摻鋼渣集料的瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究

劉 營(yíng),涂福運(yùn),李瑞嬌,張紅日

(1.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200;2.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029;3.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

瀝青混合料是由礦料按一定比例混合后與瀝青結(jié)合料經(jīng)拌制而成的路面材料,經(jīng)運(yùn)輸、攤鋪、碾壓成型后成為瀝青路面[1]。與水泥路面相比,瀝青路面具有平整度高、抗裂性好、耐磨性能好、震動(dòng)小、噪音低、易于施工等優(yōu)點(diǎn)[2]。20世紀(jì)50年代以來,各國(guó)修建的瀝青路面數(shù)量快速增長(zhǎng),美國(guó)所有道路中約有83.5%的路面為瀝青路面[3],而我國(guó)已建成的高等級(jí)及次高等級(jí)路面中,瀝青路面也占了相當(dāng)大的比重[4],可見,瀝青路面已成為道路工程路面體系中的主要類型。橡膠瀝青是添加了廢橡膠粉的一種改性瀝青,眾多研究表明,橡膠瀝青具有良好的低溫抗裂性、抗老化性能、抗疲勞等性能,因而被廣泛應(yīng)用于公路的上面層中。瀝青混合料的組成中集料占了混合料總量的95%,瀝青約占混合料總量的5%左右[5-6]。所以,瀝青路面的建設(shè)需要大量的優(yōu)質(zhì)砂石材料,目前主要以輝綠巖、玄武巖及石灰?guī)r為主。然而,大量的砂石開采不僅會(huì)破壞植被景觀,且加工成優(yōu)質(zhì)的道路工程集料也需要消耗大量的能源及機(jī)械,導(dǎo)致瀝青路面材料成本也較高。據(jù)粗略估計(jì),瀝青混凝路面材料成本比水泥混凝土路面高約3 500萬元/km2[7],因此,以固體廢棄物替代優(yōu)質(zhì)的道路工程集料,同時(shí)進(jìn)一步降低瀝青路面的材料成本成了目前的研究熱點(diǎn)。

鋼渣是鋼鐵冶煉過程中的副產(chǎn)品[8],其產(chǎn)量約為粗鋼產(chǎn)量的12%～20%[9]。隨著需鋼量的逐漸增大,鋼渣的產(chǎn)量也越來越多。據(jù)統(tǒng)計(jì),截止至2018年,我國(guó)的鋼渣產(chǎn)量接近1億t,堆存量已達(dá)17億t[10],因此,鋼渣的處理及利用已成為鋼鐵工業(yè)目前要解決的重大問題之一。將鋼渣用于道路工程,可將鋼渣“變廢為寶”,實(shí)現(xiàn)鋼渣的資源化利用,從而降低公路集料的消耗,減少因天然砂石開采對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞,促進(jìn)交通綠色發(fā)展。

本文基于鋼渣的特性,以4.75～16 mm鋼渣等體積替代輝綠巖粗集料,選用ARAC-13G型混合料級(jí)配在最佳油石比條件下開展車軸試驗(yàn)、低溫抗裂性試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)等各項(xiàng)路用性能試驗(yàn)研究,得出摻鋼渣的瀝青混合料各項(xiàng)路用性能良好,具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 原材料

試驗(yàn)粗集料采用鋼渣和輝綠巖,規(guī)格均為9.5～16 mm、4.75～9.5 mm,細(xì)集料為輝綠巖,規(guī)格為0～4.75 mm。瀝青采用橡膠瀝青,各項(xiàng)指標(biāo)見表1。

表1 橡膠瀝青性能指標(biāo)表

鋼渣為防城港市某鋼廠生產(chǎn)的自然陳放12個(gè)月以上的熱悶型轉(zhuǎn)爐鋼渣,其化學(xué)組成如表2所示。

表2 陳化12個(gè)月轉(zhuǎn)爐鋼渣主要化學(xué)成分表(%)

鋼渣的堿度值R按式(1)計(jì)算[11]。其R值>1,所以,該鋼渣歸為堿性骨料,易與橡膠瀝青發(fā)生化學(xué)結(jié)合,增強(qiáng)鋼渣與瀝青之間的粘結(jié),進(jìn)而提高橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

R=w[(CaO)+(MgO)+(MnO)+(FeO)]/w[(SiO2)+(P2O5)+(Al2O3)+(Fe2O3)]

(1)

根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)[12],對(duì)鋼渣及輝綠巖集料進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn),得到的各項(xiàng)指標(biāo)如表3所示。與普通輝綠巖集料相比,鋼渣的表觀密度、吸水率、壓碎值、洛杉磯磨耗值等指標(biāo)較高,且鋼渣集料與瀝青的粘附性良好,是一種良好的瀝青混合料集料。

表3 鋼渣和輝綠巖粗集料技術(shù)指標(biāo)表

0～4.75 mm細(xì)集料選用輝綠巖機(jī)制砂,填料采用石灰?guī)r礦粉。0～4.75 mm機(jī)制砂細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見表4。填料技術(shù)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見表5。本次試驗(yàn)采用的填料及機(jī)制砂集料性能良好。

表5 填料技術(shù)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果表

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)所采用的鋼渣瀝青混合料采用ARAC-13G型設(shè)計(jì)混合料級(jí)配,根據(jù)《橡膠瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(DB45T 1098-2014-1)[13],礦料級(jí)配范圍如表6所示。原材料采用輝綠巖粗細(xì)集料時(shí)各礦料比例為9.5～16 mm∶4.75～9.5 mm∶0～4.75 mm∶填料=38∶37∶20∶5。鋼渣按50%、100%等體積替換設(shè)計(jì)合成級(jí)配如表6所示。

表6 各礦料級(jí)配及合成級(jí)配表

2.2 最佳油石比

鋼渣瀝青混合料的最佳油石比根據(jù)體積指標(biāo)及穩(wěn)定度、流值指標(biāo)共同確定。根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)分別確定0、50%、100%鋼渣替代粗集料的瀝青混合料最佳油石比,并在最佳油石比下進(jìn)一步開展馬歇爾試驗(yàn),結(jié)果如表7所示,鋼渣瀝青混合料的物理指標(biāo)滿足技術(shù)要求。

表7 不同鋼渣摻量瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表

3 鋼渣瀝青混合料性能研究

3.1 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性是指瀝青混合料在高溫條件及車輛反復(fù)作用條件下保持路面平整并不發(fā)生顯著的永久變形的特性,目前主要采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

車轍試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)為動(dòng)穩(wěn)定度DS,即為1 mm車轍深度上的行走次數(shù),本試驗(yàn)采用最佳油石比制備車轍試件,按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)[14]進(jìn)行鋼渣ARAC-13G型橡膠瀝青混合料60 ℃車轍試驗(yàn),測(cè)其動(dòng)穩(wěn)定度DS值,試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 不同鋼渣摻量下瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

由圖1可知,摻入鋼渣集料后,瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度降低,鋼渣全集料瀝青混合料的高溫穩(wěn)定度為5 180次/mm,遠(yuǎn)高于技術(shù)要求。由此可見,鋼渣瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性。鋼渣是一種多孔介質(zhì)材料,隨著鋼渣集料摻量的增大,瀝青混合料所需要的瀝青用量增大,導(dǎo)致鋼渣瀝青混合料抵抗變形能力降低。

3.2 低溫抗裂性

采用小梁低溫彎曲試驗(yàn)進(jìn)行鋼渣瀝青混合料低溫抗裂性能評(píng)價(jià)。小梁試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm。低溫破壞應(yīng)變值測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同鋼渣摻量下瀝青混合料低溫破壞應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果柱狀圖

由圖2可知,鋼渣瀝青混合料具有良好的低溫穩(wěn)定性,100%摻入鋼渣集料后,瀝青混合料的低溫破壞應(yīng)變?yōu)? 360(με),遠(yuǎn)高于技術(shù)要求。摻入一定的鋼渣集料后,混合料嵌擠作用增強(qiáng),對(duì)低溫抗裂性能有一定的改善,但隨著摻量的逐步增大,低溫性能改善不明顯,由此可見,低溫抗裂性能主要受瀝青的影響。

3.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性是指瀝青混合料抵抗水損害的能力,目前主要采用浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

3.3.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

采用最佳油石比制備馬歇爾試件,按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中的T0709-2011進(jìn)行鋼渣ARAC-13G型橡膠瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn),測(cè)得殘留穩(wěn)定度結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同鋼渣摻量下瀝青混合料殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

通過浸水馬歇爾試驗(yàn)可知,鋼渣瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度為88%～93.2%,滿足施工規(guī)范技術(shù)要求,且隨著鋼渣摻量的增大,瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度也隨之增大。這主要是因?yàn)殇撛械膲A性物質(zhì)與瀝青中的酸性集料發(fā)生反應(yīng),增強(qiáng)了鋼渣與瀝青之間的粘結(jié)。

3.3.2 凍融劈裂試驗(yàn)

采用最佳油石比制備馬歇爾試件,按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中的T0729-2000進(jìn)行鋼渣ARAC-13G型橡膠瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn),測(cè)出凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比(見圖4)。

圖4 不同鋼渣摻量下瀝青混合料凍融劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

由圖4可知,鋼渣瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比為83%～90.3%,大于規(guī)范要求的80%,且摻入鋼渣集料后,瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比增大。由此可見,在經(jīng)歷了水的凍脹剝落作用后,鋼渣ARAC-13G型橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性良好。

4 結(jié)語

(1)根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)確定鋼渣替代率為0、50%、100%時(shí)的瀝青混合料最佳油石比分別為5.6%、5.8%、6.0%,鋼渣瀝青混合料的最佳油石比隨著鋼渣摻量的增大而增大。

(2)低溫抗裂性試驗(yàn)研究顯示,摻入一定的鋼渣集料后,瀝青混合料的低溫抗裂性能有一定的改善,但隨著集料摻量的增大,改善效果不明顯。

(3)浸水馬歇爾試驗(yàn)研究顯示,在最佳油石比條件下,鋼渣瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度>85%,且隨著鋼渣摻量的增大,殘留穩(wěn)定度也隨之增大。

(4)凍融劈裂試驗(yàn)研究顯示,在最佳油石比條件下,鋼渣瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比>80%,且隨著鋼渣摻量的增大,凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比也隨之增大。