掺钢渣集料的沥青混合料路用性能试验研究.pdf

道|路|工|程掺钢渣集料的沥青混合料路用性能试验研究刘营1,涂福运1,李瑞娇,张红日3（1.广西路桥工程集团有限公司，广西5300293.广西交科集团有限公司，广西摘要：为了进一步提高钢渣的利用率，文章研究将钢渣替换传统道路工程集料应用于道路工程面层沥青混合料中，取防城港某钢厂炼钢产生的经过露天陈化1 2 个月后的转炉钢渣开展物理化学特性试验，并采用ARAC一1 3 G型设计混合料级配，通过马歇尔试验、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研究了掺钢渣粗集料的沥青混合料各项路用性能。研究结果表明：掺入钢渣集料后，最佳油石比增大，低温抗裂性和水稳定性能增强，但高温稳定性下降，各项性能都满足路用技术要求。关键词：钢渣；沥青混合料；路用性能；掺量中图分类号：U416.03文献标识码：ADOl：1 0.1 3 2 8 2/j.c n k i.Wc c s t.2 0 2 3.0 8.0 0 2文章编号:1 6 7 3-48 7 4(2 0 2 3)0 8-0 0 0 4-0 40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。2 0 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8 3.5%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9 5%，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 50 0 万元/km7，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1 2%2 0%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2 0 1 8 年，我国的钢渣产量接近1 亿t，堆存量已达1 7 亿t101，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”，实现钢渣的基金项目：2 0 2 2 年度广西交通运输行业重点科技项目清单一一创新研发项目“钢渣基泡沫混凝土制备及在路基工程中的应用技术研究”（桂交便函2 0 2 2 1 7 4号);2 0 2 0 年度第三批广西交通运输行业重点科技项目清单科技成果推广项目“钢渣混凝土的安定性及质量提升应用技术研究”（桂交便函【2 0 2 0 1 50 号）作者简介：刘营（1 9 8 9 一），硕士，工程师，主要从事道路桥梁施工工作。南宁530200;2.广西新发展交通集团有限公司，广西南宁百南宁530007)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4.7 51 6 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9.516 mm、4.7 5 9.5m m,细集料为辉绿岩,规格为 0 4.75mm。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针入度延度软化弹性恢相对质量(0.1 mm)(cm)点()复/%4814钢渣为防城港市某钢厂生产的自然陈放1 2 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1 2 个月转炉钢渣主要化学成分表（%）CaoFe2O3SiO240.7422.2319.316.263.383.352.072.66钢渣的碱度值R按式(1)计算1 1。其R值 1,所薄膜加热试验残留残留密度针入损失延度度比(%)(cm)(%)71791.055-0.488.3MgoMnoAl203P2Os其他一4西部交通科技WestemnchinsCommunications Science&Technology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(SiO,)+(P,O.)+(Al2 O.)+(Fe,Q.)(1)根据公路工程集料试验规程(JTGE42-2005)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钢渣辉绿岩检测项目4.759.5mm表观相对密度3.4吸水率(%)2.6216.2集料压碎值(%)针片状颗粒含量（%）磨光值(PSV)洛杉矶磨耗值（%）与沥青粘附等级04.75mm细集料选用辉绿岩机制砂，填料采用石灰岩矿粉。0 4.7 5mm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40 4.7 5mm机制砂细集料技术指标测定结果表表观密毛体积坚固性材料项目度（g相对(0.3mm(2.5一1 2表5填料技术指标测定结果表表观粒度范围含水亲水塑性材料项目密度量(%)系数指数(gcm-3)0.6 mm 0.15 mm 0.075 mm实测值2.7680.910.93.6100矿粉技术2.61141009010075100标准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(DB45T1098-2014-1)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9.516 mm:4.759.5 mm:04.75 mm:填料=3 8 :3 7 :20：5。钢渣按50%、1 0 0%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通过下列筛孔（mm)的质量百分率（%）集料16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.189.5100764000000016mm钢渣9.510078200 0000016mm辉绿岩4.759.54.7516mm9.5 mm3.3873.0722.490.4618.46.423.95949.229225级5级18.230.60.3 0.15 0.075 9.51001009891 000009.5 mm 辉绿岩16mm4.753.0879.5 mm钢渣0.38011.14.75 mm辉绿岩矿粉100100100100100100100 100989015.611.54947.69.813.25级5级含泥量砂当量1.6756598.190100100998100 000100100 10010078 61 3418930掺量10091622820171186550%掺量100916227201611864100%掺量10091622619 1611864上限10010070 38282418 14117下限100905020151285 322.2.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%、1 0 0%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钢渣油石毛体最大理论空隙矿料饱和稳定流值集料积相比(%)相对率(%)掺量对密度密度05.62.6122.7015.450%5.82.6162.7415.217.6 70.510.373.5100%6.02.6102.7715.518.3709.523.9技术1要求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间隙度(%)度(kN)(mm)率(%)1770.311.373.1一36一708558.0252023年第8 期总第1 9 3 期5道路工程的特性，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（JTGE20-2011)14I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。6.00015.000(uu/4)40003000+22.00010000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51 8 0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2 50 mm30mm35mm。低温破坏应变值测试结果如图2 所示。4.00013.500(）3.00025002000150010005000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，1 0 0%掺入钢渣集料后，沥青混合料的低温破坏应变为3 3 6 0(ue），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（JTGE202 0 1 1）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。100-残留稳定度85%85(%）80动稳定度603000次（mm）-050钢渣集料掺量（%）050钢渣集料掺量（%）40-20-0100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8 8%9 3.2%，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（JTGE202 0 1 1)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）。100低温破坏应变25001000钢渣集料掺量（%）806040200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8 3%9 0.3%，大于规范要求的8 0%，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ARAC1 3 G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%、50050钢渣集料掺量（%）100100TSR80%6西部交通科技wesiem chinsCommunications Science&Technology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 8 5%，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 8 0%，且随着钢渣掺量的增大，冻融劈裂抗拉强度比也随之增大。参考文献1 李立寒，张南鹭.道路工程材料（第五版)M.北京：人民交通出版社，2 0 0 9.2卢国胜.沥青混凝土路面结构设计探讨J.西南科技大学学报（自然科学版）2 0 0 4（1)：6 6-6 9.3Kent R.Hansen,Audrey Copeland.Asphalt Pavement IndustrySurvey on Recycled Materials and Warm-Mix Asphalt Usage2016(Information Series 138)7th Annual SurveyLR.USA:Na-tional Asphalt Pavement Association,2017.4崔鹏，孙立军，胡晓.高等级公路长寿命路面研究综+述J.公路交通科技，2 0 0 6(1 0)：1 0-1 4.5张庆，侯德华，史纪村.橡胶沥青的微观表征方法及其微观特性综述J.材料导报，2 0 1 9,3 3(S2)：2 47-2 53.6杨志峰，李美江，王旭东.废旧橡胶粉在道路工程中应用的历史和现状J.公路交通科技，2 0 0 5,2 2(7)：1 9-2 2.7吴中华.橡胶粉改性沥青及混合料路用性能研究D.杭州：浙江大学,2 0 1 3.8蓝天助，张红日，陆世斌，等.泵送钢渣混凝土配合比设计与试验研究J.混凝土，2 0 2 0,3 7 2（1 0)：1 0 6-1 0 9.9Wu S,Xue Y,Ye Q,et al.Utilization of steel slag as aggre-gates for stone mastic asphalt(SMA)mixturesJ.Building&Environment,2007,42(7):2 580-2 585.10王会刚,彭犇，岳昌盛，等.钢渣改性研究进展及展望J.环境工程，2 0 2 0,3 8(5)：1 3 3-1 3 7，1 0 6.11俞海明.钢渣处理与综合利用M.北京：冶金工业出版社,2 0 1 5.12JTGE42-2005,公路工程集料试验规程S.13DB45T1098-2014-1,橡胶沥青路面施工技术规范S.1 4JT G E2 0-2 0 1 1，公路工程沥青及沥青混合料试验规程S.收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 2+(上接第3 页）旧桥的病害进行检测，获取了钢筋混凝土空心板旧桥底板开裂病害的分布情况；采用ANSYS有限元软件建立了旧桥的三维精细化实体有限元模型，对旧桥的技术状况进行计算评定，结果表明旧桥的技术状况评分为56.8，属于三类桥，跨中弯矩不满足公路一I级荷载要求，梁端剪力满足要求；开展了旧桥的荷载试验，试验结果表明旧桥的承载力略低于公路一I级荷载，且存在一定病害，需要进行加固，进一步验证了钢筋混凝土空心板旧桥底板开裂后理论分析结果的准确性，可为国内同类型桥梁的检测与评估提供借鉴和参考。参考文献1金祖权，吝杰，侯保荣.滨海大桥混凝土结构耐久性检测与评估JI.公路交通科技，2 0 1 0,2 7(S1)：58-6 2.2曹明旭,刘钊,孟杰.美国桥梁病害及倒塌事故统计分析与思考J.公路,2 0 0 9(7)：1 6 2 1 6 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