杨锐
(南京市公路事业发展中心,江苏 南京 210000)
随着我国交通运输行业不断发展,道路工程规模迅速扩大,优质的石材已经越来越难以满足不断增长的需求。但是石材的开采对环境的影响严重,随着开采受到管制,工程成本不断提高,优质石料供应成为限制我国高速公路建设的严峻问题,急需寻找一种替代品当作筑路材料,比如工业废渣与建筑垃圾等。我国《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》明确提出:开展资源综合利用是我国深入实施可持续发展战略的重要内容。钢渣作为一种产量巨大的工业废渣,具有密度大、坚硬、耐磨等优良的物理力学性能,以钢渣作为筑路材料,不仅降低了工程成本,而且为钢渣资源找到了新的利用途径,同时避免了环境污染,是一种理想优质沥青路面磨耗层材料。但是钢渣由于选用原料的不同、冶炼工艺的差异,化学成分也有所不同,会导致路用性能波动,因此需要对钢渣原料进行处理。本文对钢渣处理工艺进行探究,并研究钢渣对SMA 沥青混合料性能的影响规律,为钢渣资源的高质量利用提供依据。
适用于道路工程的钢渣处理工艺包括以下内容:
第一,采用热泼法对液态钢渣喷水降温,促进钢渣中CaO 分解,增加钢渣的稳定性;
第二,经破碎、筛分、磁选,去除其中金属,形成新渣;
第三,新渣堆放陈化半年以上;
第四,经过再破碎、筛选、分级后成为筑路原材料。
钢渣根据生产工艺,可分为平炉渣、转炉渣与电炉渣,其中转炉钢渣由于数量大且水化活性高,最适合替代石料做筑路建材。本文采用的钢渣来自广西某钢铁公司。依据《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)进行常规性能检测,对比钢渣与天然石料辉绿岩、石灰岩,检测结果见表1。
由表1可知,钢渣具有以下特点:
表1 钢渣物理性能指标
第一,密度大、吸水率高,因此在制备混合料时有效沥青含量会略微降低,应适当增加沥青用量,高吸水率也会影响混合料水稳定性,因此要合理控制钢渣对石料的替代率。
第二,硬度大、磨光值高,用于铺筑沥青上面层可提高路面抗滑性。
第三,洛杉矶磨耗值低,会导致混合料高温稳定性、耐磨性、耐久性降低,因此要控制替代率。
第四,MgSO稳定性远优于技术要求,说明钢渣具有良好的抗冻性能。
由于钢渣具有粉化膨胀特性,使用不当会导致路面膨胀起裂,建成后很快出现裂缝或者拥包等病害,因此活性检验是钢渣沥青混合料的重要性能研究内容。钢渣沥青混凝土膨胀量测定方法参考《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)对钢渣活性及膨胀性试验方法的相关规定,对玄武岩纤维掺量0.4%的SMA-13 进行检测。根据检测结果,钢渣SMA-13 的3 组试验平均膨胀量为0.85%,远低于技术要求的1.5%,说明钢渣SMA-13 满足规范要求的膨胀量,体积稳定性符合路用需求。
采用浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验评价混合料水稳定性,在SBS 改性沥青、玄武岩纤维掺量0.4%、最佳油石比条件下,制备钢渣、辉绿岩的SMA-13 试件进行试验。试验结果为:钢渣SMA-13 的浸水马歇尔残留稳定度为87.7%,略低于辉绿岩的90.3%,但是明显高于规范要求的80%,说明高温多雨环境下,钢渣SMA-13 的水稳定性能满足路用需求。
采用车辙试验评价混合料高温稳定性,在SBS 改性沥青、玄武岩纤维掺量0.4%、最佳油石比条件下,制备钢渣、辉绿岩、石灰岩的SMA-13 试件,试验结果见图1。
由图1可知,不同温度下钢渣SMA-13 的动稳定度均为最高,因为钢渣颗粒形状较为规整,近似正方体,可以更好地形成嵌挤结构,同时钢渣颗粒表面纹理更粗糙多孔,可以更好地黏附沥青,宏观上表现为混合料具有更高的抗剪切性能。
图1 不同温度下的车辙试验结果
采用冻融劈裂试验评价混合料低温性能,在SBS改性沥青、玄武岩纤维掺量0.4%、最佳油石比条件下,制备钢渣、辉绿岩的SMA-13 试件进行试验。得试验结果:钢渣SMA-13 的冻融劈裂残留强度比为92.2%,高于辉绿岩的88.4%,明显高于规范要求的80%,说明低温雨雪环境下钢渣SMA-13 具有较强的低温抗裂性能。
本文采用摆式摩擦系数测定仪法、手工铺砂法得出横向力系数SFC(摩擦系数BPN 换算)、构造深度来评价抗滑性能,试验结果如图2、图3所示。
图2 摩擦系数试验结果
混合料的横向力系数SFC分别为92.6 和65.6,均明显大于规范要求的54,且钢渣是辉绿岩的1.4倍。由图3可知,钢渣SMA-13 的表面构造深度大于辉绿岩SMA-13,均高于规范要求的0.55mm。因此说明钢渣SMA-13 具有明显优于辉绿岩SMA-13 的抗滑性能。
图3 构造深度试验结果
采用路面渗水仪进行沥青混合料渗水试验,渗水系数能够宏观反映混合料水稳定性、级配、内部空隙率情况。在SBS 改性沥青、玄武岩纤维掺量0.4%、最佳油石比条件下,制备钢渣、辉绿岩的SMA-13 试件进行试验。试验结果为:钢渣SMA-13 车辙板渗水系数39mL/min,满足规范要求的小于80mL/min,但是高于辉绿岩SMA-13 车辙板渗水系数28mL/min,说明钢渣SMA-13 结构空隙率大,这是因为钢渣自身为多孔结构吸水率高,因此需关注钢渣沥青混合料在长期通车后的性能老化。
综上研究成果可知,由于钢渣自身纹理丰富多孔、质地坚硬、形状规整,能够与沥青更好地黏结,形成的嵌挤结构比天然集料更稳定,能够承受更大的荷载,因此其制备的沥青混合料相比天然石料混合料具有更好的高温、低温、抗滑性能,但是其浸水马歇尔残留度、抗渗性能略低,所以钢渣取代天然石料更适用于北方冬季多雪地区。