基于多孔钢渣的沥青混合料设计与路用性能研究*

2018-03-05杨俊霖樊向阳冯光乐

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2018年1期

杨俊霖罗蓉樊向阳冯光乐

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (湖北省公路工程技术研究中心2) 武汉 430063)(湖北省交通厅工程质量监督局3) 武汉 430014)

0 引言

钢渣由于回收利用途径不畅，大量的堆放不仅会占据了宝贵的土地和空间资源，并且容易造成土壤和水源的污染[1].我国钢渣的堆积总量已超过10亿t，每年还以上亿t的速度增长，可是我国的钢渣利用水平远低于欧美和日本等发达国家[2].并且，随着我国公路建设的迅猛发展，优质的路用石料资源日益紧缺，公路行业的发展也迫切需要寻找可以代替路用石料的其他材料[3].因此将钢渣代替传统石料用于高速公路建设不仅具有良好的工程经济效益，而且有助于促进公路建设的绿色可持续发展[4].

国内对钢渣用于沥青路面的研究发展较快，但是相关的技术应用还远落后于欧美等国家，还未形成钢渣沥青混凝土的设计与施工规范[5].文中以AC-20石灰岩沥青混合料作为对比，选用多孔钢渣为粗集料，石灰岩为细集料，制备AC-20连续密级配钢渣沥青混合料，对其级配组成及最佳油石比的确定过程进行研究，最终通过试验来检验钢渣沥青混合料的高温稳定性、水稳定性以及膨胀性.

1 原材料性能

1.1 粗集料

粗集料包括钢渣与石灰岩.钢渣的外观与传统石料之间存在一些差异.钢渣表面呈现灰黑色，棱角性丰富，并且表面孔隙较多.钢渣与石灰岩的各项物理力学性质指标见表1～2，试验所使用的钢渣与石灰岩各项指标相比较，较为明显的是钢渣的吸水率达到了2.4%，是石灰岩吸水率的近4倍，这也说明钢渣内部的孔隙较多而造成钢渣易吸水的特点.但是多孔隙的钢渣仍然有着较高的强度，材质坚硬，耐磨性能优良.并且由于钢渣含有金属元素，其表观相对密度较大，比石灰岩高出16%.

表1 粗集料钢渣物理力学性质指标

表2 粗集料石灰岩物理力学性质指标

1.2 细集料

细集料石灰岩产自湖北省京山县，其各项物理力学性质指标都满足规范要求，见表3.

表3 细集料石灰岩物理力学性质指标

1.3 沥青

采用70#基质石油沥青，各项检测指标都满足规范要求，见表4.

表4 沥青基本性能指标

2 配合比设计

2.1 级配设计

沥青混合料的级配组成对其各项路用性能有着重要的影响，因此,本次试验的两组沥青混合料均采用相同的级配，以达到排除级配差异对试验对照结论所产生的影响.试验所选用级配的级配曲线为图1中的级配1曲线，并且该级配曲线满足规范要求.当采用马歇尔设计方法对钢渣沥青混合料进行设计时，由于常规的级配设计中默认采用同一种类的集料，因此,保证各档集料的质量配比即可控制各档集料的体积配比，从而完成级配设计工作.但采用钢渣和天然集料共同进行级配设计时，若忽略这两种材料之间的密度差异，直接将各档集料的质量配比当做体积之间的配比，这样所确定的实际合成级配曲线与理论上的目标级配曲线将存差异.并且这种差异将随着钢渣与天然石料密度比值的增大而增大.因此，为了保证钢渣沥青混合料的实际合成级配与理论目标级配一致，必须将由质量控制确定的钢渣掺入质量乘以钢渣与石料的密度比值，若以级配1作为目标级配为例，不考虑掺入的钢渣与石灰岩之间的密度差异，则实际得到的合成级配曲线为图1中的级配2曲线.通过两条级配曲线的对比可知，若不考虑密度的影响，实际合成级配与目标级配相比是不一致的，并且钢渣的实际掺入比例变低，实际的合成级配偏细.

图1 级配曲线设计

2.2 最佳油石比

由于钢渣具有多孔隙的特点，因此,钢渣沥青混合料与石灰岩沥青混合料的最佳油石比将会存在差异，并且掺入钢渣后混合料的最佳油石比将显著升高.根据马歇尔设计方法，对石灰岩沥青混合料分别选取油石比为3.0%，3.5%，4.0%，4.5%,5.0%成型试件来检测混合料体积指标以及稳定度流值等指标，最终确定其最佳油石比为4.1%.对于钢渣沥青混合料，分别选取油石比为4.5%，5.0%，5.5%，6.0%,6.5%，同样采用马歇尔试验的指标最终确定钢渣沥青混合料的最佳油石比为5.2%.与同级配下的石灰岩沥青混合料相比，AC-20钢渣沥青混合料油石比高出了1.1%.由于油石比的定义是沥青质量与集料质量的比值，而钢渣的密度比石灰岩大，在集料体积相同的情况下，掺入了钢渣的集料总质量更大，即使油石比相同的情况下钢渣沥青混合料的实际沥青用量还是要大于石灰岩沥青混合料，因此虽然两者的最佳油石的差异为1.1%，而沥青的实际用量差异将更大，这也表明钢渣的多孔特性导致钢渣对沥青的吸收能力较强.在进行经济性分析时，假定沥青混合料体积同为1 m3，钢渣沥青混合料的质量为2.708 t，石灰岩沥青混合料质量为2.552 t.可以看出二者质量差异较大，传统的油石比指标不适合用于钢渣沥青混合料的经济效益分析,因此,需要定义相同体积下沥青混合料的沥青用量，才能使钢渣沥青混合料与石灰岩沥青混合料具有可比性.在沥青混合料体积同为1 m3时，经过换算，石灰岩沥青混合料的沥青用量为102.9 kg，而钢渣沥青混合料的沥青用量为133.9 kg，比石灰岩沥青混合料的沥青用量高出23%.

3 路用性能检测与分析

3.1 高温稳定性

高温稳定性是沥青混合料性能检测中的重要指标.根据现有规范，采用车辙试验中的动稳定度指标来评价混合料的高温抗车辙能力，两组混合料的动稳定度指标见表5，由表5可知，钢渣沥青混合料的高温稳定性优于石灰岩沥青混合料，并且两种沥青混合料的高温抗车辙性能都远高于规范要求下限.

表5 车辙试验数据次/mm

3.2 水稳定性

水稳定性是指沥青混合料受到水的侵蚀后在温湿度及车辆荷载作用下抵抗集料与沥青膜剥落的能力，水稳定性不足将导致沥青路面的水损害现象频发[6],因此,采用浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验来重点考察钢渣沥青混合料的水稳定性能，试验结果见表6～7.从浸水马歇尔试验数据可知，钢渣沥青混合料的残留稳定度高于石灰岩沥青混合料，并且都符合规范要求.但是由于浸水马歇尔试验所成型的试件孔隙率较小，短时间内水侵蚀试件的难度较大，因此,浸水马歇尔试验用于评价水稳定性能还存在一定局限性.而冻融劈裂试验的混合料试件孔隙率相对较大，并且将水的温度范围扩展至-18～60 ℃，考虑了水和温度共同作用的影响，试验环境更加符合工程实际情况,因此,通过采用冻融劈裂试验来评价混合料水稳定性，结果表明，钢渣沥青混合料的水稳定性能十分优良，相比之下石灰岩沥青混合料的劈裂强度比略高于规范要求的下限值.两种试验都验证了钢渣沥青混合料的水稳定性较好，表明被钢渣内部孔隙所吸收的沥青与钢渣粘结较为紧密，不易剥落.

表6 浸水马歇尔试验数据 %

表7 冻融劈裂试验数据 %

3.3 膨胀性

沥青混合料的膨胀性也是钢渣沥青混合料需要重点考察的性质.混合料发生膨胀的原因主要是钢渣的化学成分中含有游离的氧化钙，游离氧化钙在遇水反应后生产氢氧化钙，并出现体积膨胀的现象[7].在沥青路面中，这一反应过程产生的膨胀应力将导致路面发生开裂现象.根据现有规范，采用钢渣沥青混合料的膨胀性试验，利用试件在60 ℃的水中浸水72 h过程前后的体积变化来计算钢渣沥青混合料的膨胀量，具体数据如表8所示.可以看到钢渣沥青混合料的膨胀量在规范要求之内，膨胀性较小.