究

2.1 試驗方案

為探討鋼渣瀝青混合料的路用性能，以鋼渣瀝青混合料分別復配SMA-13和SUP-13為試驗組，以普通SMA-13和SUP-13為對照組，共4種不同類型瀝青混合料，開展水穩定性、高溫穩定性、低溫抗裂性、抗剪性等各項性能指標的對比試驗[7-9]。鋼渣SMA-13級配：油石比為6.1%，1#料鋼渣(10～15 mm)、2#料鋼渣(5～10 mm)、4#料石灰巖(0～3 mm)和礦粉的質量占比分別為45%、33%、12%和10%；鋼渣SUP-13級配：最佳瀝青用量為5.3%，1#料鋼渣(10～15 mm)、2#料鋼渣(5～10 mm)、3#料鋼渣(3～5 mm)、4#料石灰巖(0～3 mm)和礦粉的質量占比分別為37%、23%、8%、29%和3%。

2.2 性能試驗結果

2.2.1 水穩定性

1)浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，選取殘留穩定度比和劈裂強度比作為瀝青混合料水穩定性評價指標[10]。不同類型瀝青混合料的殘留穩定度比如圖1所示，不同類型瀝青混合料的劈裂強度比如圖2所示。

圖1 不同類型瀝青混合料的殘留穩定度比

圖2 不同類型瀝青混合料的劈裂強度比

由圖1和圖2可知，兩種鋼渣瀝青混合料的殘留穩定度比和劈裂強度比均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)技術要求，表明這兩種鋼渣瀝青混合料具有一定的抗水損害能力。與普通SMA-13相比，鋼渣SMA-13的殘留穩定度比、劈裂強度比分別提高了2.5%和6.9%；鋼渣SUP-13的殘留穩定度比、劈裂強度比與普通SUP-13基本接近，變化不顯著。

2)活性膨脹試驗

在潮濕環境中，鋼渣表面易生成鈣類物質，可能會引發體積膨脹，進而造成鋼渣瀝青混合料質量存在缺陷[11]。因此，采用活性膨脹試驗對鋼渣瀝青混合料的膨脹性能進行了對比驗證。試件在恒溫水浴(60 ℃)中保溫72 h，取出后，測量試件膨脹后的體積，確定瀝青混合料的體積膨脹率。膨脹后的鋼渣瀝青混合料表面無明顯開裂或鼓包現象。不同類型瀝青混合料的膨脹率如圖3所示。

圖3 不同類型瀝青混合料的膨脹率

由圖3可知，兩種鋼渣瀝青混合料的膨脹率均滿足≤1%的技術要求，且較普通瀝青混合料膨脹率稍高，鋼渣瀝青混合料并未表現出較強的膨脹特性。為進一步降低鋼渣表面游離氧化鈣的活性，后期可考慮將鋼渣長期堆置存放至少半年。

2.2.2 高溫穩定性

在荷載、溫度等諸多因素的綜合影響下，瀝青路面可能會形成車轍等缺陷病害。采用車轍試驗對不同類型瀝青混合料的高溫穩定性開展研究。不同類型瀝青混合料的動穩定度如圖4所示。

圖4 不同類型瀝青混合料的動穩定度

由圖4可知，鋼渣瀝青混合料在高溫穩定性方面具有優勢。與普通SMA-13相比，鋼渣SMA-13的動穩定度較高，提高了80.9%；鋼渣SUP-13的動穩定度較普通SUP-13提高了75.2%。

2.2.3 低溫抗裂性

為驗證鋼渣瀝青混合料的低溫抗裂性，采用輪碾成型法，切割制作棱柱體小梁標準試件，分析瀝青混合料的破壞應變等力學參數。試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，加載設備為萬能試驗機，不同類型瀝青混合料均設置6個平行試件。不同類型瀝青混合料的破壞應變如圖5所示。

由圖5可知，鋼渣SMA-13的破壞應變較普通SMA-13提高了11.7%；鋼渣SUP-13破壞應變較普通SUP-13提高了4.1%。原因在于鋼渣與瀝青的黏結效果更優，鋼渣的摻入使得瀝青用量増加，進而在一定程度上改善了瀝青混合料的低溫抗裂性能。

圖5 不同類型瀝青混合料的破壞應變

2.2.4 抗剪性

直接剪切試驗與路面實際抗剪破壞應力狀態相關性較好。因此，可作為綜合評價瀝青混合料抗剪性的試驗依據。設置20 ℃和60 ℃兩種不同溫度條件，對瀝青混合料試件開展抗剪性研究，以最大剪應力作為試件的抗剪強度指標。不同類型瀝青混合料的最大剪切力如圖6所示。

圖6 不同類型瀝青混合料的最大剪切力

由圖6可知，鋼渣的摻入在一定程度上提高了瀝青混合料的抗剪切能力。在20 ℃和60 ℃兩種溫度條件下，鋼渣SMA-13和鋼渣SUP-13的最大剪切力代表值較相應的普通瀝青混合料均有小幅度提升。

3 鋼渣瀝青路面應用效果評價

為更好地研究鋼渣瀝青路面的實際應用效果，以南京某快速路改造工程為依托，開展試驗路鋪筑工作，通過室內試驗和現場檢測試驗分析鋼渣瀝青路面檢測指標，并通過后期跟蹤檢測，綜合評價鋼渣瀝青路面的應用效果。

3.1 試驗路方案

根據實際情況和研究需要，2017年6月鋪筑鋼渣SMA-13和鋼渣SUP-13上面層瀝青路面試驗路段各300 m，其余路段為普通SMA-13和SUP-13瀝青路面。試驗路段方案如表3所示。

表3 試驗路段方案

3.2 試驗段檢測結果分析

3.2.1 鋼渣SMA-13路面檢測結果

1)室內試驗

對現場取芯的鋼渣SMA-13開展抽提篩分試驗和馬歇爾試驗，試驗方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)。鋼渣SMA-13抽提篩分試驗結果如表4所示。鋼渣SMA-13馬歇爾試驗結果如表5所示。

由表4和表5可知，鋼渣SMA-13的抽提篩分參數(級配、油石比)和馬歇爾試驗參數(穩定度、流值、空隙率等)均滿足施工技術要求。

表4 鋼渣SMA-13抽提篩分試驗結果 (%)

表5 鋼渣SMA-13馬歇爾試驗結果

2)現場檢測試驗

鋪筑試驗路段結束后，開展鋼渣SMA-13上面層路面壓實度、滲水系數、摩擦系數和構造深度等指標檢測[12-13]。鋼渣SMA-13路面壓實度檢測結果如表6所示，鋼渣SMA-13路面現場檢測結果如表7所示。

表6 鋼渣SMA-13路面壓實度檢測結果

表7 鋼渣SMA-13路面現場檢測結果

由表6和表7可知，鋼渣SMA-13瀝青路面的兩種壓實度指標均滿足相應要求；其滲水系數、構造深度和摩擦系數均符合施工技術要求。

3.2.2 鋼渣SUP-13路面檢測結果

1)室內試驗

根據試驗規范要求，對現場取芯的鋼渣SUP-13開展抽提篩分試驗和馬歇爾試驗，鋼渣SUP-13抽提篩分試驗結果如表8所示，鋼渣SUP-13馬歇爾試驗結果如表9所示。由表8和表9可知，鋼渣SUP-13抽提篩分(級配、瀝青用量)和馬歇爾試驗參數(空隙率、飽和度、穩定度等)均滿足施工技術要求。

表8 鋼渣SUP-13抽提篩分試驗結果 (%)

表9 鋼渣SUP-13馬歇爾試驗結果

2)現場檢測試驗

鋪筑試驗段結束后，開展鋼渣SUP-13路面壓實度、滲水系數、構造深度和摩擦系數等指標檢測。鋼渣SUP-13路面壓實度檢測結果如表10所示，鋼渣SUP-13現場檢測結果如表11所示。

表10 鋼渣SUP-13路面壓實度檢測結果

表11 鋼渣SUP-13現場檢測結果

由表10和表11可知，鋼渣SUP-13瀝青路面兩種壓實度指標均滿足相應要求；其滲水系數、構造深度和摩擦系數均符合施工技術要求。

3.3 跟蹤觀測分析

為更好地評價鋼渣瀝青路面的使用情況，于2017年12月和2018年6月對鋼渣瀝青路面試驗路段進行了兩次跟蹤觀測。

1)試驗路段現場調查

經歷1年多的運營期，試驗路段的兩次跟蹤調查結果顯示，鋼渣SMA-13和鋼渣SUP-13路面整體狀況較好，在歷經重載交通和冬雨季雙重考驗后，目前無明顯車轍、裂縫等缺陷病害。

2)FWD檢測數據分析

采用落錘式彎沉儀(FWD)采集試驗路段路面的特征參數——動態總彎沉[14]，并通過彎沉盆數據反算動態彈性模量值，綜合評定路面結構層承載能力。測試頻率為每車道50 m測一點(重復測定不少于3次)，牽引FWD行駛速度≤50 km/h。對試驗路段和相鄰對照組瀝青路面分別進行檢測。不同類型瀝青路面的動態模量如圖7所示。

圖7 不同類型瀝青路面的動態模量

由圖7可知，鋼渣SMA-13上面層動態模量比普通SMA-13路面動態模量高6%～10%，鋼渣SUP-13上面層動態模量比普通SUP-13路面動態模量高4%～7%。鋼渣在路面承載能力提升方面更具優勢。

4 鋼渣路面社會經濟效益評價

4.1 社會效益分析

鋼渣是煉鋼過程中去除鋼中雜質環節產生的，南京地區的鋼渣處理一直是棘手的問題，鋼渣堆積如山，不僅占用了土地，而且還對生態環境造成破壞，管理處置也耗費了大量人力、物力和財力。

本試驗將鋼渣應用于道路工程建設領域，將鋼渣變廢為寶，實現了資源循環再利用，不僅緩解了石料資源的過度開挖問題，而且實現了社會與自然和諧可持續發展的目標。在工程建設領域，鋼渣作為一種替代型道路建筑材料，具有顯著的社會效益。

4.2 經濟效益分析

道路工程建設項目的經濟效益包括的范圍十分廣泛，從全壽命周期的角度可分為建設成本費用、工程營運費用和后期維護保養費用等。本文主要從建設成本費用方面開展鋼渣瀝青路面經濟效益評價。為分析鋼渣瀝青路面經濟性能，試驗路段施工結束后，對4種瀝青混合料面層施工成本進行了分析。不同類型瀝青混合料面層施工成本如表12所示。

表12 不同類型瀝青混合料面層施工成本 (元/t)

鋼渣瀝青混合料較普通瀝青混合料的油石比高，導致瀝青費用較高。另外，鋼渣瀝青混合料的密度偏高，在機械費方面也存在劣勢。但鋼渣在價格方面較玄武巖、石灰巖具有較大的優勢。經綜合測算，鋼渣瀝青混合料綜合施工成本較常規瀝青混合料更具優勢：每噸鋼渣SMA-13較普通SMA-13節省176.59元；每噸鋼渣SUP-13較普通SUP-13節省113.83元。

考慮到鋼渣瀝青混合料表現出的良好路用性能，部分技術指標比普通瀝青混合料更加理想，特別是耐久性方面表現得更加突出，可預見鋼渣瀝青路面的工程營運費用和后期維護費用會顯著低于普通瀝青路面。因此，將鋼渣材料應用于瀝青路面建設具有良好的經濟效益。

5 結語

(1)通過對鋼渣瀝青混合料各項性能指標進行研究，結果表明鋼渣瀝青混合料在高溫穩定性、低溫抗裂性、抗剪性等方面較普通瀝青混合料具備優勢，水穩定性與普通瀝青混合料基本相當。

(2)在后期跟蹤觀測中，鋼渣瀝青路面外觀質量良好。鋼渣瀝青路面的動態模量較普通瀝青路面提高了4%～10%，表明鋼渣瀝青混合料技術能提高路面的抗變形能力，進一步驗證了鋼渣瀝青路面的可行性和適用性。

(3)在工程建設領域，鋼渣作為一種替代型綠色環保道路建筑材料，實現了資源循環再利用；每噸鋼渣SMA-13、鋼渣SUP-13較普通瀝青混合料分別節省了176.59元和113.83元，鋼渣瀝青混合料綜合施工成本較常規瀝青混合料具有一定優勢。因此，將鋼渣材料應用于瀝青路面中具有良好的社會經濟效益，具有廣闊的工程應用前景。