鋼渣瀝青混凝土水穩(wěn)定性能研究

王 坤

(江蘇現(xiàn)代路橋有限責任公司，南京 210018)

水損害是指瀝青混凝土路面在凍融循環(huán)或者水分子的作用下，基于車輪動態(tài)荷載，滲入路面孔隙的水分產(chǎn)生真空負壓抽吸或動水壓力的反復循環(huán)作用，水分逐步滲入瀝青與石料的交界面，導致瀝青黏附性逐步衰退，瀝青膜從集料表層脫落，瀝青混凝土松散脫落、掉粒，形成路面推擠變形、坑槽等損壞現(xiàn)象[1-2]。

國內(nèi)外研究表明，在瀝青混合料合理設計前提下，路面水損害和瀝青混合料不均勻性存在一定的關(guān)聯(lián)性，情況嚴重的區(qū)域可能會表現(xiàn)為水損害和泛油并存[3]。以鋼渣瀝青混凝土為例，鋼渣表面的粗糙性和多孔特性有助于鋼渣與瀝青產(chǎn)生黏附性，但鋼渣表面較高的含灰量卻對黏附性產(chǎn)生負面影響。

這兩種作用同時存在，造成鋼渣瀝青混凝土抵抗水損害的能力難以準確評估。另外，鋼渣瀝青混合料的耐久性被研究的較少，鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性機理還不明確。由于f-CaO(游離氧化鈣)的存在，鋼渣遇水時發(fā)生化學反應，會出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，鋼渣在瀝青薄膜包裹下表現(xiàn)的水損害情況還有待研究[4]。

基于此，本文將通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對鋼渣瀝青混凝土的水穩(wěn)定性能進行研究。

1 原材料和級配組成

本文采用的鋼渣為南鋼電爐渣，瀝青混合料的原料包括1#、2#、3#不同粒徑的鋼渣粗集料、4#玄武巖細集料、石灰?guī)r礦粉和SBS改性瀝青。

1.1 原材料及其特性

1.1.1 鋼渣集料

對鋼渣堆放場地的鋼渣原料進行篩分，篩除超粒徑鋼渣顆粒，剩余部分為1#(9.5～16.0 mm)、2#(4.75～9.5 mm)、3#(2.36～4.75 mm)和4#(0～2.36 mm)4檔，其中1#、2#和3#為粗集料，4#為細集料。

1.1.2 玄武巖細集料

本文采用的細集料為玄武巖細集料，4#玄武巖集料來自江蘇鎮(zhèn)江，SMA的4#玄武巖集料來自江蘇溧陽。對比1#、4#鋼渣集料和常用玄武巖、石灰?guī)r集料的表觀相對密度，集料表觀相對密度對比如圖1所示。

(a) 粗集料

(b) 細集料圖1 集料表觀相對密度對比注：圖中橫線表示規(guī)范要求下限

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)[5]要求用于表面層的粗集料的表觀相對密度下限為2.6；細集料的表觀相對密度下限為2.5。由圖1可知，鋼渣粗集料和細集料的表觀相對密度均滿足規(guī)范要求。

鋼渣粗集料壓碎值如圖2所示。

圖2 鋼渣粗集料壓碎值注：圖中橫線表示規(guī)范要求上限

由圖2可知，與玄武巖集料和石灰?guī)r集料相比，1#鋼渣集料的壓碎值略差，可能是因為1#鋼渣集料內(nèi)部存在較多的孔隙和囊狀結(jié)構(gòu)?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)[5]和《道路用鋼渣》(GB/T 25824—2010)[6]要求用于表面層的粗集料的壓碎值上限為26%，本文采用鋼渣集料的壓碎值符合規(guī)范要求。

1.1.3 鋼渣集料的膨脹特性

f-CaO含量決定了鋼渣的穩(wěn)定性，f-CaO與水反應生成Ca(OH)2(氫氧化鈣)。隨著Ca(OH)2含量增多，內(nèi)部應力逐漸增大，當內(nèi)部應力超過自身的結(jié)合力時，鋼渣可能會膨脹破碎，甚至粉化[4]。f-CaO 含量隨煉鋼工藝的不同而不同，在自然條件下f-CaO會逐漸消解，鋼渣的穩(wěn)定性逐漸提高。因此，鋼渣瀝青混凝土道路不能使用新鋼渣，新鋼渣需要經(jīng)歷陳化過程，可以采用鋼渣熱悶處理工藝快速處理鋼渣，以達到安全利用效果。鋼渣熱悶處理工藝是指在飽和蒸汽條件下，消除鋼渣中f-CaO和f-MgO(游離氧化鎂)，避免鋼渣由于水化體積膨脹現(xiàn)象對道路工程造成的危害。

選取同一級配的3個試件測定浸水膨脹率，鋼渣浸水膨脹率如圖3所示。

圖3 鋼渣浸水膨脹率

由圖3可知，試件1、2、3的浸水膨脹率(10 d)分別為1.08%、1.14%、1.10%，均值為1.11%，符合規(guī)范不大于2%的要求。本文采用的鋼渣堆放時間較長，在存儲過程中經(jīng)歷過自然雨水浸泡，同時，還會定期對鋼渣進行澆水處理，加速鋼渣中活性物質(zhì)消解，保證了鋼渣膨脹性。

1.1.4 填料

礦粉選用石灰?guī)r礦粉。礦粉理化性質(zhì)如表1所示。

表1 礦粉理化性質(zhì)

1.1.5 瀝青

本文選用SBS改性瀝青，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[7]進行性能測試，SBS改性瀝青技術(shù)性能如表2所示。

表2 SBS改性瀝青技術(shù)性能

1.2 級配組成

AC-13C設計級配如表3所示。SMA-13設計級配如表4所示。

表3 AC-13C設計級配 (%)

表4 SMA-13設計級配 (%)

2 試驗方法

目前，國內(nèi)外評價水穩(wěn)定性試驗方法的差異主要體現(xiàn)在[6-7]：①試件成型方式；②試件空隙率；③試驗環(huán)境，包括凍融循環(huán)和高溫浸水；④試驗指標選取，包括馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度、劈裂強度、抗壓強度和回彈模量等。

真空飽水條件下的凍融劈裂試驗雖然無法做到真實模擬瀝青路面水損害情況，但是在使用效果上滿足了瀝青路面遭受水損害所需要的條件，能夠讓瀝青混合料經(jīng)歷更為嚴峻的高、低溫考驗，檢測結(jié)果能夠反映各種瀝青混合料受水損害的影響程度。《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[7]中選取的就是此種方式。

本文選用凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗對比分析鋼渣瀝青混凝土AC-13C和SMA-13的水穩(wěn)定性。

由于4#鋼渣細集料吸水率較高，其配制的鋼渣瀝青混合料油石比偏高，經(jīng)濟性較差。因此，在鋼渣瀝青混凝土研究過程中，采用天然細骨料代替4#鋼渣細集料。

3 試驗結(jié)果

根據(jù)選取的級配和油石比，制備AC-13C和SMA-13鋼渣瀝青混凝土試件，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[7]要求開展凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗，水穩(wěn)定性試驗結(jié)果如表5所示。

表5 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果 (%)

由表5可知，用鋼渣粗集料配制的AC-13C、SMA-13鋼渣瀝青混凝土試件的凍融劈裂強度比和浸水殘留穩(wěn)定度均優(yōu)于規(guī)范要求。AC-13C鋼渣瀝青混凝土試件的水穩(wěn)定性能較好，凍融劈裂強度比為94.07%，浸水殘留穩(wěn)定度為93.80%。

對AC-13C和SMA-13鋼渣瀝青混凝土的水穩(wěn)定性開展精準評估，將其與多種類型瀝青混合料進行對比，這些瀝青混合料中最大的公稱粒徑為13.2 mm。鋼渣瀝青混凝土與普通瀝青混凝土水穩(wěn)定性對比[8-14]如表6所示。

由表6可知，各類型鋼渣瀝青混凝土凍融劈裂強度比和浸水馬歇爾穩(wěn)定度均達到較高水平。AC-13C鋼渣瀝青混凝土(①)的水穩(wěn)定性優(yōu)于玄武巖集料配制的SMA-13瀝青混凝土(⑦)的水穩(wěn)定性。

表6 鋼渣瀝青混凝土與普通瀝青混凝土水穩(wěn)定性對比 (%)

SUP-13鋼渣瀝青混凝土(⑤)的水穩(wěn)定性優(yōu)于玄武巖集料配制的SUP-13瀝青混凝土(⑥)的水穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

通過對SMA-13、 AC-13C鋼渣瀝青混凝土的水穩(wěn)定性開展測試，主要結(jié)論如下：

(1) AC-13C、SMA-13鋼渣瀝青混凝土的凍融劈裂強度比和浸水殘留穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求，AC-13C 鋼渣瀝青混凝土水穩(wěn)定性優(yōu)于SMA-13鋼渣瀝青混凝土。

(2) AC-13C鋼渣瀝青混凝土(①)的水穩(wěn)定性優(yōu)于玄武巖集料配制的SMA-13(⑦)瀝青混凝土的水穩(wěn)定性。

(3) SUP-13鋼渣瀝青混凝土(⑤)的水穩(wěn)定性優(yōu)于玄武巖集料配制的SUP-13瀝青混凝土(⑥)的水穩(wěn)定性。

(4) 鋼渣中含有f-CaO，該物質(zhì)遇水膨脹是導致鋼渣膨脹的主要因素。因此，在應用于道路工程時，應對鋼渣原料的膨脹性能進行準確測試，避免服役期鋼渣膨脹對瀝青路面造成損傷。