朱鐵增， 李旭丹

(河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 鄭州 451400)

現(xiàn)階段中國(guó)城鎮(zhèn)道路多為密級(jí)配瀝青路面，這種結(jié)構(gòu)類型的路面由于其級(jí)配連續(xù)密實(shí)，設(shè)計(jì)空隙率較低，雨天路面容易積水，車輛行駛中容易產(chǎn)生霧氣且路面抗滑性能降低，嚴(yán)重影響行車安全，鑒于密級(jí)配瀝青路面的這些缺點(diǎn)，該文開(kāi)展開(kāi)級(jí)配排水式瀝青磨耗層研究。為增強(qiáng)OGFC 瀝青路面的路用性能，需選用玄武巖、輝綠巖等堿性且磨光值較大的粗集料。但由于環(huán)保政策的限制，導(dǎo)致這些優(yōu)質(zhì)礦料極為緊缺，同時(shí)中國(guó)這些優(yōu)質(zhì)礦石較為有限，滿足不了工程建設(shè)的需求，因此尋找一種能夠代替優(yōu)質(zhì)礦料的原料已成為道路工作者研究的重要方向。工業(yè)鋼渣是一種煉鋼過(guò)程中的廢棄物，且年產(chǎn)量較為龐大，露天堆放不僅會(huì)占用大量土地資源，也會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染，同時(shí)也是對(duì)資源的一種浪費(fèi)。大量研究表明：鋼渣耐磨性及與瀝青黏附性較好，能夠替代部分或全部礦料，與瀝青拌制成 OGFC 鋼渣瀝青混合料，可以增強(qiáng)瀝青路面的抗滑、強(qiáng)度、抗水毀能力等路用性能；同時(shí)大量廢棄鋼渣投入到工程建設(shè)中能夠減少環(huán)境破壞。該文用體積法將鋼渣分別以0%、25%、50%、75%、100%的摻量替換4.75 mm 及 4.75 mm以上粒徑的礦料，系統(tǒng)地研究OGFC-13鋼渣瀝青混合料的相關(guān)性能，為OGFC-13 鋼渣瀝青路面在城鎮(zhèn)道路中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 鋼渣

鋼渣由于煉鋼工藝及產(chǎn)地不同，會(huì)導(dǎo)致其物理、化學(xué)性質(zhì)有所差異。鋼渣篩分及力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、2。

表1 鋼渣篩分試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以得出：鋼渣吸水率略高于GB/T 25824—2010《道路用鋼渣》中要求不大于2%的規(guī)定，在使用過(guò)程中應(yīng)分析鋼渣吸水后的性能變化。

表2 鋼渣相關(guān)性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

煉鋼所用礦石的產(chǎn)地、煉鋼的工藝、鋼渣回收的方法等因素會(huì)影響鋼渣的化學(xué)成分及含量，鋼渣主要由CaO、MgO、SiO2和FeO組成，通常這些成分含量為88%～90%，鋼渣主要礦物成分含量見(jiàn)表3。

表3 鋼渣中主要礦物成分含量

鋼渣吸水率略高于規(guī)范要求且鋼渣遇水易膨脹，因此需對(duì)鋼渣遇水膨脹特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。參照GB/T 24175—2009《鋼渣穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》中的相關(guān)規(guī)定分別對(duì)不同浸水周期時(shí)鋼渣吸水膨脹率進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表 4。

表4 不同齡期時(shí)鋼渣膨脹率

由表4可以得出：鋼渣膨脹率隨時(shí)間周期的延長(zhǎng)而增大，當(dāng)齡期超過(guò)7 d時(shí)，膨脹率趨于穩(wěn)定，且滿足GB/T 24765—2009《耐磨瀝青路面用鋼渣》中浸水膨脹率不大于2%的規(guī)定，表明鋼渣浸水穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

1.2 礦料及瀝青

該文粗集料分別為10～15、5～10、3～5 mm玄武巖碎石；細(xì)集料為0～3 mm石灰?guī)r機(jī)制砂；填料為石灰?guī)r磨細(xì)礦粉。粗、細(xì)集料、礦粉相關(guān)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。選用的改性瀝青為SBS I-D，參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的要求，對(duì)SBS I-D瀝青進(jìn)行相關(guān)性能檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表5。

表5 瀝青主要指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)鋼渣按照0%、25%、50%、75%、100%比例摻配的 OGFC-13 瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，礦料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表6，不同鋼渣摻量時(shí)混合料最佳油石比及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 不同鋼渣摻量時(shí)礦料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果

表7 OGFC-13不同鋼渣摻量時(shí)最佳油石比及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 混合料性能研究

OGFC-13 鋼渣瀝青混合料作為路面結(jié)構(gòu)層的一種，將會(huì)承受大氣、日照等自然環(huán)境及車輛軸載的綜合作用，因此 OGFC-13 鋼渣瀝青路面須具有較好的高溫抗車轍、低溫抗開(kāi)裂、抗滑性能及抗水毀能力等。該文通過(guò)體積法評(píng)價(jià)鋼渣按照 0%、25%、50%、75%、100%的比例摻入瀝青混合料中的性能差異。

2.1 動(dòng)彈性模量

瀝青路面是一種柔性結(jié)構(gòu)層，其力學(xué)特性會(huì)隨著外界溫度及車輛軸載的不同而發(fā)生改變。在JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中增加了動(dòng)態(tài)模量設(shè)計(jì)參數(shù)，表明中國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)方法向著動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念進(jìn)行轉(zhuǎn)變。該文選用UTM-30 瀝青混合料多功能試驗(yàn)機(jī)對(duì)動(dòng)態(tài)模量展開(kāi)研究。溫度會(huì)對(duì)混合料動(dòng)態(tài)模量測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生較大影響，選取試驗(yàn)溫度分別為 10、25、40 ℃。研究的OGFC-13鋼渣混凝土是應(yīng)用在城鎮(zhèn)道路上，行車速度一般不超過(guò)60 km/h，相當(dāng)于試驗(yàn)加載頻率為 10 Hz。不同溫度、不同鋼渣摻量的鋼渣混合料在加載頻率為10 Hz時(shí)動(dòng)彈性模量及相位角試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖1、2。

圖1 動(dòng)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

圖2 相位角試驗(yàn)結(jié)果

由圖1、2可以得出：鋼渣摻量相同時(shí)，鋼渣混合料的動(dòng)彈性模量隨溫度的升高逐漸降低，相位角逐漸增大，這主要是因?yàn)闉r青混合料是一種黏彈性材料，對(duì)溫度較為敏感，瀝青黏度隨溫度升高而逐漸下降，混合料受外力作用的滯后現(xiàn)象增強(qiáng)，相位角隨之變大，同時(shí)混合料柔性增加，動(dòng)態(tài)模量隨之變小，這也是夏季炎熱環(huán)境下路面形成車轍的原因；當(dāng)試驗(yàn)溫度為25、40 ℃時(shí)，彈性模量隨鋼渣摻量的增大先增大后減小，摻量為50%時(shí)均達(dá)到峰值，這主要是因?yàn)楫?dāng)鋼渣摻量小于50%時(shí)，鋼渣的摻入能夠改善礦料之間的嵌擠效果，隨著摻量的增加動(dòng)彈性模量隨之增大，當(dāng)鋼渣摻量大于50%時(shí)，OGFC-13鋼渣混合料最佳油石比也隨之增大，瀝青含量的增加會(huì)降低混合料的動(dòng)彈性模量。

2.2 高溫穩(wěn)定性

夏季炎熱環(huán)境下，瀝青路面在車輛軸載的作用下極易出現(xiàn)車轍病害。評(píng)價(jià)瀝青路面高溫抗車轍能力的方法有多種，主要包括：圓柱體單軸靜載、車轍試驗(yàn)、重復(fù)試驗(yàn)、三軸靜載等。該文選用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同鋼渣摻量下混合料的高溫抗車轍能力，不同鋼渣摻量時(shí)OGFC-13混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可以得出：不同鋼渣摻量的混合料動(dòng)穩(wěn)定度均滿足不低于3 500次/mm的規(guī)范要求，且隨鋼渣摻量的增加混合料動(dòng)穩(wěn)定度先升高后降低，當(dāng)摻量為50%時(shí)達(dá)到峰值6 832次/mm，這主要是因?yàn)殇撛饨切暂^好，表面粗糙，且與瀝青黏附性較強(qiáng)，瀝青與鋼渣混合后具有較大的黏聚力，能夠改善混合料的高溫抗車轍能力，當(dāng)摻量大于50%時(shí)，瀝青用量也隨之增大，會(huì)降低混合料高溫穩(wěn)定性；當(dāng)鋼渣摻量大于75%時(shí)，鋼渣瀝青混合料較難壓實(shí)，同時(shí)鋼渣摻量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致最佳油石比增大，鋼渣內(nèi)部的孔隙吸附瀝青量增大，高溫碾壓時(shí)混合料更容易產(chǎn)生車轍。

2.3 低溫抗裂性

北方季節(jié)性冰凍區(qū)，當(dāng)瀝青路面內(nèi)部產(chǎn)生的溫縮應(yīng)力大于混合料的極限容許拉應(yīng)力時(shí)，瀝青路面會(huì)形成裂縫病害，在雨水及車輛軸載的共同作用下這些病害會(huì)進(jìn)一步惡化，最終形成龜裂、坑槽等嚴(yán)重病害。評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫抗開(kāi)裂性能的方法有多種，主要包括：低溫彎曲試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)、應(yīng)力松弛試驗(yàn)等。該文選用低溫小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同鋼渣摻量下混合料的低溫抗開(kāi)裂能力，不同鋼渣摻量時(shí)OGFC-13混合料抗彎拉強(qiáng)度及彎曲破壞應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖4、5。

圖4 彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖5 彎曲破壞應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果

由圖4、5可以得出：隨著鋼渣摻量的增大，混合料抗彎拉強(qiáng)度、彎曲破壞應(yīng)變均逐漸降低，當(dāng)摻量為100%時(shí)，混合料彎曲破壞應(yīng)變降到最低2 748 με，不能滿足規(guī)范不低于2 800 με的要求，這主要是因?yàn)殡m然隨著鋼渣摻量的增大，混合料最佳油石比也隨之增加，但多數(shù)瀝青會(huì)被鋼渣的開(kāi)口空隙吸收，礦料之間的瀝青膜降低，同時(shí)鋼渣中存在部分粉塵及雜質(zhì)，低溫環(huán)境下小梁試件容易斷裂，降低混合料的整體強(qiáng)度。

2.4 抗滑性能

良好的路面抗滑能力是行車安全的重要保障，因此該文對(duì)各鋼渣摻量下的 OGFC-13混合料抗滑能力進(jìn)行研究。選用擺式摩擦儀對(duì)不同鋼渣摻量的混合料進(jìn)行抗滑性能試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為20 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 擺值試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可以得出：隨著鋼渣摻量的增大，混合料抗滑性能先升高后降低，當(dāng)摻量為25%時(shí)達(dá)到峰值67.8 BPN，這主要是因?yàn)殇撛且环N棱角性較好的材料，隨著摻量的增加，混合料表面紋理性得到改善，摩擦系數(shù)增強(qiáng)；但當(dāng)鋼渣摻量超過(guò) 25% 時(shí)，擺值會(huì)逐漸降低，這主要因?yàn)殇撛且环N多孔材料，雖然棱角性較好，但呈現(xiàn)近立方體形狀，會(huì)降低表面凸起的尖銳程度，影響路面的抗滑能力，同時(shí)鋼渣摻量的增加，最佳油石比也隨之增大，更多的瀝青填充鋼渣孔隙，導(dǎo)致瀝青路面表面粗糙程度降低，從而影響瀝青路面的抗滑能力。

2.5 水穩(wěn)定性

由于OGFC-13瀝青混合料空隙較大，雨水需從其內(nèi)部孔隙通道排出路面，會(huì)承受嚴(yán)重的水侵蝕破壞，因此須對(duì) OGFC-13 鋼渣混凝土路面的抗水毀能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。該文選用凍融劈裂及浸水馬歇爾試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同鋼渣摻量時(shí)混合料的抗水毀能力，試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖7、8。

由圖7、8可以得出：隨著鋼渣摻量的增加，混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果均先升高后降低，摻量為50%時(shí)均達(dá)到峰值，且摻量為100%的試驗(yàn)結(jié)果均大于未摻鋼渣混合料，表明鋼渣的摻入能夠有效地改善混合料的抗水毀能力，這主要因?yàn)殇撛c瀝青具有較好的黏附性，且鋼渣表面孔隙較多，能夠有效地吸附瀝青，改善礦料之間的黏結(jié)能力。

圖7 浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

圖8 凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

選用OGFC-13瀝青混合料，將鋼渣分別以0%、25%、50%、75%、100%的摻量等體積替換混合料中的粗集料，并對(duì)不同鋼渣摻量的瀝青混合料進(jìn)行相關(guān)性能研究，得出以下結(jié)論：

(1) 鋼渣摻量相同時(shí)，鋼渣混合料的動(dòng)彈性模量隨溫度的升高逐漸降低，相位角逐漸增大；當(dāng)試驗(yàn)溫度為25、40 ℃時(shí)，彈性模量試驗(yàn)結(jié)果隨鋼渣摻量的增大先增大后減小，摻量為50% 時(shí)均達(dá)到峰值。

(2) 隨鋼渣摻量的增加混合料動(dòng)穩(wěn)定度先升高后降低，當(dāng)摻量為50%時(shí)達(dá)到峰值6 824次/mm；隨著鋼渣摻量的增加，混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果均先升高后降低，摻量為50%時(shí)均達(dá)到峰值；表明鋼渣摻量為50%時(shí)，混合料的高溫抗車轍、抗水毀能力改善效果最優(yōu)。

(3) 隨著鋼渣摻量的增大，混合料抗彎拉強(qiáng)度、彎曲破壞應(yīng)變均逐漸降低，表明鋼渣的摻入會(huì)降低混合料的低溫抗開(kāi)裂能力，但降低幅度不大；隨著鋼渣摻量的增大，混合料抗滑性能先升高后降低，當(dāng)摻量為25%時(shí)擺值達(dá)到峰值67.8 BPN。