鄧玉訓(xùn),張韜宇,琚貴安,高 萍,郭云開(kāi),蔡潯泉,姚佳良
(1.九江市公路管理局,江西 九江 332500;2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410114)
目前,已有將鋼渣用于瀝青混合料中的大研究,但將鋼渣用于碎石封層的研究相對(duì)較少。鋼渣是鋼鐵工業(yè)煉鋼過(guò)程中的副產(chǎn)物,是由造渣材料、冶煉反應(yīng)物、侵蝕脫落的爐體、補(bǔ)爐材料、金屬爐料帶入的雜質(zhì)和為調(diào)整鋼渣性質(zhì)而特意加入的造渣材料所組成的固體渣體[1]。鋼渣的產(chǎn)量為煉鋼量的10%~15%,如果不加以利用或者回收的話,不利于環(huán)境保護(hù),同時(shí)也是對(duì)資源的浪費(fèi)。以前,中國(guó)對(duì)于鋼渣的綜合利用重視不夠,大多采用堆積的方式,這樣的處理措施不僅對(duì)環(huán)境造成了較嚴(yán)重的負(fù)面影響,也占用了大量的土地空間。王雅婷[2]對(duì)SMA-10和SAC-10鋼渣瀝青混合料進(jìn)行了高溫穩(wěn)定性檢驗(yàn),獲得了鋼渣的最佳摻量,又由鋼渣瀝青混合料的低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及抗滑性試驗(yàn)結(jié)果,判斷鋼渣集料可以用于瀝青超薄抗滑磨耗層。孫家瑛等[3]通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)、車(chē)轍試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),鋼渣微粉的摻入能改善瀝青與集料的黏附性和瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,并能提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性和瀝青路面的抗車(chē)轍老化能力。王鑫[4]通過(guò)對(duì)不同鋼渣摻配比例下瀝青磨耗層的路用性能進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)鋼渣瀝青磨耗層的優(yōu)越性。本文主要研究摻入鋼渣的碎石封層配合比和路用性能,探索鋼渣對(duì)封層性能的影響規(guī)律,并提出建議配合比,從而為摻鋼渣碎石封層的技術(shù)推廣和工程應(yīng)用提供參考,也可為鋼鐵企業(yè)提供一種新的鋼渣再利用的途徑,具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
結(jié)合文獻(xiàn)[5]和摩爾-庫(kù)倫理論可知,碎石封層抗剪能力的大小主要是由碎石與瀝青的黏結(jié)、碎石間的嵌擠作用決定的,若瀝青與集料的黏附力小,會(huì)導(dǎo)致碎石在外力作用下從碎石封層表面脫落?;谝陨戏治觯疚膮⒖紴r青路面施工技術(shù)規(guī)范的要求[6],選用SBS改性瀝青作為膠結(jié)料。其主要性能見(jiàn)表1。
表1 SBS瀝青性能
碎石在碎石封層中是主要材料,其性能在很大程度上影響碎石封層的效果。鋼渣與一般碎石存在差異,因此從物理特性、幾何特性、力學(xué)特性和與瀝青的黏附性角度,比較鋼渣與一般碎石的性能差別,從碎石技術(shù)性能層次初步分析鋼渣是否可用于碎石封層[7]。鋼渣的化學(xué)成分見(jiàn)表2,其中活性f-CaO較少,穩(wěn)定性容易控制。輝綠巖及鋼渣的性能見(jiàn)表3,由表3可知鋼渣部分性能優(yōu)于輝綠巖性能。鋼渣和輝綠巖的表面形態(tài)見(jiàn)圖1、2。
表2 鋼渣的化學(xué)成分
表3 集料性能
圖1 鋼渣表面
圖2 輝綠巖表面
依據(jù)依托工程的情況,結(jié)合同步碎石封層的設(shè)計(jì)規(guī)范[8-9],取2種單一粒徑的集料,均為輝綠巖,粒徑范圍分別為5~10mm、10~15mm。輝綠巖級(jí)配見(jiàn)表4,鋼渣級(jí)配見(jiàn)表5。
本文考慮初步配合比設(shè)計(jì)采用的2種級(jí)配,將鋼渣中4.75~16.0mm的部分單獨(dú)篩分出來(lái)。由于鋼渣的級(jí)配在9.5、13.2、16.0mm 這幾檔無(wú)法和10~15mm輝綠巖的級(jí)配匹配,故單獨(dú)將這幾檔篩出,按照比例合成與10~15mm的輝綠巖相近的級(jí)配。
表4 輝綠巖級(jí)配
表5 鋼渣級(jí)配
本文在參考已有工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用碎石封層層間力學(xué)性能指標(biāo)控制其配合比,建立基于鋼渣碎石封層路用性能的優(yōu)化配合比[10-11]。
本依托工程項(xiàng)目位于G319線江西省九江市瑞昌段,根據(jù)工程實(shí)際情況,以原材料試驗(yàn)結(jié)果中輝綠巖的性能參數(shù)為基礎(chǔ),選擇SBS改性瀝青,對(duì)比碎石為輝綠巖。確定以下4種影響因素:瀝青用量、碎石用量、鋼渣摻量、碎石粒徑。目前碎石封層相關(guān)規(guī)范和其他文獻(xiàn)配合比參數(shù)如表6所示。
表6 碎石封層參數(shù)統(tǒng)計(jì)
綜合工程經(jīng)驗(yàn)法和本依托工程項(xiàng)目要求初步確定各參數(shù)范圍。
(1)碎石粒徑確定為5~10mm和10~15mm兩種。
(2)碎石用量初步確定為6、8、10kg·m-2。
(3)碎石粒徑增大,瀝青灑布量也增大,所以對(duì)應(yīng)2種粒徑分別有2種瀝青范圍:5~10mm粒徑對(duì)應(yīng)的SBS改性瀝青灑布量為1.2、1.4、1.6kg·m-2;10~15mm粒徑對(duì)應(yīng)的SBS改性瀝青灑布量為1.4、1.6、1.8kg·m-2。
(4)因?yàn)殇撛幸欢ㄅ蛎浶裕疚母鶕?jù)膨脹率試驗(yàn)結(jié)果和依托項(xiàng)目鋼渣特點(diǎn),初次考慮應(yīng)用于封層,減少工程風(fēng)險(xiǎn),限制取代量不超過(guò)40%。在得到初步配合比之后,將碎石集料按等體積1∶1替換,采用摻入20%、30%、40%的鋼渣3種方案。
對(duì)摻鋼渣的碎石封層進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí),參考同步碎石封層層間黏結(jié)性能的含義,把層間抗剪和層間抗拉拔作為配合比設(shè)計(jì)的指標(biāo)[12-14],故本文采用剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)其進(jìn)行測(cè)定評(píng)價(jià)。
(1)摻5~10mm鋼渣碎石封層的剪切力與拉拔力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。從表7可以看出,當(dāng)碎石撒布量為8kg·m-2,瀝青用量為1.4kg·m-2、鋼渣摻量為30%時(shí),碎石封層的剪切力和拉拔力處于最佳。
表7 摻5~10mm鋼渣碎石封層的剪切力與拉拔力
(2)摻10~15mm碎石封層的剪切力與拉拔力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。從表8可以看出,當(dāng)碎石撒布量為8kg·m-2、瀝青用量為1.6kg·m-2、鋼渣摻量為30%時(shí),碎石封層的剪切力和拉拔力處于最佳。綜合表7、8試驗(yàn)結(jié)果可知,鋼渣的摻入對(duì)碎石封層的層間黏結(jié)性有一定的促進(jìn)作用,主要體現(xiàn)在:抗剪力的提升十分明顯,呈上升趨勢(shì);在抗拉拔方面,鋼渣帶來(lái)的效果雖然沒(méi)有前者好,但也有一定的提升。
表8 摻10~15mm鋼渣碎石封層的剪切力與拉拔力
由正交矩陣計(jì)算法確定2種粒徑碎石封層的配合比,然后分別測(cè)定其滲水系數(shù),結(jié)果見(jiàn)表9。
表9 兩種粒徑配比碎石封層的滲水系數(shù)
由表9可知,摻2種粒徑鋼渣的碎石封層優(yōu)選的配合比均滿足滲水系數(shù)要求,由于粒徑為5~10 mm的滲水系數(shù)更低,且碎石封層的防水是其重要功能,所以選取5~10mm粒徑的優(yōu)選配比作為初步配合比設(shè)計(jì)結(jié)果。
同步碎石封層的路用性能包括防水性能、抗滑性能等,由于鋼渣的加入可能產(chǎn)生穩(wěn)定性問(wèn)題,本文在路用性能方面增加了鋼渣混合料的膨脹率試驗(yàn)。通過(guò)制作試件,分別進(jìn)行滲水試驗(yàn)、構(gòu)造深度試驗(yàn)以及浸水膨脹性試驗(yàn),探索鋼渣的加入對(duì)碎石封層路用性能的影響規(guī)律。
碎石封層的主要作用之一就是防止水從路面滲入基層,因此碎石封層加入鋼渣后防水性能如何,是考察鋼渣能否部分替代集料的重要標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮試驗(yàn)重復(fù)操作的難易性,本項(xiàng)目擬在室內(nèi)鋪筑摻鋼渣的碎石封層,利用路面便攜式滲水儀測(cè)定其滲水系數(shù),從而評(píng)價(jià)鋼渣的摻入量和粒徑對(duì)碎石封層滲水性能產(chǎn)生的影響。
3.1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
(1)成型試件的碎石封層材料的組成參數(shù)見(jiàn)表10。
表10 摻鋼渣碎石封層防水性能試驗(yàn)參數(shù)
(2)試驗(yàn)步驟:用車(chē)轍板試模成型基層試件,再在其上撒布碎石封層;以同樣的方法成型試件,碎石封層的鋼渣摻量分別為0、10%、20%、30%、40%;將路面用便攜式滲水儀置于各試件上,測(cè)定對(duì)應(yīng)的滲水系數(shù)并分析。
計(jì)算時(shí)以水面從100mL下降到500mL所需的時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算公式如下。
式中:Cw為路面滲水系數(shù)(mL·min-1);V1為第1次計(jì)時(shí)的水量(mL);V2為第2次計(jì)時(shí)的水量(mL);t1為第1次計(jì)時(shí)的時(shí)間(s);t2為第二次計(jì)時(shí)的時(shí)間(s)。
3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果在圖上描出各點(diǎn),然后進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)二次曲線擬合程度較高,如圖3所示。
由圖3可以發(fā)現(xiàn):碎石封層采用2種粒徑時(shí),均滿足碎石封層的滲水系數(shù)要求(小于20mL·min-1),隨著鋼渣摻量的增加,碎石封層的滲水系數(shù)下降,但是當(dāng)鋼渣摻量大于30%后,繼續(xù)增加鋼渣的摻量,滲水系數(shù)反而增大。對(duì)于5~10mm粒徑的碎石封層,鋼渣最佳摻量為24.5%;對(duì)于10~15mm粒徑的碎石封層,鋼渣最佳摻量為27.0%;且摻5~10 mm鋼渣的碎石封層的滲水系數(shù)比10~15mm更小,即5~10mm碎石封層具有更好的防水性能。
鋼渣的摻入可改善碎石封層的防水性能,其原因可能在于鋼渣與瀝青黏結(jié)料能更好地結(jié)合,所以形成的封層結(jié)構(gòu)對(duì)水的侵蝕具有更強(qiáng)的抵抗力。小粒徑的碎石封層比大粒徑的具有更好的防水性能,這可能是由于:小粒徑的碎石封層具備了更加密集的排列,使得封層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度更好;而且小粒徑的碎石封層中鋼渣與瀝青的結(jié)合面更多,加上鋼渣與瀝青結(jié)合更穩(wěn)固,粒徑為5~10mm時(shí)防水性能較優(yōu)。
圖3 鋼渣摻量及粒徑對(duì)滲水系數(shù)的影響
上封層有抗滑要求,下封層的抗滑性能好,可反映面層與下封層的層間摩擦力較大,即層間連續(xù)性較好,符合瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范的模型假設(shè),因此本文擬開(kāi)展封層抗滑性研究。李曦[15]研究了不同構(gòu)造深度對(duì)碎石封層界面抗剪強(qiáng)度的影響,得出結(jié)論:構(gòu)造深度越大,碎石封層界面的最大抗剪強(qiáng)度也越大。構(gòu)造深度是從宏觀角度評(píng)價(jià)碎石封層的抗滑性能,本文采取測(cè)試碎石封層試件構(gòu)造深度的方法,研究鋼渣摻量及粒徑對(duì)碎石封層抗滑性能的影響。
3.2.1 試驗(yàn)方法
(1)用車(chē)轍板試模先成型基層試件,然后在其上鋪設(shè)碎石封層并進(jìn)行5次碾壓。
(2)以同樣的方法成型試件,碎石封層的鋼渣摻量分別為0、10%、20%、30%、40%。
(3)采用手工鋪砂法測(cè)定各試件的構(gòu)造深度并分析。
按式(2)計(jì)算表面構(gòu)造深度。
式中:TD為路表面構(gòu)造深度(mm);V 為砂的體積(cm3);D為推平后砂堆的平均直徑(mm)。
3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,線性擬合具有較高擬合度,擬合曲線如圖4所示。
圖4 鋼渣摻量及粒徑對(duì)構(gòu)造深度的影響
由圖4可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)碎石封層采用2種粒徑時(shí),鋼渣的摻量與碎石封層的構(gòu)造深度成線性關(guān)系,隨著鋼渣摻量的增加,碎石封層的構(gòu)造深度不斷增大,鋼渣的加入對(duì)碎石封層的構(gòu)造深度有提升作用;5~10mm鋼渣碎石封層的構(gòu)造深度比10~15mm稍小,10~15mm的碎石封層比5~10mm具有更好的抗滑性能。
鋼渣替代碎石集料用于封層中能有效增加碎石封層的抗滑性能,這是因?yàn)殇撛陨淼亩嗫滋匦詫?dǎo)致表面粗糙,而且鋼渣的顆粒較為整齊,長(zhǎng)寬尺寸較接近,所以集料接觸面也比普通集料大。
根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)對(duì)鋼渣瀝青混合料的膨脹率進(jìn)行測(cè)定,計(jì)算公式見(jiàn)式(3)。按照選定的 AC-16級(jí)配,以0、10%、20%、30%、40%比例摻入對(duì)應(yīng)粒徑的鋼渣,通過(guò)擊實(shí)成型的方法制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件,分別測(cè)定它們的初始體積V1。將試件放在圖5的恒溫水箱中,在60℃±1℃浸泡72h,測(cè)定浸水后體積V2。
式中:C為鋼渣瀝青混合料的膨脹率(%);V1為浸泡養(yǎng)生前的試件體積(cm3);V2為浸泡養(yǎng)生后試件的體積(cm3)。
鋼渣摻量及粒徑對(duì)體積膨脹率的影響如圖6所示。
由圖6可以發(fā)現(xiàn):碎石封層在采用2種鋼渣粒徑的情況下,鋼渣的摻量與體積膨脹率成線性關(guān)系,隨著鋼渣摻量的增加,體積膨脹率不斷上升,但是均未超出規(guī)范要求(1.5%)。
圖5 試件放入恒溫水箱
通過(guò)對(duì)比圖6兩種鋼渣粒徑碎石封層的膨脹率可以發(fā)現(xiàn),鋼渣粒徑為5~10mm的體積膨脹率比10~15mm更低,故得出:當(dāng)路面結(jié)構(gòu)所在環(huán)境中可能存在較多水分時(shí),選用粒徑為5~10mm的鋼渣較合適。
(1)基于工程經(jīng)驗(yàn)法,結(jié)合依托工程,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析得到最優(yōu)方案為:摻5~10mm鋼渣碎石的撒布量為8kg·m-2,瀝青用量為1.4kg·m-2,鋼渣摻量為30%。
(2)由剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)證明,對(duì)于碎石封層脫層問(wèn)題,摻入一定量的鋼渣是有效的,鋼渣的摻入對(duì)碎石封層的抗剪切效果有較大的提升,對(duì)提高抗拉拔能力也有幫助。
(3)通過(guò)對(duì)碎石封層各路用性能的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合后,得到了近似的函數(shù)表達(dá)式,初步獲得了鋼渣摻量和粒徑對(duì)碎石封層路用性能(滲水系數(shù)、構(gòu)造深度以及浸水膨脹率)的影響規(guī)律:鋼渣的摻量與滲水系數(shù)成二次曲線關(guān)系;隨著鋼渣摻量的增加,碎石封層的構(gòu)造深度也隨之增大,且摻量與封層構(gòu)造深度成線性關(guān)系;鋼渣的加入使鋼渣瀝青混合料體積膨脹性增大,在本文的摻量下,鋼渣瀝青混合料膨脹率均符合要求。