何培龍 王 鵬

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

鋼渣在超薄磨耗層中的應(yīng)用研究

何培龍 王 鵬

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

對(duì)寶鋼鋼渣的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析，研究了不同鋼渣摻配比例對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗滑性能的影響，為鋼渣在瀝青混合料設(shè)計(jì)中的推廣應(yīng)用提供合理建議。

鋼渣，超薄磨耗層，SMA，路用性能

鋼渣是鋼鐵企業(yè)利用較差的固體廢物之一，目前我國(guó)鋼渣積存近10億t，綜合利用率僅為10%左右。隨著鋼鐵工業(yè)的不斷發(fā)展，積存鋼渣數(shù)量有增無(wú)減，這不僅占用了大量的土地，而且對(duì)環(huán)境也有一定程度的影響。然而，鋼渣并非不可利用的固體廢物。鋼渣主要由多種氧化物和礦物質(zhì)組成，物理化學(xué)成分與硅酸鹽類(lèi)似，并且在一定條件下經(jīng)過(guò)電解水化作用之后，表現(xiàn)為性能穩(wěn)定、高強(qiáng)度、大小均勻的顆粒[1]。這比天然巖石制成的碎石的力學(xué)性能好，耐磨性高、級(jí)配好、顆粒形狀佳。因此，將其用于道路工程領(lǐng)域不僅可以資源化利用閑置的鋼渣，而且還可以節(jié)省天然石料，是一舉兩得的事情。

超薄磨耗層作為一種超薄的道路表層可以用于路面性能要求較高、交通壓力較大的道路的表層處理，即作為一種路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施或已損路面的修補(bǔ)措施。在新建道路中，也可將其作為表面磨耗層。因超薄磨耗層具有耐久性高、抗滑性能好、可降低噪聲、雨天可減少水霧和路面水膜的作用，并能提高路面抗車(chē)轍和抗磨耗能力，這種路表磨耗層可以在很大程度上改善路面的使用性能[2]。

鑒于在道路建設(shè)領(lǐng)域?qū)ΦV質(zhì)石料的大量需求，鋼渣作為傳統(tǒng)石料的替代品具有很大的應(yīng)用前景。因此，研究鋼渣用于瀝青混合料中以全部或部分替代傳統(tǒng)集料是個(gè)具有很大社會(huì)效益的課題。本文采用寶鋼發(fā)展有限公司提供的鋼渣，對(duì)鋼渣替代細(xì)集料用于超薄磨耗層進(jìn)行相關(guān)研究。將鋼渣以不同摻配比例替代超薄磨耗層的細(xì)集料，并研究其路用性能，為鋼渣在路面材料領(lǐng)域進(jìn)行大面積推廣提供一定的理論支持。

1 原材料

1.1 鋼渣性質(zhì)分析

由于煉鋼的礦石、鋼種、煉鋼過(guò)程中添加的成分以及冶煉階段的不同，鋼渣的礦物組成也是不盡相同的。但有一些礦物成分是大部分鋼渣都會(huì)含有的，如：氧化鈣、硅酸二鈣、三氧化二鐵及少量氧化錳、氧化鐵、五氧化二磷等成分[3]。本研究采用的寶鋼鋼渣細(xì)集料(0 mm～5 mm)中CaO和鐵氧化物含量高，兩者占比60%以上，SiO2含量約占10%。寶鋼鋼渣細(xì)集料(0 mm～5 mm)的化學(xué)組成見(jiàn)表1。

表1 寶鋼鋼渣細(xì)集料化學(xué)成分 %

根據(jù)JTG E42—2005公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程對(duì)鋼渣的相關(guān)物理力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

1.2 其他原材料

粗集料：本研究4.75 mm和9.5 mm檔的粗集料采用玄武巖，2.36 mm粗集料采用石灰?guī)r和鋼渣。玄武巖集料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表2 鋼渣物理力學(xué)性能指標(biāo)

表3 粗集料的物理力學(xué)指標(biāo)

SBS改性瀝青：其相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)和規(guī)范相應(yīng)的技術(shù)要求列于表4，均滿(mǎn)足JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范的要求。

表4 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

填料：采用石灰?guī)r礦粉，視密度為2.79 g/cm3。

纖維：采用德國(guó)瑞登梅爾父子公司生產(chǎn)的VIATOP Premium顆粒狀木質(zhì)素纖維，摻量為0.3%，相對(duì)密度為1.01。

2 鋼渣超薄瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 鋼渣超薄磨耗層級(jí)配的確定

參考JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中推薦的SMA-10的級(jí)配范圍，本文采用該級(jí)配范圍的中值，見(jiàn)表5。

表5 采用的SMA-10超薄磨耗層級(jí)配

2.2 油石比設(shè)計(jì)分析

將鋼渣以0%，50%，75%，100%四種質(zhì)量摻配比例替代SMA-10混合料中的細(xì)集料，分別確定混合料的最佳油石比。四種鋼渣摻量對(duì)應(yīng)的最佳油石比如表6所示。

表6 不同鋼渣摻量對(duì)應(yīng)最佳油石比 %

2.3 配合比設(shè)計(jì)分析

為避免上述確定的最佳油石比的瀝青用量過(guò)大導(dǎo)致實(shí)際使用中泛油情況的出現(xiàn)，對(duì)四種鋼渣摻量的最佳油石比瀝青混合料進(jìn)行析漏試驗(yàn)。每個(gè)鋼渣摻量采用兩組平行試樣，結(jié)果取平均值，試驗(yàn)所得析漏損失分別為0.098%，0.072%，0.075%，0.067%，均滿(mǎn)足規(guī)范要求的不大于0.1%。

從配合比設(shè)計(jì)結(jié)果來(lái)看，在采用的SMA-10級(jí)配中值的條件下，不同鋼渣摻量時(shí)的粗集料均能形成有效的骨架結(jié)構(gòu)，達(dá)到了SMA混合料的技術(shù)要求。同時(shí)，瀝青用量會(huì)隨著鋼渣摻量的增加而增加，這是鋼渣表面結(jié)構(gòu)有較多孔隙導(dǎo)致的。這些孔隙會(huì)吸附較多的瀝青，從而在鋼渣表面形成較厚的瀝青膜。

3 路用性能檢測(cè)

為了保持超薄磨耗層優(yōu)良的路面服務(wù)性能，超薄磨耗層的瀝青混合料除了應(yīng)具備一定的強(qiáng)度外，還要有足夠的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗滑性、抗老化性等技術(shù)性能。本文的研究以上海為代表的南方地區(qū)為背景，在高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性?xún)烧咧g，對(duì)前者的要求較高，因此在超薄磨耗層的路用性能檢測(cè)中主要考慮高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗滑性及膨脹性。

3.1 高溫穩(wěn)定性

不同鋼渣摻量的SMA-10瀝青混合料，分別采用最佳油石比成型車(chē)轍板試件進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同鋼渣摻量的SMA-10混合料的動(dòng)穩(wěn)定度

從總體來(lái)看，采用了改性瀝青的SMA-10瀝青混合料的抗車(chē)轍能力較強(qiáng)。當(dāng)細(xì)集料完全由鋼渣替代時(shí)，其高溫穩(wěn)定性并沒(méi)有明顯的減弱或增強(qiáng)；但當(dāng)細(xì)集料由鋼渣部分替代時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度數(shù)值有一定下降，但都很明顯的滿(mǎn)足了規(guī)范的要求。鋼渣細(xì)集料用于超薄磨耗層SMA-10中，瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性仍會(huì)滿(mǎn)足規(guī)范的要求。

3.2 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)試件的水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)定。浸水馬歇爾的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。各鋼渣摻量下SMA-10瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均滿(mǎn)足規(guī)范不小于80的要求。

表8 不同鋼渣摻量的浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。各鋼渣摻量的SMA-10混合料凍融劈裂強(qiáng)度比均滿(mǎn)足規(guī)范不小于80的要求。以上兩個(gè)試驗(yàn)說(shuō)明，從凍融劈裂比浸水馬歇爾試驗(yàn)條件更嚴(yán)苛的角度來(lái)看，鋼渣的使用會(huì)稍微降低SMA-10瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性影響，不影響超薄磨耗層的正常使用。

表9 不同鋼渣摻量的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

3.3 抗滑性能

按試驗(yàn)方法T0961—1995對(duì)車(chē)轍板的構(gòu)造深度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表10。試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范要求的構(gòu)造深度不小于0.55 mm。

表10 不同鋼渣摻量車(chē)轍板的構(gòu)造深度

按試驗(yàn)方法T0964—2008對(duì)車(chē)轍板的擺值BPN進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)板面溫度對(duì)測(cè)得的擺值進(jìn)行溫度修正后，換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃時(shí)的擺值，結(jié)果列于表11。試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范要求的擺值不小于45。以上兩個(gè)試驗(yàn)說(shuō)明各鋼渣摻量下的SMA-10瀝青混凝土抗滑性能均較好。

表11 不同鋼渣摻量車(chē)轍板的擺值BPN

3.4 膨脹性

JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中規(guī)定，對(duì)使用鋼渣作為集料的瀝青混合料，要進(jìn)行活性和膨脹性試驗(yàn)，鋼渣瀝青混凝土的膨脹量不得超過(guò)1.5%。按JTG E42—2005公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程中試驗(yàn)規(guī)程T0348對(duì)SMA-10的鋼渣瀝青混凝土進(jìn)行膨脹率檢測(cè)。一般情況下，鋼渣摻量越大，鋼渣瀝青混凝土的膨脹率越大。本文對(duì)100%鋼渣的瀝青混凝土進(jìn)行膨脹性檢測(cè)，同時(shí)以未摻鋼渣的瀝青混凝土作為比對(duì)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表12。

表12 膨脹率試驗(yàn)結(jié)果 %

100%鋼渣的瀝青混凝土可以滿(mǎn)足不大于1.5%的要求，可以預(yù)測(cè)其他鋼渣摻量的SMA-10瀝青混凝土也可滿(mǎn)足此要求。由于鋼渣的使用導(dǎo)致瀝青用量的增多，而瀝青的包裹在一定程度上限制了鋼渣的膨脹，因此混合料的膨脹率得到了控制。

4 結(jié)語(yǔ)

1)寶鋼提供的細(xì)集料鋼渣體積安定性較好，基本可以滿(mǎn)足超薄磨耗層對(duì)集料的要求；2)由于鋼渣表面空隙較多，易吸附瀝青，因此集料中隨著鋼渣用量的增加SMA-10瀝青混合料的最佳油石比也會(huì)有所增加；3)本文采用的SMA-10作為超薄磨耗層，總體的高溫穩(wěn)定性能較好。鋼渣的摻入對(duì)混合料的水穩(wěn)定性沒(méi)有實(shí)質(zhì)性影響，不同鋼渣摻量的混凝土水穩(wěn)定性均能較好滿(mǎn)足規(guī)范要求，從而也間接證明了瀝青與鋼渣粘附性較好。

從以上結(jié)論可看出，寶鋼提供的細(xì)集料鋼渣用于SMA-10超薄磨耗層的路用性能表現(xiàn)比較優(yōu)異，但本文只驗(yàn)證了超薄磨耗層的一種級(jí)配，當(dāng)采用其他級(jí)配時(shí)摻入鋼渣是否仍然能保證較好的路用性能還有待進(jìn)一步研究。

[1] 曹亞?wèn)|,韓勇強(qiáng).電爐鋼渣在瀝青路面中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)市政工程,2001(1):17-21.

[2] 王雅婷.鋼渣集料在瀝青路面超薄抗滑磨耗層中的應(yīng)用研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2013.

[3] 連 鵬,徐 兵.寶鋼轉(zhuǎn)爐滾筒鋼渣細(xì)集料用于微表處的耐磨耗性能與抗水損害性能研究[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸,2015(3):40-44.

Research on application of steel slag in ultra-thin wearing course

He Peilong Wang Peng

(RoadandCommunicationsProjectKeyLabofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

The paper analyzes the dynamic attribute of the steel slag in Baoshan Iron and Steel Plant, researches the influence of various steel slag mixing ratio on the high-temperature stability, water stability and anti-sliding performance of the asphalt mixture, so as to provide some reasonable suggestions for extending the application of the steel slag in asphalt mixtures.

steel slag, ultra-thin wearing course, SMA, traffic performance

1009-6825(2015)30-0114-03

2015-08-11

何培龍(1990- )，男，在讀碩士； 王 鵬(1991- )，男，在讀碩士

TU501

A