王 坤

(江蘇現(xiàn)代路橋有限責(zé)任公司，南京 210018)

水損害是指瀝青混凝土路面在凍融循環(huán)或者水分子的作用下，基于車(chē)輪動(dòng)態(tài)荷載，滲入路面孔隙的水分產(chǎn)生真空負(fù)壓抽吸或動(dòng)水壓力的反復(fù)循環(huán)作用，水分逐步滲入瀝青與石料的交界面，導(dǎo)致瀝青黏附性逐步衰退，瀝青膜從集料表層脫落，瀝青混凝土松散脫落、掉粒，形成路面推擠變形、坑槽等損壞現(xiàn)象[1-2]。

國(guó)內(nèi)外研究表明，在瀝青混合料合理設(shè)計(jì)前提下，路面水損害和瀝青混合料不均勻性存在一定的關(guān)聯(lián)性，情況嚴(yán)重的區(qū)域可能會(huì)表現(xiàn)為水損害和泛油并存[3]。以鋼渣瀝青混凝土為例，鋼渣表面的粗糙性和多孔特性有助于鋼渣與瀝青產(chǎn)生黏附性，但鋼渣表面較高的含灰量卻對(duì)黏附性產(chǎn)生負(fù)面影響。

這兩種作用同時(shí)存在，造成鋼渣瀝青混凝土抵抗水損害的能力難以準(zhǔn)確評(píng)估。另外，鋼渣瀝青混合料的耐久性被研究的較少，鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性機(jī)理還不明確。由于f-CaO(游離氧化鈣)的存在，鋼渣遇水時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，鋼渣在瀝青薄膜包裹下表現(xiàn)的水損害情況還有待研究[4]。

基于此，本文將通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)鋼渣瀝青混凝土的水穩(wěn)定性能進(jìn)行研究。

1 原材料和級(jí)配組成

本文采用的鋼渣為南鋼電爐渣，瀝青混合料的原料包括1#、2#、3#不同粒徑的鋼渣粗集料、4#玄武巖細(xì)集料、石灰?guī)r礦粉和SBS改性瀝青。

1.1 原材料及其特性

1.1.1 鋼渣集料

對(duì)鋼渣堆放場(chǎng)地的鋼渣原料進(jìn)行篩分，篩除超粒徑鋼渣顆粒，剩余部分為1#(9.5～16.0 mm)、2#(4.75～9.5 mm)、3#(2.36～4.75 mm)和4#(0～2.36 mm)4檔，其中1#、2#和3#為粗集料，4#為細(xì)集料。

1.1.2 玄武巖細(xì)集料

本文采用的細(xì)集料為玄武巖細(xì)集料，4#玄武巖集料來(lái)自江蘇鎮(zhèn)江，SMA的4#玄武巖集料來(lái)自江蘇溧陽(yáng)。對(duì)比1#、4#鋼渣集料和常用玄武巖、石灰?guī)r集料的表觀(guān)相對(duì)密度，集料表觀(guān)相對(duì)密度對(duì)比如圖1所示。

(a) 粗集料

(b) 細(xì)集料圖1 集料表觀(guān)相對(duì)密度對(duì)比注：圖中橫線(xiàn)表示規(guī)范要求下限

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)[5]要求用于表面層的粗集料的表觀(guān)相對(duì)密度下限為2.6；細(xì)集料的表觀(guān)相對(duì)密度下限為2.5。由圖1可知，鋼渣粗集料和細(xì)集料的表觀(guān)相對(duì)密度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

鋼渣粗集料壓碎值如圖2所示。

圖2 鋼渣粗集料壓碎值注：圖中橫線(xiàn)表示規(guī)范要求上限

由圖2可知，與玄武巖集料和石灰?guī)r集料相比，1#鋼渣集料的壓碎值略差，可能是因?yàn)?#鋼渣集料內(nèi)部存在較多的孔隙和囊狀結(jié)構(gòu)?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)[5]和《道路用鋼渣》(GB/T 25824—2010)[6]要求用于表面層的粗集料的壓碎值上限為26%，本文采用鋼渣集料的壓碎值符合規(guī)范要求。

1.1.3 鋼渣集料的膨脹特性

f-CaO含量決定了鋼渣的穩(wěn)定性，f-CaO與水反應(yīng)生成Ca(OH)2(氫氧化鈣)。隨著Ca(OH)2含量增多，內(nèi)部應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力超過(guò)自身的結(jié)合力時(shí)，鋼渣可能會(huì)膨脹破碎，甚至粉化[4]。f-CaO 含量隨煉鋼工藝的不同而不同，在自然條件下f-CaO會(huì)逐漸消解，鋼渣的穩(wěn)定性逐漸提高。因此，鋼渣瀝青混凝土道路不能使用新鋼渣，新鋼渣需要經(jīng)歷陳化過(guò)程，可以采用鋼渣熱悶處理工藝快速處理鋼渣，以達(dá)到安全利用效果。鋼渣熱悶處理工藝是指在飽和蒸汽條件下，消除鋼渣中f-CaO和f-MgO(游離氧化鎂)，避免鋼渣由于水化體積膨脹現(xiàn)象對(duì)道路工程造成的危害。

選取同一級(jí)配的3個(gè)試件測(cè)定浸水膨脹率，鋼渣浸水膨脹率如圖3所示。

圖3 鋼渣浸水膨脹率

由圖3可知，試件1、2、3的浸水膨脹率(10 d)分別為1.08%、1.14%、1.10%，均值為1.11%，符合規(guī)范不大于2%的要求。本文采用的鋼渣堆放時(shí)間較長(zhǎng)，在存儲(chǔ)過(guò)程中經(jīng)歷過(guò)自然雨水浸泡，同時(shí)，還會(huì)定期對(duì)鋼渣進(jìn)行澆水處理，加速鋼渣中活性物質(zhì)消解，保證了鋼渣膨脹性。

1.1.4 填料

礦粉選用石灰?guī)r礦粉。礦粉理化性質(zhì)如表1所示。

表1 礦粉理化性質(zhì)

1.1.5 瀝青

本文選用SBS改性瀝青，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[7]進(jìn)行性能測(cè)試，SBS改性瀝青技術(shù)性能如表2所示。

表2 SBS改性瀝青技術(shù)性能

1.2 級(jí)配組成

AC-13C設(shè)計(jì)級(jí)配如表3所示。SMA-13設(shè)計(jì)級(jí)配如表4所示。

表3 AC-13C設(shè)計(jì)級(jí)配 (%)

表4 SMA-13設(shè)計(jì)級(jí)配 (%)

2 試驗(yàn)方法

目前，國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)水穩(wěn)定性試驗(yàn)方法的差異主要體現(xiàn)在[6-7]：①試件成型方式；②試件空隙率；③試驗(yàn)環(huán)境，包括凍融循環(huán)和高溫浸水；④試驗(yàn)指標(biāo)選取，包括馬歇爾穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和回彈模量等。

真空飽水條件下的凍融劈裂試驗(yàn)雖然無(wú)法做到真實(shí)模擬瀝青路面水損害情況，但是在使用效果上滿(mǎn)足了瀝青路面遭受水損害所需要的條件，能夠讓瀝青混合料經(jīng)歷更為嚴(yán)峻的高、低溫考驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果能夠反映各種瀝青混合料受水損害的影響程度。《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[7]中選取的就是此種方式。

本文選用凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)對(duì)比分析鋼渣瀝青混凝土AC-13C和SMA-13的水穩(wěn)定性。

由于4#鋼渣細(xì)集料吸水率較高，其配制的鋼渣瀝青混合料油石比偏高，經(jīng)濟(jì)性較差。因此，在鋼渣瀝青混凝土研究過(guò)程中，采用天然細(xì)骨料代替4#鋼渣細(xì)集料。

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)選取的級(jí)配和油石比，制備AC-13C和SMA-13鋼渣瀝青混凝土試件，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[7]要求開(kāi)展凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)，水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果 (%)

由表5可知，用鋼渣粗集料配制的AC-13C、SMA-13鋼渣瀝青混凝土試件的凍融劈裂強(qiáng)度比和浸水殘留穩(wěn)定度均優(yōu)于規(guī)范要求。AC-13C鋼渣瀝青混凝土試件的水穩(wěn)定性能較好，凍融劈裂強(qiáng)度比為94.07%，浸水殘留穩(wěn)定度為93.80%。

對(duì)AC-13C和SMA-13鋼渣瀝青混凝土的水穩(wěn)定性開(kāi)展精準(zhǔn)評(píng)估，將其與多種類(lèi)型瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比，這些瀝青混合料中最大的公稱(chēng)粒徑為13.2 mm。鋼渣瀝青混凝土與普通瀝青混凝土水穩(wěn)定性對(duì)比[8-14]如表6所示。

由表6可知，各類(lèi)型鋼渣瀝青混凝土凍融劈裂強(qiáng)度比和浸水馬歇爾穩(wěn)定度均達(dá)到較高水平。AC-13C鋼渣瀝青混凝土(①)的水穩(wěn)定性?xún)?yōu)于玄武巖集料配制的SMA-13瀝青混凝土(⑦)的水穩(wěn)定性。

表6 鋼渣瀝青混凝土與普通瀝青混凝土水穩(wěn)定性對(duì)比 (%)

SUP-13鋼渣瀝青混凝土(⑤)的水穩(wěn)定性?xún)?yōu)于玄武巖集料配制的SUP-13瀝青混凝土(⑥)的水穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)SMA-13、 AC-13C鋼渣瀝青混凝土的水穩(wěn)定性開(kāi)展測(cè)試，主要結(jié)論如下：

(1) AC-13C、SMA-13鋼渣瀝青混凝土的凍融劈裂強(qiáng)度比和浸水殘留穩(wěn)定度均滿(mǎn)足規(guī)范要求，AC-13C 鋼渣瀝青混凝土水穩(wěn)定性?xún)?yōu)于SMA-13鋼渣瀝青混凝土。

(2) AC-13C鋼渣瀝青混凝土(①)的水穩(wěn)定性?xún)?yōu)于玄武巖集料配制的SMA-13(⑦)瀝青混凝土的水穩(wěn)定性。

(3) SUP-13鋼渣瀝青混凝土(⑤)的水穩(wěn)定性?xún)?yōu)于玄武巖集料配制的SUP-13瀝青混凝土(⑥)的水穩(wěn)定性。

(4) 鋼渣中含有f-CaO，該物質(zhì)遇水膨脹是導(dǎo)致鋼渣膨脹的主要因素。因此，在應(yīng)用于道路工程時(shí)，應(yīng)對(duì)鋼渣原料的膨脹性能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試，避免服役期鋼渣膨脹對(duì)瀝青路面造成損傷。