鋼渣薄層罩面瀝青混合料試驗研究與工程應用

2022-06-25 05:01:08蘇凱

城市道橋與防洪 2022年5期

蘇凱

（上海城投研究總院，上海市 200031）

0 引言

鋼渣作為煉鋼企業的工業廢渣，資源化利用率相對偏低。多數鋼廠將鋼渣采用露天堆放的方式存放，不僅占用了大量的土地資源，還對周邊環境造成潛在污染風險[1，2]。近年來，人們環保意識越來越強，如何實現鋼渣等工業廢渣的資源化利用已經成為國內外研究的重點。相關研究結果表明，在瀝青混合料中采用鋼渣替代天然石料是可行的[3-6]。目前在高等級道路瀝青路面建設與養護施工過程中，一般要求選用玄武巖、輝綠巖等磨光值高、與瀝青黏附性較好的堿性礦料，以確保表面層具有良好的平整度、抗剪強度和摩擦系數等，進而提高行車安全與舒適性。但隨著土石資源過度開發，使得一些地區的路面建設與養護施工需從外地大量購買優質石材，大大增加了施工成本。本文結合道路建設的實際需求，研究制備以鋼渣替代傳統集料的薄層罩面瀝青混合料，分析其路用性能并在實體工程中得到應用驗證，為鋼渣在瀝青路面中資源化應用提供技術支撐。

1 原材料與級配設計

1.1 原材料

根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40）相關規定，對鋼渣、玄武巖集料性能指標以及鋼渣的游離氧化鈣含量和浸水膨脹率進行測試。集料性能測試結果見表1。

表1 集料性能指標測試結果

試驗測試結果表明，鋼渣的各項指標符合現行規范對路用集料的技術要求。鋼渣的壓碎值、磨耗值等指標與玄武巖性能相近，磨光值和與瀝青黏附性指標顯著高于玄武巖集料，表明鋼渣在瀝青路面表面層具備較好的應用優勢。游離氧化鈣容易導致鋼渣體積不穩定[7]。試驗用的鋼渣游離氧化鈣含量低，浸水膨脹率符合現行規范的要求。

密級配瀝青混合料中選擇SBS（I-D）改性瀝青作結合料，開級配大空隙瀝青混合料采用高黏改性瀝青作結合料，其性能指標均符合現行規范的要求。

1.2 級配設計

試驗選擇SMA-10 和OGFC-5 兩類瀝青混合料進行研究，級配范圍要求見表2。

設計符合表2 要求的礦料級配，并在SMA-10 瀝青混合料5～15 mm 粗集料中摻加了20%、40%和60%的鋼渣代替傳統玄武巖，在OGFC-5 瀝青混合料的3～5 mm 集料全部采用鋼渣。依據馬歇爾設計方法成型瀝青混合料，在各項指標均滿足規范要求下，確定瀝青混合料的最佳油石比（見表3）。

表2 混合料級配范圍要求

表3 混合料最佳油石比

2 混合料性能評價

2.1 S MA-10 薄層罩面瀝青混合料

（1）馬歇爾穩定度和動穩定度

在設計級配和最佳油石比條件下成型試件，進行標準馬歇爾穩定度和動穩定度試驗，確定鋼渣最佳摻量。鋼渣SMA-10 薄層罩面瀝青混合料的穩定度測試結果見表4。

表4 混合料馬歇爾穩定度試驗結果

測試結果表明，摻用鋼渣的瀝青混合料SMA-10馬歇爾穩定度和動穩定度性能指標均較未摻加鋼渣的普通玄武巖瀝青混合料高，且遠高于現行規范的要求。其中以鋼渣摻用量為40%的瀝青混合料穩定度性能表現最佳。選擇40%為最佳鋼渣摻用量，進行下一步性能評價。

（2）水穩定性

在鋼渣摻量為40%、設計級配和最佳油石比條件下成型馬歇爾試件，進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。試驗結果見表5。

表5 鋼渣S MA-10 水穩定性能試驗結果

試驗結果表明，摻配鋼渣40%的薄層罩面瀝青混合料SMA-10 表現出較高的水穩定性，浸水馬歇爾殘留穩定度結果和凍融劈裂試驗結果符合現行規范要求。

（3）抗滑性能

采用鋪砂法測試鋼渣瀝青混合料SMA-10 的構造深度，試驗結果見表6。

表6 構造深度試驗結果

試驗結果表明，鋼渣薄層罩面瀝青混合料SMA-10的構造深度滿足規范要求，表現出較好的抗滑性能。

（4）浸水膨脹率

將鋼渣瀝青混合料SMA-10 浸水10 d 后測試其體積變化情況，計算鋼渣瀝青混合料的體積膨脹率，結果見表7。

表7 浸水膨脹率試驗結果

試驗結果表明，鋼渣瀝青混合料SMA-10 的浸水膨脹率較小，符合現行規范的要求。試驗用鋼渣游離氧化鈣含量僅為0.2%，遠小于規范不大于3%的要求。另一方面，鋼渣表面的多孔結構吸附較多瀝青，在混合料內部形成結構瀝青，阻止了水分浸入鋼渣內部，進一步減小了混合料的膨脹性。

2.2 OGFC-5 薄層罩面瀝青混合料

在設計級配及最佳瀝青用量條件下成型馬歇爾試件和車轍板試件，進行性能指標試驗測試。

（1）混合料路用性能

鋼渣OGFC-5 薄層罩面瀝青混合料的路用性能測試結果見表8。

表8 鋼渣OGFC-5 路用性能指標測試結果

測試結果表明，鋼渣OGFC-5 薄層罩面瀝青混合料的各項路用性能均符合現行規范的要求。其中，動穩定度、殘留穩定度和凍融劈裂指標遠超規范要求。

（2）耐久性能

小粒徑瀝青混合料的抗變形耐久性能是施工應用較為關注方面[8，9]。試驗采用漢堡車轍儀對鋼渣薄層罩面OGFC-5 的耐久性能進行了測試，結果如圖1 所示。

圖1 鋼渣OGFC-5 與常規OGFC-5 漢堡車轍曲線

試驗結果表明，鋼渣薄層罩面OGFC-5 車轍發展明顯緩于傳統OGFC-5 瀝青混合料。鋼渣OGFC-5混合料的剝落點SIP 是傳統OGFC-5 混合料剝落點的1.35 倍，說明鋼渣OGFC-5 的抗水損害能力和抗高溫剝落性能更強。圖1 中剝落點SIP 之后的剝落段，鋼渣OGFC-5 產生1 mm 車轍需要429 Cycles輪載作用，而常規OGFC-5 僅需要191 Cycles。說明鋼渣OGFC-5 發生水損害后仍表現出較好的抗破壞能力。