基于路用性能的钢渣沥青混合料钢纤维合理掺量探究

2021-04-03

中国公路 2021年5期

（广东冠粤路桥有限公司，广东广州 511400）

我国基础设施建设速度不断加快，同时炼钢工业也在不断扩张，生产过程中产生了大量钢渣废弃物。以往露天堆放钢渣废弃物的处理方式浪费了大量的土地资源，造成了严重的环境污染。因此，亟需寻找一种能够妥善循环利用钢渣废弃物的方法。

钢渣废弃物具有耐磨能力强、棱角性好等特点，并能与沥青黏结料牢固结合，因此可以应用于沥青混合料路面的建设，以取代日益枯竭的天然集料资源，且有效解决钢渣废弃物占用大量土地及其带来的污染问题。有关钢渣在沥青混合料中的应用研究，国内外专家学者已经做出了一定探索。沈阳建筑大学土木工程学院李伟等研究了沥青混合料的层间剪切力学特性，发现相较于未掺加钢渣的常规沥青混合料，钢渣沥青混合料具有更好的抗剪能力；西安建筑科技大学材料与矿资学院徐帅等将钢渣掺加到排水性沥青混合料中，研究其路用性能的变化规律，发现钢渣的加入能提升排水性沥青混合料的高温稳定性和水稳定性，并能一定程度上减少混合料体积膨胀；沈阳建筑大学土木工程学院郎雷等从混合料耐久性和渗透性等方面着手，从配合比设计过程中的级配控制及油石比控制方面，研究了钢渣沥青混合料的路用性能影响规律。

除钢渣在沥青混合料中的推广应用外，为提升其路用性能，亦有许多专家学者在混合料中掺加多种类别的纤维，旨在探索通过不同的增强理论提升混合料各项性能。广西交通投资集团南宁高速公路运营有限公司袁祖光等在排水沥青混合料中掺加了3类纤维，分析这3类纤维的具体掺量对路用性能造成的影响规律。山西省交通规划勘察设计院有限公司张婧丽着眼于玄武岩纤维这一纤维类别，研究了其对面层材料路用性能的影响，认为质量6%为最佳玄武岩纤维掺量。

综上所述，可以发现钢渣在沥青混合料中的应用已有较多研究成果。钢渣在总体性能上相较于常规集料存在较大区别，其掺量的差异会对混合料性能产生显著影响，钢纤维的复合掺加会加大其对路用性能影响的复杂性，而复合利用钢纤维和钢渣的研究则存在着较大空白。因此，本文采用了多项路用性能试验，通过对比验证不同钢纤维及钢渣掺量带来的综合影响，研究成果可为新型钢渣AC-13沥青混合料的设计及应用提供指导。

一、原材料

本文研究的掺加钢纤维的钢渣沥青混合料试件在制备过程中，原材料中除常规粗集料外，选用部分钢渣替代一定比例的粗集料，细集料选用优质细砂，以沥青作为混合料结合料，填料选用优质矿粉。

（一）集料和矿粉

试验过程中选择的常规粗集料为石灰岩碎石，其粒径范围是5.0mm～10.0mm，主要物理技术指标参数情况如表1所示；细集料选用的优质细砂粒径范围为0mm～5.0mm，经测定，其吸水率为0.77%、表观密度为2.81g/cm3；填料选择了石灰岩磨细矿粉，经检测矿粉的吸水率是0.59%、表观密度为2.69g/cm3。

表1 粗集料物理技术指标参数

表2 钢渣化学成分及其占比情况

表3 钢渣物理技术指标参数

表4 沥青技术指标

（二）钢渣

原材料中涉及到的钢渣粒径范围与粗集料保持一致，均为5.0mm～10.0mm，其主要化学成分及其占比情况如表2所示，主要物理技术指标参数情况如表3所示。

（三）沥青

为保证沥青结合料的黏结能力，在制备钢渣沥青混合料过程中优选了90#基质沥青作为结合料，针对沥青主要技术指标进行了检测，结果如表4所示。

（四）钢纤维

将钢纤维应用于钢渣沥青混合料时，需充分考虑各原材料间的模量量级范围统一，以充分发挥各原材料的性能。因此，本文选用的钢纤维长度为24mm、直径为0.42mm、密度为7.58g/cm3、抗拉强度为531MPa。

二、沥青混合料组成设计

图1 AC-13级配曲线图

表5 马歇尔试验测试数据

为分析掺加一定比例钢纤维、钢渣的沥青混合料路用性能变化规律，本文在各类沥青混合料中选择了较为常见的AC-13作为研究对象，首先对未掺加钢纤维的AC-13沥青混合料进行级配设计（钢纤维掺量为1%），得到的级配设计结果如图1所示。

在该级配设计基础上，分别用等质量替换的方法，以钢渣代替原材料中的粗集料成分，拟定的替换比范围为：0%、25%、50%、75%及100%，共制备5组试件，最佳油石比分别是4.7%、5.2%、5.5%、6.0%和6.3%，马歇尔试验测试数据如表5所示。

通常，当纤维在沥青混合料中的掺配比例在3%以上时，容易引起其强度的明显降低，过少的纤维掺配比则无法提供足够的加筋增强效果。因此，该试验调整上述5组试件的钢纤维掺量，拟定的替换比范围为0%、1%、2%及3%，共制备4组试件。

三、路用性能试验结果分析

（一）高温稳定性分析

按照规范标准要求，通过车辙试验对0%～3%钢纤维掺量、钢渣替换比0%～100%的20组AC-13沥青混合料进行试验，动稳定度随钢纤维掺量、钢渣替换比变化规律如图2所示。

通过图2数据可知，相较于掺加一定比例钢渣的AC-13沥青混合料试件，未掺加钢渣的试件组（即钢渣掺量为0%的对比项组）动稳定度明显低于其他各组，其平均值仅有3984MPa，而这一数值在钢渣替换比25%～100%的4组AC-13沥青混合料试件中分别为6373.5MPa、6807.8MPa、5511MPa和4975MPa。换言之，在仅考虑钢渣掺配比例对AC-13沥青混合料试件高温稳定性的影响时，钢渣掺加比例范围为25%、50%的试件组别最佳。

对比0%～3%钢纤维掺量对动稳定性影响规律，0%～3%钢纤维掺量的4组试件平均动稳定度分别为4836MPa、5753.2MPa、6087MPa和5444.8MPa，即钢纤维掺加比例范围为1%和2%的试件组别最佳。总体来看，钢渣掺量为50%、钢纤维掺量为2%的试件，具有最大动稳定度7381MPa。

图2 动稳定度变化规律

（二）低温稳定性分析

按照规范标准要求，通过低温小梁弯曲试验对0%～3%钢纤维掺量、钢渣替换比0%～100%的20组AC-13沥青混合料进行检测，弯拉强度变化规律如图3所示，劲度模量变化规律如图4所示。

图3 弯拉强度变化规律

图4 劲度模量变化规律

通过弯拉强度变化规律可以发现，未掺加钢渣的试件组弯拉强度明显低于其他各组试件，其平均值仅有6.39MPa，而这一数值在钢渣替换比25%～100%的4组AC-13沥青混合料试件中分别为7.38MPa、7.56MPa、7.0MPa和6.82MPa，钢渣掺加比例范围为25%、50%的试件组别最佳。对比4类钢纤维掺量对AC-13沥青混合料试件的弯拉强度影响规律，0%～3%钢纤维掺量的4组试件平均弯拉强度分别为6.10MPa、7.82MPa、7.26MPa和6.94MPa，即钢纤维掺加比例为1%的试件组别最佳。

此外，分析钢纤维和钢渣掺量对劲度模量的影响规律可知，随着钢纤维掺加比例不断提升，AC-13试件的劲度模量整体呈下降趋势，但钢渣掺加比例范围为25%、50%时，其下降趋势较缓。当钢纤维掺量在1%时，钢渣掺加比例范围为25%、50%试件组的劲度模量最大，继续增加纤维掺量将引起该组试件的劲度模量迅速下降。

（三）水稳定性分析

图5 冻融劈裂强度变化规律

按照规范标准要求，通过冻融劈裂试验对0%～3%钢纤维掺量、钢渣替换比0%～100%的20组AC-13沥青混合料进行检测，得到的冻融劈裂强度变化规律如图5所示。

分析冻融劈裂强度的变化规律，未掺加钢渣的试件组冻融劈裂强度低于其他各组试件，其平均值为82.4MPa，而这一数值在钢渣替换比25%～100%的4组AC-13沥青混合料试件中分别为86.5MPa、87.2MPa、84.9MPa和83.9MPa，同样，钢渣掺加比例范围为25%、50%的试件组别最佳。横向对比不同钢纤维掺配比例对AC-13沥青混合料试件水稳定性的影响，同时综合将钢渣掺加比例范围为25%、50%考虑在内，钢纤维掺加比例范围为1%的试件组别最佳。