掺钢渣集料的沥青混合料路用性能试验研究

刘 营,涂福运,李瑞娇,张红日

(1.广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530200;2.广西新发展交通集团有限公司,广西 南宁 530029;3.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

沥青混合料是由矿料按一定比例混合后与沥青结合料经拌制而成的路面材料,经运输、摊铺、碾压成型后成为沥青路面[1]。与水泥路面相比,沥青路面具有平整度高、抗裂性好、耐磨性能好、震动小、噪音低、易于施工等优点[2]。20世纪50年代以来,各国修建的沥青路面数量快速增长,美国所有道路中约有83.5%的路面为沥青路面[3],而我国已建成的高等级及次高等级路面中,沥青路面也占了相当大的比重[4],可见,沥青路面已成为道路工程路面体系中的主要类型。橡胶沥青是添加了废橡胶粉的一种改性沥青,众多研究表明,橡胶沥青具有良好的低温抗裂性、抗老化性能、抗疲劳等性能,因而被广泛应用于公路的上面层中。沥青混合料的组成中集料占了混合料总量的95%,沥青约占混合料总量的5%左右[5-6]。所以,沥青路面的建设需要大量的优质砂石材料,目前主要以辉绿岩、玄武岩及石灰岩为主。然而,大量的砂石开采不仅会破坏植被景观,且加工成优质的道路工程集料也需要消耗大量的能源及机械,导致沥青路面材料成本也较高。据粗略估计,沥青混凝路面材料成本比水泥混凝土路面高约3 500万元/km2[7],因此,以固体废弃物替代优质的道路工程集料,同时进一步降低沥青路面的材料成本成了目前的研究热点。

钢渣是钢铁冶炼过程中的副产品[8],其产量约为粗钢产量的12%～20%[9]。随着需钢量的逐渐增大,钢渣的产量也越来越多。据统计,截止至2018年,我国的钢渣产量接近1亿t,堆存量已达17亿t[10],因此,钢渣的处理及利用已成为钢铁工业目前要解决的重大问题之一。将钢渣用于道路工程,可将钢渣“变废为宝”,实现钢渣的资源化利用,从而降低公路集料的消耗,减少因天然砂石开采对生态环境的破坏,促进交通绿色发展。

本文基于钢渣的特性,以4.75～16 mm钢渣等体积替代辉绿岩粗集料,选用ARAC-13G型混合料级配在最佳油石比条件下开展车轴试验、低温抗裂性试验、浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验等各项路用性能试验研究,得出掺钢渣的沥青混合料各项路用性能良好,具有广阔的应用前景。

1 原材料

试验粗集料采用钢渣和辉绿岩,规格均为9.5～16 mm、4.75～9.5 mm,细集料为辉绿岩,规格为0～4.75 mm。沥青采用橡胶沥青,各项指标见表1。

表1 橡胶沥青性能指标表

钢渣为防城港市某钢厂生产的自然陈放12个月以上的热闷型转炉钢渣,其化学组成如表2所示。

表2 陈化12个月转炉钢渣主要化学成分表(%)

钢渣的碱度值R按式(1)计算[11]。其R值>1,所以,该钢渣归为碱性骨料,易与橡胶沥青发生化学结合,增强钢渣与沥青之间的粘结,进而提高橡胶沥青混合料的水稳定性能。

R=w[(CaO)+(MgO)+(MnO)+(FeO)]/w[(SiO2)+(P2O5)+(Al2O3)+(Fe2O3)]

(1)

根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)[12],对钢渣及辉绿岩集料进行物理力学性能试验,得到的各项指标如表3所示。与普通辉绿岩集料相比,钢渣的表观密度、吸水率、压碎值、洛杉矶磨耗值等指标较高,且钢渣集料与沥青的粘附性良好,是一种良好的沥青混合料集料。

表3 钢渣和辉绿岩粗集料技术指标表

0～4.75 mm细集料选用辉绿岩机制砂,填料采用石灰岩矿粉。0～4.75 mm机制砂细集料技术指标测定结果见表4。填料技术指标测定结果见表5。本次试验采用的填料及机制砂集料性能良好。

表5 填料技术指标测定结果表

2 配合比设计

2.1 级配设计

本试验所采用的钢渣沥青混合料采用ARAC-13G型设计混合料级配,根据《橡胶沥青路面施工技术规范》(DB45T 1098-2014-1)[13],矿料级配范围如表6所示。原材料采用辉绿岩粗细集料时各矿料比例为9.5～16 mm∶4.75～9.5 mm∶0～4.75 mm∶填料=38∶37∶20∶5。钢渣按50%、100%等体积替换设计合成级配如表6所示。

表6 各矿料级配及合成级配表

2.2 最佳油石比

钢渣沥青混合料的最佳油石比根据体积指标及稳定度、流值指标共同确定。根据马歇尔试验分别确定0、50%、100%钢渣替代粗集料的沥青混合料最佳油石比,并在最佳油石比下进一步开展马歇尔试验,结果如表7所示,钢渣沥青混合料的物理指标满足技术要求。

表7 不同钢渣掺量沥青混合料马歇尔试验结果表

3 钢渣沥青混合料性能研究

3.1 高温稳定性

高温稳定性是指沥青混合料在高温条件及车辆反复作用条件下保持路面平整并不发生显著的永久变形的特性,目前主要采用车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性。

车辙试验的评价指标为动稳定度DS,即为1 mm车辙深度上的行走次数,本试验采用最佳油石比制备车辙试件,按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[14]进行钢渣ARAC-13G型橡胶沥青混合料60 ℃车辙试验,测其动稳定度DS值,试验结果见图1。

图1 不同钢渣掺量下沥青混合料动稳定度试验结果柱状图

由图1可知,掺入钢渣集料后,沥青混合料的动稳定度降低,钢渣全集料沥青混合料的高温稳定度为5 180次/mm,远高于技术要求。由此可见,钢渣沥青混合料具有良好的高温稳定性。钢渣是一种多孔介质材料,随着钢渣集料掺量的增大,沥青混合料所需要的沥青用量增大,导致钢渣沥青混合料抵抗变形能力降低。

3.2 低温抗裂性

采用小梁低温弯曲试验进行钢渣沥青混合料低温抗裂性能评价。小梁试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mm。低温破坏应变值测试结果如图2所示。

图2 不同钢渣掺量下沥青混合料低温破坏应变试验结果柱状图

由图2可知,钢渣沥青混合料具有良好的低温稳定性,100%掺入钢渣集料后,沥青混合料的低温破坏应变为3 360(με),远高于技术要求。掺入一定的钢渣集料后,混合料嵌挤作用增强,对低温抗裂性能有一定的改善,但随着掺量的逐步增大,低温性能改善不明显,由此可见,低温抗裂性能主要受沥青的影响。

3.3 水稳定性

水稳定性是指沥青混合料抵抗水损害的能力,目前主要采用浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性。

3.3.1 浸水马歇尔试验

采用最佳油石比制备马歇尔试件,按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的T0709-2011进行钢渣ARAC-13G型橡胶沥青混合料浸水马歇尔试验,测得残留稳定度结果如图3所示。

图3 不同钢渣掺量下沥青混合料残留稳定度试验结果柱状图

通过浸水马歇尔试验可知,钢渣沥青混合料的残留稳定度为88%～93.2%,满足施工规范技术要求,且随着钢渣掺量的增大,沥青混合料的残留稳定度也随之增大。这主要是因为钢渣中的碱性物质与沥青中的酸性集料发生反应,增强了钢渣与沥青之间的粘结。

3.3.2 冻融劈裂试验

采用最佳油石比制备马歇尔试件,按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的T0729-2000进行钢渣ARAC-13G型橡胶沥青混合料冻融劈裂试验,测出冻融劈裂试验残留强度比(见图4)。

图4 不同钢渣掺量下沥青混合料冻融劈裂抗拉强度试验结果柱状图

由图4可知,钢渣沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比为83%～90.3%,大于规范要求的80%,且掺入钢渣集料后,沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比增大。由此可见,在经历了水的冻胀剥落作用后,钢渣ARAC-13G型橡胶沥青混合料的水稳定性良好。

4 结语

(1)根据马歇尔试验确定钢渣替代率为0、50%、100%时的沥青混合料最佳油石比分别为5.6%、5.8%、6.0%,钢渣沥青混合料的最佳油石比随着钢渣掺量的增大而增大。

(2)低温抗裂性试验研究显示,掺入一定的钢渣集料后,沥青混合料的低温抗裂性能有一定的改善,但随着集料掺量的增大,改善效果不明显。

(3)浸水马歇尔试验研究显示,在最佳油石比条件下,钢渣沥青混合料的残留稳定度>85%,且随着钢渣掺量的增大,残留稳定度也随之增大。

(4)冻融劈裂试验研究显示,在最佳油石比条件下,钢渣沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比>80%,且随着钢渣掺量的增大,冻融劈裂抗拉强度比也随之增大。