鋼渣在超薄磨耗層中的應(yīng)用研究

何培龍 王 鵬

(同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

鋼渣在超薄磨耗層中的應(yīng)用研究

何培龍 王 鵬

(同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

對寶鋼鋼渣的物理力學(xué)性質(zhì)進行了分析，研究了不同鋼渣摻配比例對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗滑性能的影響，為鋼渣在瀝青混合料設(shè)計中的推廣應(yīng)用提供合理建議。

鋼渣，超薄磨耗層，SMA，路用性能

鋼渣是鋼鐵企業(yè)利用較差的固體廢物之一，目前我國鋼渣積存近10億t，綜合利用率僅為10%左右。隨著鋼鐵工業(yè)的不斷發(fā)展，積存鋼渣數(shù)量有增無減，這不僅占用了大量的土地，而且對環(huán)境也有一定程度的影響。然而，鋼渣并非不可利用的固體廢物。鋼渣主要由多種氧化物和礦物質(zhì)組成，物理化學(xué)成分與硅酸鹽類似，并且在一定條件下經(jīng)過電解水化作用之后，表現(xiàn)為性能穩(wěn)定、高強度、大小均勻的顆粒[1]。這比天然巖石制成的碎石的力學(xué)性能好，耐磨性高、級配好、顆粒形狀佳。因此，將其用于道路工程領(lǐng)域不僅可以資源化利用閑置的鋼渣，而且還可以節(jié)省天然石料，是一舉兩得的事情。

超薄磨耗層作為一種超薄的道路表層可以用于路面性能要求較高、交通壓力較大的道路的表層處理，即作為一種路面的預(yù)防性養(yǎng)護措施或已損路面的修補措施。在新建道路中，也可將其作為表面磨耗層。因超薄磨耗層具有耐久性高、抗滑性能好、可降低噪聲、雨天可減少水霧和路面水膜的作用，并能提高路面抗車轍和抗磨耗能力，這種路表磨耗層可以在很大程度上改善路面的使用性能[2]。

鑒于在道路建設(shè)領(lǐng)域?qū)ΦV質(zhì)石料的大量需求，鋼渣作為傳統(tǒng)石料的替代品具有很大的應(yīng)用前景。因此，研究鋼渣用于瀝青混合料中以全部或部分替代傳統(tǒng)集料是個具有很大社會效益的課題。本文采用寶鋼發(fā)展有限公司提供的鋼渣，對鋼渣替代細集料用于超薄磨耗層進行相關(guān)研究。將鋼渣以不同摻配比例替代超薄磨耗層的細集料，并研究其路用性能，為鋼渣在路面材料領(lǐng)域進行大面積推廣提供一定的理論支持。

1 原材料

1.1 鋼渣性質(zhì)分析

由于煉鋼的礦石、鋼種、煉鋼過程中添加的成分以及冶煉階段的不同，鋼渣的礦物組成也是不盡相同的。但有一些礦物成分是大部分鋼渣都會含有的，如：氧化鈣、硅酸二鈣、三氧化二鐵及少量氧化錳、氧化鐵、五氧化二磷等成分[3]。本研究采用的寶鋼鋼渣細集料(0 mm～5 mm)中CaO和鐵氧化物含量高，兩者占比60%以上，SiO2含量約占10%。寶鋼鋼渣細集料(0 mm～5 mm)的化學(xué)組成見表1。

表1 寶鋼鋼渣細集料化學(xué)成分 %

根據(jù)JTG E42—2005公路工程集料試驗規(guī)程對鋼渣的相關(guān)物理力學(xué)性能試驗，結(jié)果如表2所示。

1.2 其他原材料

粗集料：本研究4.75 mm和9.5 mm檔的粗集料采用玄武巖，2.36 mm粗集料采用石灰?guī)r和鋼渣。玄武巖集料的各項技術(shù)指標(biāo)見表3。

表2 鋼渣物理力學(xué)性能指標(biāo)

表3 粗集料的物理力學(xué)指標(biāo)

SBS改性瀝青：其相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)和規(guī)范相應(yīng)的技術(shù)要求列于表4，均滿足JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范的要求。

表4 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

填料：采用石灰?guī)r礦粉，視密度為2.79 g/cm3。

纖維：采用德國瑞登梅爾父子公司生產(chǎn)的VIATOP Premium顆粒狀木質(zhì)素纖維，摻量為0.3%，相對密度為1.01。

2 鋼渣超薄瀝青混合料配合比設(shè)計

2.1 鋼渣超薄磨耗層級配的確定

參考JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中推薦的SMA-10的級配范圍，本文采用該級配范圍的中值，見表5。

表5 采用的SMA-10超薄磨耗層級配

2.2 油石比設(shè)計分析

將鋼渣以0%，50%，75%，100%四種質(zhì)量摻配比例替代SMA-10混合料中的細集料，分別確定混合料的最佳油石比。四種鋼渣摻量對應(yīng)的最佳油石比如表6所示。

表6 不同鋼渣摻量對應(yīng)最佳油石比 %

2.3 配合比設(shè)計分析

為避免上述確定的最佳油石比的瀝青用量過大導(dǎo)致實際使用中泛油情況的出現(xiàn)，對四種鋼渣摻量的最佳油石比瀝青混合料進行析漏試驗。每個鋼渣摻量采用兩組平行試樣，結(jié)果取平均值，試驗所得析漏損失分別為0.098%，0.072%，0.075%，0.067%，均滿足規(guī)范要求的不大于0.1%。

從配合比設(shè)計結(jié)果來看，在采用的SMA-10級配中值的條件下，不同鋼渣摻量時的粗集料均能形成有效的骨架結(jié)構(gòu)，達到了SMA混合料的技術(shù)要求。同時，瀝青用量會隨著鋼渣摻量的增加而增加，這是鋼渣表面結(jié)構(gòu)有較多孔隙導(dǎo)致的。這些孔隙會吸附較多的瀝青，從而在鋼渣表面形成較厚的瀝青膜。

3 路用性能檢測

為了保持超薄磨耗層優(yōu)良的路面服務(wù)性能，超薄磨耗層的瀝青混合料除了應(yīng)具備一定的強度外，還要有足夠的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗滑性、抗老化性等技術(shù)性能。本文的研究以上海為代表的南方地區(qū)為背景，在高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性兩者之間，對前者的要求較高，因此在超薄磨耗層的路用性能檢測中主要考慮高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗滑性及膨脹性。

3.1 高溫穩(wěn)定性

不同鋼渣摻量的SMA-10瀝青混合料，分別采用最佳油石比成型車轍板試件進行車轍試驗，試驗結(jié)果見表7。

表7 不同鋼渣摻量的SMA-10混合料的動穩(wěn)定度

從總體來看，采用了改性瀝青的SMA-10瀝青混合料的抗車轍能力較強。當(dāng)細集料完全由鋼渣替代時，其高溫穩(wěn)定性并沒有明顯的減弱或增強；但當(dāng)細集料由鋼渣部分替代時，其動穩(wěn)定度數(shù)值有一定下降，但都很明顯的滿足了規(guī)范的要求。鋼渣細集料用于超薄磨耗層SMA-10中，瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性仍會滿足規(guī)范的要求。

3.2 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對試件的水穩(wěn)定性進行評定。浸水馬歇爾的試驗結(jié)果見表8。各鋼渣摻量下SMA-10瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均滿足規(guī)范不小于80的要求。

表8 不同鋼渣摻量的浸水馬歇爾試驗結(jié)果

凍融劈裂試驗結(jié)果見表9。各鋼渣摻量的SMA-10混合料凍融劈裂強度比均滿足規(guī)范不小于80的要求。以上兩個試驗說明，從凍融劈裂比浸水馬歇爾試驗條件更嚴(yán)苛的角度來看，鋼渣的使用會稍微降低SMA-10瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但并沒有實質(zhì)性影響，不影響超薄磨耗層的正常使用。

表9 不同鋼渣摻量的凍融劈裂試驗結(jié)果

3.3 抗滑性能

按試驗方法T0961—1995對車轍板的構(gòu)造深度進行檢測，檢測結(jié)果見表10。試驗結(jié)果均滿足規(guī)范要求的構(gòu)造深度不小于0.55 mm。

表10 不同鋼渣摻量車轍板的構(gòu)造深度

按試驗方法T0964—2008對車轍板的擺值BPN進行測定。根據(jù)試驗現(xiàn)場板面溫度對測得的擺值進行溫度修正后，換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃時的擺值，結(jié)果列于表11。試驗結(jié)果均滿足規(guī)范要求的擺值不小于45。以上兩個試驗說明各鋼渣摻量下的SMA-10瀝青混凝土抗滑性能均較好。

表11 不同鋼渣摻量車轍板的擺值BPN

3.4 膨脹性

JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中規(guī)定，對使用鋼渣作為集料的瀝青混合料，要進行活性和膨脹性試驗，鋼渣瀝青混凝土的膨脹量不得超過1.5%。按JTG E42—2005公路工程集料試驗規(guī)程中試驗規(guī)程T0348對SMA-10的鋼渣瀝青混凝土進行膨脹率檢測。一般情況下，鋼渣摻量越大，鋼渣瀝青混凝土的膨脹率越大。本文對100%鋼渣的瀝青混凝土進行膨脹性檢測，同時以未摻鋼渣的瀝青混凝土作為比對，試驗結(jié)果見表12。

表12 膨脹率試驗結(jié)果 %

100%鋼渣的瀝青混凝土可以滿足不大于1.5%的要求，可以預(yù)測其他鋼渣摻量的SMA-10瀝青混凝土也可滿足此要求。由于鋼渣的使用導(dǎo)致瀝青用量的增多，而瀝青的包裹在一定程度上限制了鋼渣的膨脹，因此混合料的膨脹率得到了控制。

4 結(jié)語

1)寶鋼提供的細集料鋼渣體積安定性較好，基本可以滿足超薄磨耗層對集料的要求；2)由于鋼渣表面空隙較多，易吸附瀝青，因此集料中隨著鋼渣用量的增加SMA-10瀝青混合料的最佳油石比也會有所增加；3)本文采用的SMA-10作為超薄磨耗層，總體的高溫穩(wěn)定性能較好。鋼渣的摻入對混合料的水穩(wěn)定性沒有實質(zhì)性影響，不同鋼渣摻量的混凝土水穩(wěn)定性均能較好滿足規(guī)范要求，從而也間接證明了瀝青與鋼渣粘附性較好。

從以上結(jié)論可看出，寶鋼提供的細集料鋼渣用于SMA-10超薄磨耗層的路用性能表現(xiàn)比較優(yōu)異，但本文只驗證了超薄磨耗層的一種級配，當(dāng)采用其他級配時摻入鋼渣是否仍然能保證較好的路用性能還有待進一步研究。

[1] 曹亞東,韓勇強.電爐鋼渣在瀝青路面中的應(yīng)用研究[J].中國市政工程,2001(1):17-21.

[2] 王雅婷.鋼渣集料在瀝青路面超薄抗滑磨耗層中的應(yīng)用研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2013.

[3] 連 鵬,徐 兵.寶鋼轉(zhuǎn)爐滾筒鋼渣細集料用于微表處的耐磨耗性能與抗水損害性能研究[J].內(nèi)蒙古公路與運輸,2015(3):40-44.

Research on application of steel slag in ultra-thin wearing course

He Peilong Wang Peng

(RoadandCommunicationsProjectKeyLabofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

The paper analyzes the dynamic attribute of the steel slag in Baoshan Iron and Steel Plant, researches the influence of various steel slag mixing ratio on the high-temperature stability, water stability and anti-sliding performance of the asphalt mixture, so as to provide some reasonable suggestions for extending the application of the steel slag in asphalt mixtures.

steel slag, ultra-thin wearing course, SMA, traffic performance

1009-6825(2015)30-0114-03

2015-08-11

何培龍(1990- )，男，在讀碩士； 王 鵬(1991- )，男，在讀碩士

TU501

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