鋼渣瀝青混合料路用性能研究與應(yīng)用效果評價

葛 浩

(江蘇省鎮(zhèn)江市公路事業(yè)發(fā)展中心，鎮(zhèn)江 212002)

在綠色發(fā)展理念的背景下，鑒于鋼渣瀝青混合料的綠色節(jié)能優(yōu)勢，鋼渣在道路工程建設(shè)中的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)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(nèi)首條鋼渣瀝青混合料路面試驗(yàn)段，取得了良好的應(yīng)用效果，為鋼渣在道路工程領(lǐng)域中的應(yīng)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(biāo)和生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)，結(jié)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(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于普通路面；秦仁杰等[3]通過高溫穩(wěn)定性等試驗(yàn)，研究鋼渣瀝青混合料的路用性能，試驗(yàn)表明鋼渣較普通集料在路用性能方面具有一定優(yōu)勢，同時更具經(jīng)濟(jì)環(huán)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(diǎn)發(fā)展方向?yàn)檠芯夸撛鼮r青路面的質(zhì)量控制體系和全壽命周期性能。

目前，與歐美發(fā)達(dá)國家鋼渣利用率相比(鋼渣利用率高達(dá)84.5%～98.4%，其中32.5%～42.9%的鋼渣用于道路工程建設(shè))，國內(nèi)鋼渣利用率存在劣勢[5-6]。國內(nèi)鋼渣瀝青混合料技術(shù)主要集中在室內(nèi)試驗(yàn)的理論研究，針對現(xiàn)場工程實(shí)踐應(yīng)用和社會經(jīng)濟(jì)效益評價方面研究甚少。因此，如何將鋼渣變廢為寶，進(jìn)行循環(huán)再利用是目前亟待解決的問題，充分開發(fā)利用鋼渣是一項(xiàng)重要的新課題，可有效豐富綠色公路的建設(shè)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(shí)際應(yīng)用效果和社會經(jīng)濟(jì)效益。

1 鋼渣的物理性質(zhì)

1.1 密度和吸水率

依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)，對鋼渣的密度和吸水率進(jìn)行了試驗(yàn)。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(yuǎn)高于天然石料。

1.2 力學(xué)性能

道路工程中，路用集料的力學(xué)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(xué)性能如表2所示。

表2 常見路用集料的力學(xué)性能 (%)

由表2可知，鋼渣較為堅(jiān)硬，其壓碎值低于玄武巖和石灰?guī)r；而其磨耗值與玄武巖接近，遠(yuǎn)小于石灰?guī)r。該結(jié)果表明，鋼渣具有良好的工程力學(xué)性能。

2 鋼渣瀝青混合料路用性能研究

2.1 試驗(yàn)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(fù)配SMA-13和SUP-13為試驗(yàn)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(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗剪性等各項(xiàng)性能指標(biāo)的對比試驗(yàn)[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?guī)r(0～3 mm)和礦粉的質(zhì)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?guī)r(0～3 mm)和礦粉的質(zhì)量占比分別為37%、23%、8%、29%和3%。

2.2 性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 水穩(wěn)定性

1)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)

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

圖1 不同類型瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度比

圖2 不同類型瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比

由圖1和圖2可知，兩種鋼渣瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度比和劈裂強(qiáng)度比均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)技術(shù)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(wěn)定度比、劈裂強(qiáng)度比分別提高了2.5%和6.9%；鋼渣SUP-13的殘留穩(wěn)定度比、劈裂強(qiáng)度比與普通SUP-13基本接近，變化不顯著。

2)活性膨脹試驗(yàn)

在潮濕環(huán)境中，鋼渣表面易生成鈣類物質(zhì)，可能會引發(fā)體積膨脹，進(jìn)而造成鋼渣瀝青混合料質(zhì)量存在缺陷[11]。因此，采用活性膨脹試驗(yàn)對鋼渣瀝青混合料的膨脹性能進(jìn)行了對比驗(yàn)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(xiàn)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(shù)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(xiàn)出較強(qiáng)的膨脹特性。為進(jìn)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(wěn)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(yàn)對不同類型瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性開展研究。不同類型瀝青混合料的動穩(wěn)定度如圖4所示。

圖4 不同類型瀝青混合料的動穩(wěn)定度

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

2.2.3 低溫抗裂性

為驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)試件，分析瀝青混合料的破壞應(yīng)變等力學(xué)參數(shù)。試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，加載設(shè)備為萬能試驗(yàn)機(jī)，不同類型瀝青混合料均設(shè)置6個平行試件。不同類型瀝青混合料的破壞應(yīng)變?nèi)鐖D5所示。

由圖5可知，鋼渣SMA-13的破壞應(yīng)變較普通SMA-13提高了11.7%；鋼渣SUP-13破壞應(yīng)變較普通SUP-13提高了4.1%。原因在于鋼渣與瀝青的黏結(jié)效果更優(yōu)，鋼渣的摻入使得瀝青用量増加，進(jìn)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(yīng)變

2.2.4 抗剪性

直接剪切試驗(yàn)與路面實(shí)際抗剪破壞應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)性較好。因此，可作為綜合評價瀝青混合料抗剪性的試驗(yàn)依據(jù)。設(shè)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(yīng)力作為試件的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。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(yīng)的普通瀝青混合料均有小幅度提升。

3 鋼渣瀝青路面應(yīng)用效果評價

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

3.1 試驗(yàn)路方案

根據(jù)實(shí)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(yàn)路段各300 m，其余路段為普通SMA-13和SUP-13瀝青路面。試驗(yàn)路段方案如表3所示。

表3 試驗(yàn)路段方案

3.2 試驗(yàn)段檢測結(jié)果分析

3.2.1 鋼渣SMA-13路面檢測結(jié)果

1)室內(nèi)試驗(yàn)

對現(xiàn)場取芯的鋼渣SMA-13開展抽提篩分試驗(yàn)和馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)。鋼渣SMA-13抽提篩分試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。鋼渣SMA-13馬歇爾試驗(yàn)結(jié)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(shù)(級配、油石比)和馬歇爾試驗(yàn)參數(shù)(穩(wěn)定度、流值、空隙率等)均滿足施工技術(shù)要求。

表4 鋼渣SMA-13抽提篩分試驗(yàn)結(jié)果 (%)

表5 鋼渣SMA-13馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2)現(xiàn)場檢測試驗(yàn)

鋪筑試驗(yàn)路段結(jié)束后，開展鋼渣SMA-13上面層路面壓實(shí)度、滲水系數(shù)、摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度等指標(biāo)檢測[12-13]。鋼渣SMA-13路面壓實(shí)度檢測結(jié)果如表6所示，鋼渣SMA-13路面現(xiàn)場檢測結(jié)果如表7所示。

表6 鋼渣SMA-13路面壓實(shí)度檢測結(jié)果

表7 鋼渣SMA-13路面現(xiàn)場檢測結(jié)果

由表6和表7可知，鋼渣SMA-13瀝青路面的兩種壓實(shí)度指標(biāo)均滿足相應(yīng)要求；其滲水系數(shù)、構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)均符合施工技術(shù)要求。

3.2.2 鋼渣SUP-13路面檢測結(jié)果

1)室內(nèi)試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范要求，對現(xiàn)場取芯的鋼渣SUP-13開展抽提篩分試驗(yàn)和馬歇爾試驗(yàn)，鋼渣SUP-13抽提篩分試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，鋼渣SUP-13馬歇爾試驗(yàn)結(jié)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(yàn)參數(shù)(空隙率、飽和度、穩(wěn)定度等)均滿足施工技術(shù)要求。

表8 鋼渣SUP-13抽提篩分試驗(yàn)結(jié)果 (%)

表9 鋼渣SUP-13馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2)現(xiàn)場檢測試驗(yàn)

鋪筑試驗(yàn)段結(jié)束后，開展鋼渣SUP-13路面壓實(shí)度、滲水系數(shù)、構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)等指標(biāo)檢測。鋼渣SUP-13路面壓實(shí)度檢測結(jié)果如表10所示，鋼渣SUP-13現(xiàn)場檢測結(jié)果如表11所示。

表10 鋼渣SUP-13路面壓實(shí)度檢測結(jié)果

表11 鋼渣SUP-13現(xiàn)場檢測結(jié)果

由表10和表11可知，鋼渣SUP-13瀝青路面兩種壓實(shí)度指標(biāo)均滿足相應(yīng)要求；其滲水系數(shù)、構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)均符合施工技術(shù)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(yàn)路段進(jìn)行了兩次跟蹤觀測。

1)試驗(yàn)路段現(xiàn)場調(diào)查

經(jīng)歷1年多的運(yùn)營期，試驗(yàn)路段的兩次跟蹤調(diào)查結(jié)果顯示，鋼渣SMA-13和鋼渣SUP-13路面整體狀況較好，在歷經(jīng)重載交通和冬雨季雙重考驗(yàn)后，目前無明顯車轍、裂縫等缺陷病害。

2)FWD檢測數(shù)據(jù)分析

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

圖7 不同類型瀝青路面的動態(tài)模量

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

4 鋼渣路面社會經(jīng)濟(jì)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(zhì)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的，南京地區(qū)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(tài)環(huán)境造成破壞，管理處置也耗費(fèi)了大量人力、物力和財(cái)力。

本試驗(yàn)將鋼渣應(yīng)用于道路工程建設(shè)領(lǐng)域，將鋼渣變廢為寶，實(shí)現(xiàn)了資源循環(huán)再利用，不僅緩解了石料資源的過度開挖問題，而且實(shí)現(xiàn)了社會與自然和諧可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。在工程建設(shè)領(lǐng)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(jīng)濟(jì)效益分析

道路工程建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)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(shè)成本費(fèi)用、工程營運(yùn)費(fèi)用和后期維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用等。本文主要從建設(shè)成本費(fèi)用方面開展鋼渣瀝青路面經(jīng)濟(jì)效益評價。為分析鋼渣瀝青路面經(jīng)濟(jì)性能，試驗(yàn)路段施工結(jié)束后，對4種瀝青混合料面層施工成本進(jìn)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(dǎo)致瀝青費(fèi)用較高。另外，鋼渣瀝青混合料的密度偏高，在機(jī)械費(fèi)方面也存在劣勢。但鋼渣在價格方面較玄武巖、石灰?guī)r具有較大的優(yōu)勢。經(jīng)綜合測算，鋼渣瀝青混合料綜合施工成本較常規(guī)瀝青混合料更具優(yōu)勢：每噸鋼渣SMA-13較普通SMA-13節(jié)省176.59元；每噸鋼渣SUP-13較普通SUP-13節(jié)省113.83元。

考慮到鋼渣瀝青混合料表現(xiàn)出的良好路用性能，部分技術(shù)指標(biāo)比普通瀝青混合料更加理想，特別是耐久性方面表現(xiàn)得更加突出，可預(yù)見鋼渣瀝青路面的工程營運(yùn)費(fèi)用和后期維護(hù)費(fèi)用會顯著低于普通瀝青路面。因此，將鋼渣材料應(yīng)用于瀝青路面建設(shè)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

(1)通過對鋼渣瀝青混合料各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行研究，結(jié)果表明鋼渣瀝青混合料在高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗剪性等方面較普通瀝青混合料具備優(yōu)勢，水穩(wěn)定性與普通瀝青混合料基本相當(dāng)。

(2)在后期跟蹤觀測中，鋼渣瀝青路面外觀質(zhì)量良好。鋼渣瀝青路面的動態(tài)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(shù)能提高路面的抗變形能力，進(jìn)一步驗(yàn)證了鋼渣瀝青路面的可行性和適用性。

(3)在工程建設(shè)領(lǐng)域，鋼渣作為一種替代型綠色環(huán)保道路建筑材料，實(shí)現(xiàn)了資源循環(huán)再利用；每噸鋼渣SMA-13、鋼渣SUP-13較普通瀝青混合料分別節(jié)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(guī)瀝青混合料具有一定優(yōu)勢。因此，將鋼渣材料應(yīng)用于瀝青路面中具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。