钢渣微表处组成设计与路用性能研究

曹 军

(陕西高速公路工程咨询有限公司,陕西 西安 710064)

1 概述

微表处是由改性乳化沥青、集料、填料、水和添加剂等按照一定配比组成的稀浆混合料，施工时直接在现场常温拌和摊铺，具有开放交通快的特点，同时又具有抗滑、耐磨等优点，所以作为一种重要的养护材料目前已成为我国各等级道路中较为常见的一种养护技术[1]。随着我国道路建设事业的迅速发展，公路建设和养护领域对优质石料的需求与日俱增。而近年来由于人们对生态环境保护意识的增强，天然石料的开采受到了一定的限制，石料已经成为宝贵的不可再生资源。在这一背景下，微表处混合料现场推广和应用也遇到一些瓶颈:

1)作为微表处用粗集料的玄武岩属于优质石料，在我国多数地区储量不多，往往难以及时满足工程需求，或者市场价格较高，使得微表处混合料的性价比不高；

2)传统的微表处混合料的强度不够，服役一段时间后容易很快出现车辙、松散以及与旧路面层脱粘等病害形式[2]。

钢渣作为一种固态废弃物，是在炼钢过程中由于加入石灰提取杂质而附加产生的。近年来，一方面国内钢渣产量激增，另一方面钢渣综合利用率不足30%，以致于大量钢渣只能通过简单堆放占用土地，造成环境污染，却得不到合理利用，造成浪费。同时，钢渣具有高磨光值和高坚固性，比较适用于道路磨耗层，特别是将钢渣应用于微表处混合料中，能充分发挥钢渣高硬度、高耐磨性，实现变废为宝[3]。

综上所述，研究钢渣应用于微表处混合料具有重要意义，通过钢渣自身良好的物理力学性能和表面特性赋予微表处罩面更为持久的抗滑性，可为缓解我国道路养护工程对优质石料的需求紧张提供途径。本文将通过室内试验研究来分析钢渣加入微表处混合料后对其组成设计和路用性能带来的影响，从而为钢渣微表处材料在工程中的推广应用提供试验依据和参考。

2 原材料

2.1 矿料

本文试验对象针对两种微表处混合料，即普通微表处和钢渣改性微表处混合料。两者的区别在于，前者所用粗集料为5 mm～10 mm玄武岩，而后者所用粗集料由钢渣代替。两者所用细集料均为石灰岩机制砂，填料为矿粉和水泥，矿料级配类型也相同，均为规范中推荐的MS-3型中值级配。

所用钢渣为河北钢铁集团产出，已经过稳定化处理，其与玄武岩技术比较见表1。表1试验结果反映钢渣各项技术指标基本能满足高速公路面层对集料的技术要求。但其吸水率指标较差，这是因为钢渣表面多孔，不过由于钢渣表面多孔、粗糙且为碱性，其与沥青的粘附性检测等级较高(显示为5)，而这将有助于提升钢渣微表处的抵抗水损害能力。

表1 玄武岩粗集料和钢渣技术指标比较

2.2 改性乳化沥青

试验中两种微表处所用沥青均为SBR改性乳化沥青，各指标试验结果见表2。

表2 SBR改性乳化沥青技术指标

3 试验结果与分析

1)对用水量的影响。微表处混合料施工过程为呈稀浆状态，摊铺后迅速固化成型，这就要求微表处混合料必须满足一定的施工和易性。与施工和易性紧密相关的是用水量。所以，为了研究钢渣微表处混合料用水量合理范围，以7.5%沥青用量为依托，改变两类微表处混合料外加水量参数，按照相关规范[5]进行拌合试验，试验结果如图1所示。

图1中外加水量不包括改性乳化沥青中的含水量。从图1中可以看到，随着外加水量的增加，两种微表处混合料的可拌和时间均表现为随之增加的趋势；对于传统微表处，当用水量增加至9%时可拌和时间满足规范规定不小于120 s的要求，而对于钢渣微表处，外加水量需要增加至10%时方能满足可拌和时间的要求。这是因为钢渣具有更多的表面空隙，吸水率比较高，并且钢渣具有更丰富的表面纹理，所以混合料流动过程中的摩阻力更大，会对混合料的和易性造成影响，需要更多的水分发挥润滑作用。所以将钢渣用于微表处集料，需要根据试验适当提高微表处混合料的总用水量，以满足可拌和时间指标要求。

2)对沥青用量的影响。按照JTG E20—2011规范中条文规定，微表处沥青用量是通过1 h湿轮磨耗试验及负荷轮粘附砂试验共同确定。其中1 h 湿轮磨耗试验的磨耗值用于确定微表处沥青混合料的最小沥青用量Pbmin，负荷轮粘附砂试验的粘附砂量用于控制微表处的最大沥青用量Pbmax[5]。传统微表处和钢渣微表处混合料最佳沥青用量的试验范围分别为6%～8%和7%～9%，不同沥青用量下微表处沥青混合料磨耗值和粘附量结果见图2,图3。

综合分析图2，图3中可知，普通微表处Pbmin～Pbmax范围为6.3%～7.7%，以钢渣为粗集料的微表处Pbmin～Pbmax的范围为7.3%～8.8%。可见，钢渣代替粗集料使得沥青用量高出1%左右，这主要因为钢渣具有丰富的表面空隙，需要吸附更多的沥青才能实现良好的界面粘结强度。

3)对路用性能的影响。为说明钢渣对微表处混合料抗车辙性能的影响，分别以7.0%和8.1%沥青用量成型传统微表处试样和钢渣微表处试样，采用车辙变形试验(T0756—2011)评价两类微表处混合料的抗车辙性能，每组平行试验3次得到试件的侧向位移和单位宽度变形率结果如表3所示。

表3 车辙宽度变形率结果

从表3两种微表处车辙试验结果可以看出，钢渣微表处混合料相比于普通微表处混合料，宽度变形率要小很多，这就直接说明了钢渣微表处混合料在抵抗车辙变形方面要优于普通微表处混合料。究其原因，钢渣在磨耗性和坚固性方面都要强于玄武岩，所以当微表处混合料选用钢渣做粗集料时在抗车辙方面具有一定的优势。

为进一步说明钢渣加入微表处沥青混合料中后，混合料低温抗裂性能的具体表现情况，本文采用半圆弯拉试验进行评价和比较。半圆弯拉试验所用试件为直径100 mm、厚度30 mm的半圆试件，由马歇尔试件切割而成。该试验进行前需在-10 ℃温度下对试件进行保温2 h以上，试验过程中温度恒定在-10 ℃，并且以1 mm/min加载速率施加负荷。试样测试得到的峰值荷载后按式(1)计算试件的低温破坏强度。

(1)

其中，σ为试件的破坏强度，MPa；P为破坏时刻荷载，N；s为支座间距离，80 mm；d为试件厚度，30 mm。

由表4可知，钢渣微表处SCB试验破坏强度大于普通微表处，也就是说钢渣微表处混合料在低温抗裂性能方面要优于普通微表处混合料。可见，钢渣作为微表处混合料粗集料有利于提升混合料低温抗裂性能。

表4 SCB弯拉强度结果

表5 6 d湿轮磨耗值结果

为评价微表处混合料的水稳定性，采用湿轮磨耗试验(T0752—2011)评价两种微表处6 d的湿轮磨耗值并进行比较，试验结果如表5所示。

表5为两种微表处湿轮磨耗试验结果，由表5可知两种微表处混合料磨耗值相差不大，表明钢渣代替玄武岩作为粗集料对微表处混合料抗水损害能力基本无影响。

4 结语

本文以钢渣作为粗集料代替玄武岩，通过室内试验研究分析了加入钢渣后对微表处混合料配合比和路用性能的影响作用，得到以下结论：

1)由于钢渣具有更好的棱角性和丰富的表面微孔，在微表处配合比设计中要适当提高用水量和沥青用量。

2)钢渣作为粗集料的加入微表处混合料可以显著提升混合料的抗车辙性能和低温破坏强度，然而对微表处混合料的抗水损害能力无明显影响作用。

3)结合微表处混合料组成设计和路用性能评价结果，可知钢渣作为粗集料的加入微表处混合料具有技术可行性，能够提高微表处罩面的耐磨耗性和缓解优质微表处优质集料的需求紧张问题。