新型筑路材料在公路路面工程的试验检测分析

2022-09-30 08:22申铁军
四川建材 2022年9期
关键词:钢渣煤矸石集料

张 璠,申铁军

(1.山西路桥第七工程有限公司,山西 晋城 048000;2.山西路桥集团晋南项目管理有限公司,山西 太原 030006)

0 前 言

新型筑路材料近年来在山西省公路建设中得到大面积推广应用,如钢渣全组分梯级利用技术将钢渣制备成高等级沥青路面用优质集料,实现了钢渣100%全组分利用。2015年中国建材联合会专家评审会一致认为,该技术为国际先进水平。根据钢渣粒径分布的规律,进行了基于AC-16、AC-13> SMA-13 级配类型的初步配合比设计试验以及钢渣沥青混合料的路用性能试验,包括体积稳定性能、水稳定性能、高温稳定性能及低温抗裂性能、抗疲劳开裂性能等;同时还针对钢铁尾渣的环境影响进行了初步评价。一系列的研究成果表明钢渣可用于沥青路面抗滑表面层的设计与制备中。国内其他单位也针对钢渣在沥青路面中的应用开展研究工作。

1 新型筑路材料应用实例

1.1 土凝岩技术简介

土凝岩是通过对赤泥、煤矸石等工业废渣研磨,掺入一定比例的活性剂配合而成,终凝时间超过10 h(具体时间还可根据施工需要进行调整),作为对筑路材料的改良,土凝岩的干缩系数、温缩系数均小于水泥稳定土,不容易产生开裂,抗渗、抗冻抗压、抗冲刷性均明显提高。土凝岩的强度要高于石灰稳定土[1]。

1.2 工程应用实例

山西省隰县至吉县高速公路路面原设计底基层为水泥稳定碎石结构,现采用新型筑路材料,底基层用土凝岩稳定煤矸石代替50%以上碎石(仅做试验段),路面原设计面层为沥青混凝土,现用钢渣代替50%以上碎石,成为钢渣沥青混凝土(大面积施工应用)。此项技术的应用属于固体废渣再利用,不仅节约能源,降低能耗,而且消除污染,环保意义重大,在山西临汾地区社会反响巨大。

2 土凝岩稳定煤矸石基层(底基层)

2.1 土凝岩稳定煤矸石的设计思路

依据煤矸石:土质量比为60%∶40%的比例进行拌合,土凝岩掺配比例为10%和12%两种。土凝岩掺配采用外掺法。

2.2 土凝岩稳定煤矸石室内试验

2.2.1 土的基本物理性质

依据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020),釆用筛分法和液塑限联合测定法,分别测得土的颗粒分析和液限、塑限以及塑性指数,最终确定该土为:液限ωL为27.0%,塑限ωp为17.8%,塑性指数为9.2,颗粒分析见表1。

表1 颗粒分析表

2.2.2 煤矸石的物理性质

依据《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)对煤矸石进行筛分试验和压碎值试验,结果见表2~3。

2.2.3 稳定煤矸石的试验方案

本次试验采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009),胶凝材料釆用土凝岩。并调整原材料的级配,煤矸石:土质量比为60%∶40%。依据设计思路,本次方案釆用土凝岩为10%、12%两种掺量进行试验,掺配釆用外掺法,试验数据判定依《公路路基施工技术规范》(JTG/T 3610—2019)。试验项目为土凝岩原材料试验、标准击实、标准击实延迟试验、7 d无侧限抗压强度试验。

1)土凝岩混合料试验。依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)对土凝岩混合料(煤矸石∶土为60%∶40%)进行室内标准击实、剂量标定、击实延迟试验、7 d、28 d无侧限抗压强度试验。试验结果如下:掺量12%时,7 d抗压强度4.17 MPa,最佳含水率8.4%,最大干密度1.98 g/cm3;掺量10%时,7 d抗压强度3.74 MPa,最佳含水率8.7%,最大干密度2.00 g/cm3

2)击实试验。将烘干的煤矸石按四分法取样,称取一定质量与土按质量比60∶40的比例拌和拌和均匀,依次拌和5份试样,按提前计算好的含水率依次加入再次拌合均匀,最后装袋闷料12 h。闷料结束后,将土凝岩按掺量比例称好并拌合均匀进行击实试验。击实试验结束后得出最大干密度和最佳含水率用于后期计算试件质量及试件含水率[2]。

3)无侧限抗压强度试件成型及养护。按击实结果计算出的干密度和含水率将煤矸石、土和一定质量的水拌合均匀,闷料12 h,闷料结束后,按掺配比例称取土凝岩的质量,再进行拌合,之后按击实结果计算得出的单个试件质量进行装料并成型试件。试件成型结束,静置2 h后进行脱模,脱模后记录编号、试件质量并装入塑料袋放在标准养护室养生6 d,第7天取出泡在20℃±2℃水中静置24 h,水面高于试件顶面2.5 cm。泡水结束后擦干试件表面水分称取试件质量并立即进行强度试验[3]。

2.2.4 初步试验结果分析

1)7 d无侧限抗压强度。土凝岩稳定煤矸石(煤矸石∶土质量比=60%∶40%,土凝剂含量10%)7 d无侧限抗压强度为3.74 MPa;土凝岩稳定煤矸石(煤矸石∶土质量比=60%∶40%,土凝剂含量10%)7 d无侧限抗压强度为4.17 MPa。相比原设计水泥稳定碎石,土凝岩稳定煤矸石7 d无侧限抗压强度指标满足要求。

2)其他指标(如压实度、弯沉等)需试验段铺筑后进行验证。

3 钢渣沥青混凝土面层

3.1 钢渣沥青混凝土特性研究

1)钢渣资源分布与材料特性研究。研究山西临汾及其周边地区代表性钢渣材料的产量、处理工艺及特性,具体包括:钢铁尾渣原渣的密度、游离氧化钙含量、游离氧化镁含量、集料特性指标、吸水率、膨胀率等。探讨钢渣材料性能的影响规律,提出沥青路面用钢渣集料的质量控制技术标准。

2)钢渣集料制备及其在沥青混合料中的研究。钢铁渣制备道路工程用集料的制备工艺研究,分析钢铁渣原渣粒径与陈化时间;破碎及集料均质化设备选型与工艺优化;钢铁渣集料技术规范。开展钢渣沥青磨耗层混合料配合比设计,通过研究大掺量钢渣沥青混合料的组成设计方法,分析钢渣在混合料多级分散体系中最佳应用组成,提出控制钢渣与天然集料因比重差异产生级配变异的方法。

3)钢渣沥青混合料性能研究。开展钢渣沥青混合料力学与耐久性能研究,具体研究内容包括:钢渣集料对沥青混合料力学强度特征;钢渣沥青混合料高温稳定性能、低温抗开裂性能、抗疲劳性能以及抗水损害性能、钢渣沥青混合料抗滑耐磨性能

4)钢渣环境影响评价研究。开展钢铁渣环境影响评价研究,具体内容包括:钢渣的重金属毒性浸出试验研究、钢渣沥青混合料的重金属浸出试验研究。

5)钢渣沥青路面施工特性及试验段跟踪观测研究。研究钢渣沥青混凝土的施工特性,分析钢渣的有效运距、拌合工艺参数及最佳碾压温度,探究其与普通沥青混凝土施工工艺的区别,提出钢渣沥青路面抗滑表层施工技术。铺筑钢渣沥青混凝土面层试验段,进行跟踪观察检测,为钢渣沥青路面在山西临汾地区的推广应用提供技术支撑[4]。

3.2 关键技术问题

1)从钢渣的多孔结构、表面形貌以及与沥青的粘附特性角度出发,揭示钢渣微观性能与沥青混合料宏观抗滑耐磨性能之间的内在联系、影响因素与作用机理。

2)从钢渣沥青混合料材料组成设计与制备方法入手,解决严酷自然条件及交通状况下传统沥青混合料抗滑性能与抗水损害性能差的问题,显著改善沥青混凝土的服役性能,延长服役寿命。

3)从钢渣资源化角度入手,解决大掺量钢渣与沥青混凝土耐久性能之间的适应性问题,改善沥青混凝土抗滑耐磨性能的同时,兼顾改善沥青混合料的高低温性能以及疲劳性能。

3.3 研究采用的技术路线与实施方案

结合山西省隰吉高速公路建设工程实际,技术路线与实施方案如下。

1)掌握山西省临汾地区潜在钢渣资源状况与材料特性,重点针对钢渣的体积不稳定性以及其微观特性与沥青粘附性之间的关系开展研究工作。

2)在解决钢渣体积稳定性问题的基础上,以钢渣骨料嵌挤结构特征、钢渣沥青混合料中有效沥青含量、基于重载交通的抗滑耐磨长寿命钢渣沥青混合料的要求,开展钢渣沥青混合料的配合比设计与优化工作。

3)以钢渣沥青混合料优化配合比为指导,以钢渣与沥青之间的粘附机理为理论基础,开展钢渣沥青混合料的耐久性研究工作。

4)以伴生有害元素的输入、固化、迁移特性为基础,开展全过程的钢渣沥青混合料环境影响评价工作。

4 结束语

目前,山西省隰吉高速公路已普遍应用试验云检系统、拌合站预警系统,掌握原材料及关联实体工程质量动态,推进材料管控信息化、科学化、智能化。

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