新型筑路材料在公路路面工程的試驗(yàn)檢測(cè)分析

張 璠，申鐵軍

(1.山西路橋第七工程有限公司，山西 晉城 048000；2.山西路橋集團(tuán)晉南項(xiàng)目管理有限公司，山西 太原 030006)

0 前 言

新型筑路材料近年來(lái)在山西省公路建設(shè)中得到大面積推廣應(yīng)用，如鋼渣全組分梯級(jí)利用技術(shù)將鋼渣制備成高等級(jí)瀝青路面用優(yōu)質(zhì)集料，實(shí)現(xiàn)了鋼渣100%全組分利用。2015年中國(guó)建材聯(lián)合會(huì)專(zhuān)家評(píng)審會(huì)一致認(rèn)為，該技術(shù)為國(guó)際先進(jìn)水平。根據(jù)鋼渣粒徑分布的規(guī)律，進(jìn)行了基于AC-16、AC-13> SMA-13 級(jí)配類(lèi)型的初步配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)以及鋼渣瀝青混合料的路用性能試驗(yàn)，包括體積穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能、高溫穩(wěn)定性能及低溫抗裂性能、抗疲勞開(kāi)裂性能等；同時(shí)還針對(duì)鋼鐵尾渣的環(huán)境影響進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)。一系列的研究成果表明鋼渣可用于瀝青路面抗滑表面層的設(shè)計(jì)與制備中。國(guó)內(nèi)其他單位也針對(duì)鋼渣在瀝青路面中的應(yīng)用開(kāi)展研究工作。

1 新型筑路材料應(yīng)用實(shí)例

1.1 土凝巖技術(shù)簡(jiǎn)介

土凝巖是通過(guò)對(duì)赤泥、煤矸石等工業(yè)廢渣研磨，摻入一定比例的活性劑配合而成，終凝時(shí)間超過(guò)10 h(具體時(shí)間還可根據(jù)施工需要進(jìn)行調(diào)整)，作為對(duì)筑路材料的改良，土凝巖的干縮系數(shù)、溫縮系數(shù)均小于水泥穩(wěn)定土，不容易產(chǎn)生開(kāi)裂，抗?jié)B、抗凍抗壓、抗沖刷性均明顯提高。土凝巖的強(qiáng)度要高于石灰穩(wěn)定土[1]。

1.2 工程應(yīng)用實(shí)例

山西省隰縣至吉縣高速公路路面原設(shè)計(jì)底基層為水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)，現(xiàn)采用新型筑路材料，底基層用土凝巖穩(wěn)定煤矸石代替50%以上碎石(僅做試驗(yàn)段)，路面原設(shè)計(jì)面層為瀝青混凝土，現(xiàn)用鋼渣代替50%以上碎石，成為鋼渣瀝青混凝土(大面積施工應(yīng)用)。此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用屬于固體廢渣再利用，不僅節(jié)約能源，降低能耗，而且消除污染，環(huán)保意義重大，在山西臨汾地區(qū)社會(huì)反響巨大。

2 土凝巖穩(wěn)定煤矸石基層(底基層)

2.1 土凝巖穩(wěn)定煤矸石的設(shè)計(jì)思路

依據(jù)煤矸石：土質(zhì)量比為60%∶40%的比例進(jìn)行拌合，土凝巖摻配比例為10%和12%兩種。土凝巖摻配采用外摻法。

2.2 土凝巖穩(wěn)定煤矸石室內(nèi)試驗(yàn)

2.2.1 土的基本物理性質(zhì)

依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)，釆用篩分法和液塑限聯(lián)合測(cè)定法，分別測(cè)得土的顆粒分析和液限、塑限以及塑性指數(shù)，最終確定該土為：液限ωL為27.0%，塑限ωp為17.8%，塑性指數(shù)為9.2，顆粒分析見(jiàn)表1。

表1 顆粒分析表

2.2.2 煤矸石的物理性質(zhì)

依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)對(duì)煤矸石進(jìn)行篩分試驗(yàn)和壓碎值試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2～3。

2.2.3 穩(wěn)定煤矸石的試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)，膠凝材料釆用土凝巖。并調(diào)整原材料的級(jí)配，煤矸石：土質(zhì)量比為60%∶40%。依據(jù)設(shè)計(jì)思路，本次方案釆用土凝巖為10%、12%兩種摻量進(jìn)行試驗(yàn)，摻配釆用外摻法，試驗(yàn)數(shù)據(jù)判定依《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3610—2019)。試驗(yàn)項(xiàng)目為土凝巖原材料試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)、標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)延遲試驗(yàn)、7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

1)土凝巖混合料試驗(yàn)。依據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)對(duì)土凝巖混合料(煤矸石∶土為60%∶40%)進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)、劑量標(biāo)定、擊實(shí)延遲試驗(yàn)、7 d、28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下：摻量12%時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度4.17 MPa，最佳含水率8.4%，最大干密度1.98 g/cm3；摻量10%時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度3.74 MPa，最佳含水率8.7%，最大干密度2.00 g/cm3

2)擊實(shí)試驗(yàn)。將烘干的煤矸石按四分法取樣，稱(chēng)取一定質(zhì)量與土按質(zhì)量比60∶40的比例拌和拌和均勻，依次拌和5份試樣，按提前計(jì)算好的含水率依次加入再次拌合均勻，最后裝袋悶料12 h。悶料結(jié)束后，將土凝巖按摻量比例稱(chēng)好并拌合均勻進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)束后得出最大干密度和最佳含水率用于后期計(jì)算試件質(zhì)量及試件含水率[2]。

3)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件成型及養(yǎng)護(hù)。按擊實(shí)結(jié)果計(jì)算出的干密度和含水率將煤矸石、土和一定質(zhì)量的水拌合均勻，悶料12 h，悶料結(jié)束后，按摻配比例稱(chēng)取土凝巖的質(zhì)量，再進(jìn)行拌合，之后按擊實(shí)結(jié)果計(jì)算得出的單個(gè)試件質(zhì)量進(jìn)行裝料并成型試件。試件成型結(jié)束，靜置2 h后進(jìn)行脫模，脫模后記錄編號(hào)、試件質(zhì)量并裝入塑料袋放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)生6 d，第7天取出泡在20℃±2℃水中靜置24 h，水面高于試件頂面2.5 cm。泡水結(jié)束后擦干試件表面水分稱(chēng)取試件質(zhì)量并立即進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)[3]。

2.2.4 初步試驗(yàn)結(jié)果分析

1)7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。土凝巖穩(wěn)定煤矸石(煤矸石∶土質(zhì)量比=60%∶40%，土凝劑含量10%)7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.74 MPa；土凝巖穩(wěn)定煤矸石(煤矸石∶土質(zhì)量比=60%∶40%，土凝劑含量10%)7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.17 MPa。相比原設(shè)計(jì)水泥穩(wěn)定碎石，土凝巖穩(wěn)定煤矸石7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)滿(mǎn)足要求。

2)其他指標(biāo)(如壓實(shí)度、彎沉等)需試驗(yàn)段鋪筑后進(jìn)行驗(yàn)證。

3 鋼渣瀝青混凝土面層

3.1 鋼渣瀝青混凝土特性研究

1)鋼渣資源分布與材料特性研究。研究山西臨汾及其周邊地區(qū)代表性鋼渣材料的產(chǎn)量、處理工藝及特性，具體包括：鋼鐵尾渣原渣的密度、游離氧化鈣含量、游離氧化鎂含量、集料特性指標(biāo)、吸水率、膨脹率等。探討鋼渣材料性能的影響規(guī)律，提出瀝青路面用鋼渣集料的質(zhì)量控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2)鋼渣集料制備及其在瀝青混合料中的研究。鋼鐵渣制備道路工程用集料的制備工藝研究，分析鋼鐵渣原渣粒徑與陳化時(shí)間；破碎及集料均質(zhì)化設(shè)備選型與工藝優(yōu)化；鋼鐵渣集料技術(shù)規(guī)范。開(kāi)展鋼渣瀝青磨耗層混合料配合比設(shè)計(jì)，通過(guò)研究大摻量鋼渣瀝青混合料的組成設(shè)計(jì)方法，分析鋼渣在混合料多級(jí)分散體系中最佳應(yīng)用組成，提出控制鋼渣與天然集料因比重差異產(chǎn)生級(jí)配變異的方法。

3)鋼渣瀝青混合料性能研究。開(kāi)展鋼渣瀝青混合料力學(xué)與耐久性能研究，具體研究?jī)?nèi)容包括：鋼渣集料對(duì)瀝青混合料力學(xué)強(qiáng)度特征；鋼渣瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能、低溫抗開(kāi)裂性能、抗疲勞性能以及抗水損害性能、鋼渣瀝青混合料抗滑耐磨性能

4)鋼渣環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究。開(kāi)展鋼鐵渣環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究，具體內(nèi)容包括：鋼渣的重金屬毒性浸出試驗(yàn)研究、鋼渣瀝青混合料的重金屬浸出試驗(yàn)研究。

5)鋼渣瀝青路面施工特性及試驗(yàn)段跟蹤觀測(cè)研究。研究鋼渣瀝青混凝土的施工特性，分析鋼渣的有效運(yùn)距、拌合工藝參數(shù)及最佳碾壓溫度，探究其與普通瀝青混凝土施工工藝的區(qū)別，提出鋼渣瀝青路面抗滑表層施工技術(shù)。鋪筑鋼渣瀝青混凝土面層試驗(yàn)段，進(jìn)行跟蹤觀察檢測(cè)，為鋼渣瀝青路面在山西臨汾地區(qū)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐[4]。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

1)從鋼渣的多孔結(jié)構(gòu)、表面形貌以及與瀝青的粘附特性角度出發(fā)，揭示鋼渣微觀性能與瀝青混合料宏觀抗滑耐磨性能之間的內(nèi)在聯(lián)系、影響因素與作用機(jī)理。

2)從鋼渣瀝青混合料材料組成設(shè)計(jì)與制備方法入手，解決嚴(yán)酷自然條件及交通狀況下傳統(tǒng)瀝青混合料抗滑性能與抗水損害性能差的問(wèn)題，顯著改善瀝青混凝土的服役性能，延長(zhǎng)服役壽命。

3)從鋼渣資源化角度入手，解決大摻量鋼渣與瀝青混凝土耐久性能之間的適應(yīng)性問(wèn)題，改善瀝青混凝土抗滑耐磨性能的同時(shí)，兼顧改善瀝青混合料的高低溫性能以及疲勞性能。

3.3 研究采用的技術(shù)路線(xiàn)與實(shí)施方案

結(jié)合山西省隰吉高速公路建設(shè)工程實(shí)際，技術(shù)路線(xiàn)與實(shí)施方案如下。

1)掌握山西省臨汾地區(qū)潛在鋼渣資源狀況與材料特性，重點(diǎn)針對(duì)鋼渣的體積不穩(wěn)定性以及其微觀特性與瀝青粘附性之間的關(guān)系開(kāi)展研究工作。

2)在解決鋼渣體積穩(wěn)定性問(wèn)題的基礎(chǔ)上，以鋼渣骨料嵌擠結(jié)構(gòu)特征、鋼渣瀝青混合料中有效瀝青含量、基于重載交通的抗滑耐磨長(zhǎng)壽命鋼渣瀝青混合料的要求，開(kāi)展鋼渣瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作。

3)以鋼渣瀝青混合料優(yōu)化配合比為指導(dǎo)，以鋼渣與瀝青之間的粘附機(jī)理為理論基礎(chǔ)，開(kāi)展鋼渣瀝青混合料的耐久性研究工作。

4)以伴生有害元素的輸入、固化、遷移特性為基礎(chǔ)，開(kāi)展全過(guò)程的鋼渣瀝青混合料環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，山西省隰吉高速公路已普遍應(yīng)用試驗(yàn)云檢系統(tǒng)、拌合站預(yù)警系統(tǒng)，掌握原材料及關(guān)聯(lián)實(shí)體工程質(zhì)量動(dòng)態(tài)，推進(jìn)材料管控信息化、科學(xué)化、智能化。

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