钢渣沥青混合料配合比设计及其路用性能研究

2021-11-19田腾辉王德生

工程建设与设计 2021年18期

田腾辉，王德生

（潍坊市市政工程设计研究院有限公司，山东潍坊261061）

1 引言

钢渣是炼钢过程中产生的废弃物，产出比例约为粗钢的15%～20%。大量废弃钢渣不仅占用土地资源，还会引发严重的环境污染问题，如何对钢渣进行有效利用，成为技术人员研究的一个关键课题。钢渣本身质地坚硬，颗粒级配形状良好，能与沥青很好地黏附在一起，避免了钢渣本身的膨胀问题，可以将其作为粗集料代替碎石掺入沥青混合料中，有利于沥青混合料路用性能的提高。

2 钢渣沥青混合料配合比设计

2.1 级配设计

以连续密实式AC-13 型细粒式沥青混合料为例，在钢渣沥青混合料中，粗集料和细集料全部选择钢渣；在石灰石沥青混合料中，粗集料和细集料全部选择石灰石；在粗石细钢与粗钢细石沥青混合料中，粗集料和细集料分别选择钢渣和石灰石。对其进行对比分析。参照《沥青混合料设计手册》[1]的相关要求，借助Excel 电子表格对集料筛分的结果进行记录，将合成级配通过率与对应工程设计级配范围中值差的平方和的最小值作为约束条件，反复调试级配，得到4 种级配：

1）钢渣沥青混合料：5～15 mm 的钢渣配比为48.3%，3～5 mm的钢渣配比为12.5%，0～3 mm 钢渣配比为34.2%，矿粉配比5.0%。

2）石灰石沥青混合料：5～15 mm 的石灰石配比为50.0%，0～5 mm 的石灰石配比为45.5%，矿粉配比4.5%。

3）粗石细钢沥青混合料：5～15 mm 的石灰石配比为52.0%，3～5 mm 的钢渣配比为9.0%，0～3 mm 的钢渣配比为35.0%，矿粉配比4.0%。

4）粗钢细石沥青混合料：5～15 mm 的钢渣配比为50.0%，0～5 mm 的石灰石配比为45.0%，矿粉配比5.0%。

通过上述数据分析看出，虽然级配方案不同，但4 种沥青混合料的级配曲线存在较大的相似性，通过这样的设计，能减小不同集料、不同级配对沥青混合料路用性能的影响。

2.2 油石比设计

依照上文提到的数据，对各种集料的用量进行计算和准确称量，结合施工经验，测算出沥青用量，将其作为中值，依照0.3%～0.5%的间隔变化进行分级，进行沥青混合料的拌制。通过估算得到的油石比中值为5.0%，确定间隔变化为0.4%，在每个级配中，分别在4.2%～5.8%范围内取5 个值作为油石比进行试验和计算。对矿质混合料的合成表观密度、合成毛体积密度、吸水率、合成有效相对密度等进行计算，并以此推导出理论层面的混合料最大密度，确定理想空隙率为4%，就马歇尔试件的质量进行初步估计。严格依照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的步骤对马歇尔试件进行制备。脱模后测量试件高度，如果没有超过（63.5±1.3）mm范围，则视为合格，可以进行后续试验。结合沥青用量与空隙率、毛体积密度、马歇尔稳定度等相关指标的关系曲线分析，得到全钢渣沥青混合料、石灰石沥青混合料、粗石细钢沥青混合料以及粗钢细石沥青混合料的油石比依次为5.2%、4.3%、5.5%和4.6%。如果沥青的用量过多，不仅会导致泛油问题，影响混合料的高温稳定性，还会导致成本的增加[2]。

3 钢渣沥青混合料路用性能研究

钢渣沥青混合料的路用性能主要体现在4 个方面。

3.1 膨胀特性

钢渣中含有约5%～10%的游离氧化钙，其在发生水解时，体积会增大至原来的2 倍到3 倍，引发钢渣粉化膨胀的问题，在膨胀率过大的情况下，路面的稳定性会受到影响。结合相关规范中提到的体积测试方法制作标准马歇尔试件，准确测量试件的尺寸，对其初始体积进行计算，然后将试件整个放入恒温水箱，温度保持在60 ℃，72 h 后取出，再次测量直径和高度，对膨胀率进行计算，结果见表1。

表1 沥青混合料膨胀率计算结果

从表1 可以看出，3 种混合料的膨胀率都能够很好地满足规范要求，表明钢渣沥青混凝土具有较好的膨胀特性，能够被应用在沥青路面施工中。

3.2 低温抗裂性

低温抗裂性评价主要是借助应变加载破坏试验、低温收缩试验、直接拉伸试验等进行。这里，以劈裂试验对沥青混合料的低温抗裂性进行评价，结果显示，钢渣沥青混合料和石灰石沥青混凝土的劈裂强度远远超出规范要求（2 000 MPa），分别达到了7 742.4 MPa 和8 113.0 MPa，粗钢细石混合料的劈裂强度也达到了3 484.6 MPa，三者都具备极强的低温抗裂性能。考虑到沥青混合料的低温劲度模量会受到沥青低温劲度模量、沥青黏度以及温度敏感性的影响，可以选择稠度较低的沥青进行拌和。这样，能够促进钢渣沥青混合料低温抗裂性能的提高。

3.3 高温稳定性

对3 种混合料进行动稳定度测试，钢渣沥青混合料的动稳定度为2 292 次/mm，石灰石沥青混合料的动稳定度为1 616 次/mm，粗钢细石沥青混合料的动稳定度为1 918 次/mm，如图1 所示。

图1 3 种混合料动稳定度测试结果

3 种混合料都能满足相关标准中不小于1 000 次/mm 的要求。比较而言，钢渣沥青混合料的高温稳定性最好。其原因是：（1）钢渣集料的颗粒形状均匀，经过振捣碾压后，颗粒之间可以形成紧密的嵌锁作用，有助于抗剪性能的提升；（2）钢渣表面的纹理粗糙，能有效吸附沥青，抵抗车辙变形[3]。

3.4 水稳定性

水稳定性的测试需要从2 个方面着手：（1）浸水马歇尔试验。可以通过对试件浸水前后的稳定度进行对比，获取相应的水稳指标[4]。试验结果显示，3 种混合料浸水后的稳定度全能满足规范要求，钢渣沥青混合料稳定度最大，在路面使用中有良好的抗水损害能力，使路面具备更强的耐久性和更长的使用寿命。（2）冻融劈裂试验。3 种混合料的冻融劈裂强度都达到了相关规范中不低于限值标准75%。其中，钢渣沥青混合料最大，达到了限值标准的92.5%；粗钢细石沥青混合料与其极其接近，达到了限值标准的92.4%；石灰石混合料最低，仅达到了限值标准的83.1%。在经过相应的冻融循环后，单一试件所能承受的最大荷载会有所降低，因为冻融循环会破坏混凝土的水稳定性。