鋼渣瀝青混合料在車轍病害中應(yīng)用試驗研究

賀曉銘，張振龍

（1 河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，河南鄭州 450046；2 貝卡爾特應(yīng)用材料科技（上海）有限公司，上海 200131）

0 引言

鋼渣是煉鋼中產(chǎn)生的固體廢物，國外鋼渣利用技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)多元化趨勢，而目前國內(nèi)鋼渣利用率僅為20%，存在堆棄侵占土地、資源浪費等問題。因此，在我國“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略背景下，研究鋼渣集料綜合應(yīng)用技術(shù)，擴大鋼渣應(yīng)用領(lǐng)域和提高其利用效率勢在必行。國內(nèi)對鋼渣集料性能及應(yīng)用研究可歸納為以下4 個方面：（1）鋼渣應(yīng)用材料研究。馬孟臣等[1]研究了鋼渣對耐磨混凝土強度、內(nèi)部界面結(jié)合的影響；任新濤等[2]研究了不同質(zhì)量分數(shù)的鋼渣微粉對復(fù)合膠凝材料性能的影響規(guī)律；袁高明等[3]進行了半柔性鋼渣路面材料性能研究；（2）鋼渣混合料性能研究。林浩東等[4]對不同摻量的鋼渣粉瀝青混合料高低溫性能、水穩(wěn)定性能進行研究；牛永宏等[5]對不同鋼渣摻量瀝青混合料進行高低溫性能試驗及疲勞試驗，研究其高低溫及疲勞特性；申愛琴等[6]研究了鋼渣瀝青混合料在不同鋼渣摻量、荷載和溫度條件下的抗滑性能衰減規(guī)律；高振鑫等[7]采用三個指標(biāo)對不同鋼渣摻量的瀝青混合料水穩(wěn)定性進行評價；孫吉書等[8]研究了鋼渣在SBS改性瀝青路面感應(yīng)熱自修復(fù)技術(shù)的可行性；（3）基于路用性能的不同鋼渣瀝青混合料研究[9-12]；（4）鋼渣混合料路面面層、基層應(yīng)用研究[13-15]。從以上研究可知，鋼渣瀝青混合料應(yīng)用于路面車轍病害研究較少，因此本文在“雙碳”戰(zhàn)略及工業(yè)材料低碳高效利用背景下，以某鋼廠鋼渣為樣本，創(chuàng)新鋼渣高效生產(chǎn)加工工藝，分析鋼渣瀝青混合料用于試驗段路面車轍病害處治后的路用性能指標(biāo)，以期緩解優(yōu)質(zhì)筑路石料匱乏問題，實現(xiàn)工業(yè)固廢的再生循環(huán)利用。

1 鋼渣作為路面材料的性能優(yōu)勢及技術(shù)問題

1.1 耐磨性能和強度優(yōu)良

鋼渣中鐵的硬度和強度，決定了鋼渣中含有純鐵的物質(zhì)屬于耐磨物質(zhì)。MgO·2FeO 是在煉鋼爐的高溫條件下形成的固溶體，晶體結(jié)構(gòu)致密，且更具有金屬質(zhì)材料的特性，也屬于鋼渣的耐磨相。鋼渣中的主要耐磨相除了含有純鐵物質(zhì)的礦物組織以外，RO 相與含鐵的鐵酸鈣、尖晶石相也是鋼渣中的耐磨相。因此，鋼渣集料具有優(yōu)異的耐磨性能，可增強道路路面防滑性，提高行車安全性。

鋼渣在外部環(huán)境共同作用下發(fā)生水化和氧化反應(yīng)。首先是CaO、MgO、水和CO2反應(yīng)，生成CaCO3、MgCO3；同樣，SiO2與水以及鋼渣中的鈣、鎂離子發(fā)生反應(yīng)生成硅酸鹽化合物。通過化學(xué)反應(yīng)分子結(jié)構(gòu)重新組合，從而使處于松散狀的鋼渣顆粒凝聚成牢固的整體，板結(jié)成塊達到較高的強度。鋼渣集料與天然碎石集料性能對比如表1 所示。

表1 鋼渣集料與天然碎石集料性能對比

1.2 體積穩(wěn)定性不良

鋼渣中含有游離f-CaO、f-MgO，水化反應(yīng)生成Ca（OH）2和Mg（OH）2，體積膨脹。鋼渣中的C2S 是一種多晶礦物，在鋼渣冷卻過程中，其晶型由β型向γ型轉(zhuǎn)變，使體積增大，易導(dǎo)致路面破損、混凝土開裂。

1.3 粒徑均質(zhì)性差

選取某鋼渣場5 處位置進行粒度級配測試，結(jié)果顯示粒徑區(qū)間主要為0.075～75mm，且粒徑主要集中于4.75～37.5mm 區(qū)間。1中、2 上、1 下三處粒徑篩分曲線在＜4.75mm 范圍具有較好的重疊性，5 中、1 上、1 下、3 上、4 中五處粒徑篩分曲線在＜9.5mm 范圍具有較好的重疊性（圖1）。經(jīng)過樣本級配曲線分析，對于鋼渣樣本＞10mm 粒徑范圍，其質(zhì)量百分比在不同位置和空間分布具有較大的差異，表明渣場鋼渣粒徑空間分布均質(zhì)性不佳。鋼渣原始材料樣本粗，細集料粒徑規(guī)格均不能滿足路面鋼渣集料公稱粒徑要求，需對其采取破碎、磨耗整形、篩分等工序，實現(xiàn)最大化粒度利用。

圖1 不同位置鋼渣樣本級配曲線

1.4 軟弱顆粒特點

軟弱顆粒的存在會影響鋼渣的力學(xué)性能，經(jīng)試驗表明（圖2），鋼渣集料的壓碎值與軟弱顆粒含量呈線性相關(guān)，說明隨著鋼渣中軟弱顆粒質(zhì)量分數(shù)的增加，其抵抗壓碎的能力逐步減弱。因此，鋼渣作為集料使用時必須剔除軟弱顆粒，確保鋼渣集料具有較高的抵抗壓碎和耐磨耗的性能。

圖2 軟弱顆粒含量與壓碎值相關(guān)曲線

2 鋼渣集料加工處理工藝研究

2.1 高效振動鄂式破碎對鋼渣粒徑分布的影響

對5 處鋼渣樣本隨機選取2 處進行鄂式破碎，破碎后粒徑范圍可達到31.5mm 以下，并且高效提高＞4.75mm 范圍粒徑的篩分通過率，同時還降低了0～20mm 粒徑范圍質(zhì)量百分比的變異系數(shù)，尤其5～15mm 粒徑范圍變異系數(shù)降幅最大，說明高效振動鄂式破碎對提高5～15mm 粒徑分布均質(zhì)性效率明顯。但從級配曲線可知，鄂式破碎并不能顯著提高＜4.75mm 粒徑范圍鋼渣的通過率，說明鄂式破碎無法高效將鋼渣粒徑破碎到5mm 以下范圍，不能顯著改善鋼渣＜4.75mm 范圍粒徑分布均質(zhì)性（圖3、圖4）。

圖3 鄂式破碎前后級配曲線

圖4 鄂式破碎前后各檔粒徑的變異系數(shù)

2.2 磨耗整形處理工藝對鋼渣粒徑分布的影響

在鄂式破碎的基礎(chǔ)上采用慣性圓錐破碎機對鋼渣磨耗整形，粒徑范圍分布降至25mm 以下，滿足透水瀝青路面用鋼渣粗集料的粒徑規(guī)格規(guī)定。細碎加工處理后，＞10mm 粒徑范圍集料質(zhì)量百分比明顯降低，且0～5mm 粒徑范圍集料質(zhì)量百分比明顯提升，3～5mm 粒徑范圍集料分記篩余百分比提高了近1 倍，尤其0～3mm粒徑范圍集料分記篩余百分比提高近4 倍（圖5）。從兩次破碎加工前后各檔粒徑質(zhì)量百分比的變異系數(shù)可得，慣性圓錐破碎加工對于進一步改善0～5mm 粒徑范圍集料分布均質(zhì)性具有高效性（圖6）。加工處理后鋼渣集料的技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

表2 加工處理后鋼渣集料技術(shù)指標(biāo)

圖5 兩次加工前后不同粒徑分記篩分百分比

圖6 兩次加工前后不同粒徑的變異系數(shù)

通過對兩次加工后鋼渣集料的粒徑范圍分布及變異系數(shù)分析可知，鄂式破碎可明顯提高5～15mm 鋼渣集料粒徑分布均質(zhì)性，圓錐破碎磨耗對提高0～5mm 鋼渣集料粒徑分布均質(zhì)性效果顯著，且加工處理后鋼渣集料指標(biāo)滿足技術(shù)要求。因此，提出“高效振動鄂式破碎機+慣性圓錐破碎機”的鋼渣集料生產(chǎn)加工工藝。

3 鋼渣應(yīng)用于車轍病害試驗段研究

3.1 試驗路段概況

對某市政公路K3+260～K3+460 路段開展瀝青路面鋼渣微表處試驗段研究，此次共實施鋼渣微表處1680m2，主要用于處治路面車轍病害。對原路面精銑刨后重鋪SMA-13 細粒式鋼渣瀝青瑪蹄脂碎石路面（鋼渣含量31%）和AC-16 中粒式鋼渣瀝青混凝土路面（鋼渣含量50%）各100m，微表處鋼渣瀝青混合料攤鋪設(shè)計厚度為12cm，分兩次攤鋪，第一次攤鋪厚度為8cm，第二次攤鋪厚度為4cm。

3.2 施工工藝要點

鋼渣集料中含有一定的Fe，其導(dǎo)熱效率較高，使鋼渣瀝青混合料的溫度散失較快，需加強溫度監(jiān)測與控制。同時，鋼渣顆粒表面粗糙，摩擦系數(shù)較大，需采用大噸位壓路機壓實使顆粒間相互嵌擠，從而使內(nèi)摩擦力增大，使路面具有較高的早期強度。

（1）運輸。由于鋼渣瀝青混合料溫度散失較快，需做好運輸過程中各環(huán)節(jié)溫度監(jiān)測（圖7），嚴(yán)控出場溫度在180℃～190℃間，運料車車廂設(shè)置加厚保溫板，運輸過程中保溫措施嚴(yán)格到位。

圖7 溫度監(jiān)測

（2）攤鋪。鋼渣瀝青混合料采用履帶式攤鋪機進行作業(yè)（圖8）。開始攤鋪鋼渣瀝青混合料前1h，對攤鋪機的螺旋布料器和熨平板等有關(guān)裝置進行加熱，以減少對混合料降溫的損失，攤鋪過程中，攤鋪速度宜控制在2～3m/min。AC-16 中粒式鋼渣瀝青混凝土路面攤鋪溫度宜為150℃，SMA-13 細粒式鋼渣瀝青瑪蹄脂碎石路面攤鋪溫度宜為160℃。

圖8 攤鋪

（3）碾壓。由于鋼渣瀝青混合料的溫度損失比較快，在攤鋪機攤鋪后，須立即使用大噸位振動雙鋼輪壓路機進行初壓（圖9），振動壓路機應(yīng)遵循“緊跟、慢壓、高頻、低幅”的原則，從而達到在提高路面壓實度的同時，保證鋪筑路面的平整度質(zhì)量。AC-16 中粒式鋼渣瀝青混凝土路面碾壓工藝為：雙鋼輪14T，緊跟，振壓4遍，碾壓溫度150℃；膠輪26T，碾壓3 遍，碾壓溫度70℃。SMA-13細粒式鋼渣瀝青瑪蹄脂碎石路面碾壓工藝為：雙鋼輪14T，緊跟，振壓8 遍，碾壓溫度160℃。

圖9 碾壓

3.3 鋼渣瀝青混合料的路用性能

鋼渣瀝青混合料的馬歇爾試驗結(jié)果見表3。試驗路段完工后，對路面厚度、抗滑性能、平整度等進行了現(xiàn)場測試，結(jié)果見表4。

表3 鋼渣瀝青混合料馬歇爾試驗配合比設(shè)計結(jié)果

表4 試驗路段現(xiàn)場檢測結(jié)果匯總

鋼渣瀝青混合料AC-16 和SMA-13 馬歇爾試件路用性能技術(shù)指標(biāo)表明，鋼渣瀝青混合料強度、水穩(wěn)定性、高低溫性能均表現(xiàn)優(yōu)異，滿足相應(yīng)技術(shù)要求。試驗路段現(xiàn)場測試表明，路面摩擦系數(shù)、平整度、構(gòu)造深度均達到技術(shù)要求，路面強度較高，抗滑耐磨性能較好。

4 結(jié)論

（1）基于鋼渣應(yīng)用試驗結(jié)果，提出了“高效振動鄂式破碎機+慣性圓錐破碎機”的鋼渣集料生產(chǎn)加工工藝。

（2）鋼渣瀝青混合料AC-16 和SMA-13 應(yīng)用于路面車轍病害處治，在路面強度、高溫穩(wěn)定性、抗滑耐磨性能等方面表現(xiàn)優(yōu)異。