钢渣沥青混合料路用性能研究与应用效果评价

葛 浩

(江苏省镇江市公路事业发展中心，镇江 212002)

在绿色发展理念的背景下，鉴于钢渣沥青混合料的绿色节能优势，钢渣在道路工程建设中的应用受到广泛关注。自20世纪90年代以来，国内已开展了钢渣沥青混合料的研究。上海宝钢公司铺筑了国内首条钢渣沥青混合料路面试验段，取得了良好的应用效果，为钢渣在道路工程领域中的应用开启了新篇章[1]；李永生等[2]选用钢渣为原材料，研究了钢渣SMA-13目标和生产配合比设计，结果表明，钢渣沥青混合料作为路面磨耗层的抗滑性能等多项指标优于普通路面；秦仁杰等[3]通过高温稳定性等试验，研究钢渣沥青混合料的路用性能，试验表明钢渣较普通集料在路用性能方面具有一定优势，同时更具经济环保性；何亮等[4]指出了目前钢渣体积安定性不良、沥青用量增加等问题仍未得到根本性解决，并表明未来重点发展方向为研究钢渣沥青路面的质量控制体系和全寿命周期性能。

目前，与欧美发达国家钢渣利用率相比(钢渣利用率高达84.5%～98.4%，其中32.5%～42.9%的钢渣用于道路工程建设)，国内钢渣利用率存在劣势[5-6]。国内钢渣沥青混合料技术主要集中在室内试验的理论研究，针对现场工程实践应用和社会经济效益评价方面研究甚少。因此，如何将钢渣变废为宝，进行循环再利用是目前亟待解决的问题，充分开发利用钢渣是一项重要的新课题，可有效丰富绿色公路的建设手段。

本文以钢渣沥青混合料为研究对象，对其开展路用性能研究，并评价钢渣沥青路面的实际应用效果和社会经济效益。

1 钢渣的物理性质

1.1 密度和吸水率

依据《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)，对钢渣的密度和吸水率进行了试验。钢渣的密度和吸水率如表1所示。

表1 钢渣的密度和吸水率

由表1可知，钢渣的表观相对密度超过3.5，毛体积相对密度约为3.3。与常用的天然集料中密度较大的玄武岩相比，钢渣的密度比其高15%～20%。另外，由于多孔特性，钢渣的吸水率为1.0%～2.2%，远高于天然石料。

1.2 力学性能

道路工程中，路用集料的力学性能主要包括抗压碎能力和磨耗性，分别用压碎值和洛杉矶磨耗值表示。常见路用集料的力学性能如表2所示。

表2 常见路用集料的力学性能 (%)

由表2可知，钢渣较为坚硬，其压碎值低于玄武岩和石灰岩；而其磨耗值与玄武岩接近，远小于石灰岩。该结果表明，钢渣具有良好的工程力学性能。

2 钢渣沥青混合料路用性能研究

2.1 试验方案

为探讨钢渣沥青混合料的路用性能，以钢渣沥青混合料分别复配SMA-13和SUP-13为试验组，以普通SMA-13和SUP-13为对照组，共4种不同类型沥青混合料，开展水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性、抗剪性等各项性能指标的对比试验[7-9]。钢渣SMA-13级配：油石比为6.1%，1#料钢渣(10～15 mm)、2#料钢渣(5～10 mm)、4#料石灰岩(0～3 mm)和矿粉的质量占比分别为45%、33%、12%和10%；钢渣SUP-13级配：最佳沥青用量为5.3%，1#料钢渣(10～15 mm)、2#料钢渣(5～10 mm)、3#料钢渣(3～5 mm)、4#料石灰岩(0～3 mm)和矿粉的质量占比分别为37%、23%、8%、29%和3%。

2.2 性能试验结果

2.2.1 水稳定性

1)浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，选取残留稳定度比和劈裂强度比作为沥青混合料水稳定性评价指标[10]。不同类型沥青混合料的残留稳定度比如图1所示，不同类型沥青混合料的劈裂强度比如图2所示。

图1 不同类型沥青混合料的残留稳定度比

图2 不同类型沥青混合料的劈裂强度比

由图1和图2可知，两种钢渣沥青混合料的残留稳定度比和劈裂强度比均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)技术要求，表明这两种钢渣沥青混合料具有一定的抗水损害能力。与普通SMA-13相比，钢渣SMA-13的残留稳定度比、劈裂强度比分别提高了2.5%和6.9%；钢渣SUP-13的残留稳定度比、劈裂强度比与普通SUP-13基本接近，变化不显著。

2)活性膨胀试验

在潮湿环境中，钢渣表面易生成钙类物质，可能会引发体积膨胀，进而造成钢渣沥青混合料质量存在缺陷[11]。因此，采用活性膨胀试验对钢渣沥青混合料的膨胀性能进行了对比验证。试件在恒温水浴(60 ℃)中保温72 h，取出后，测量试件膨胀后的体积，确定沥青混合料的体积膨胀率。膨胀后的钢渣沥青混合料表面无明显开裂或鼓包现象。不同类型沥青混合料的膨胀率如图3所示。

图3 不同类型沥青混合料的膨胀率

由图3可知，两种钢渣沥青混合料的膨胀率均满足≤1%的技术要求，且较普通沥青混合料膨胀率稍高，钢渣沥青混合料并未表现出较强的膨胀特性。为进一步降低钢渣表面游离氧化钙的活性，后期可考虑将钢渣长期堆置存放至少半年。

2.2.2 高温稳定性

在荷载、温度等诸多因素的综合影响下，沥青路面可能会形成车辙等缺陷病害。采用车辙试验对不同类型沥青混合料的高温稳定性开展研究。不同类型沥青混合料的动稳定度如图4所示。

图4 不同类型沥青混合料的动稳定度

由图4可知，钢渣沥青混合料在高温稳定性方面具有优势。与普通SMA-13相比，钢渣SMA-13的动稳定度较高，提高了80.9%；钢渣SUP-13的动稳定度较普通SUP-13提高了75.2%。

2.2.3 低温抗裂性

为验证钢渣沥青混合料的低温抗裂性，采用轮碾成型法，切割制作棱柱体小梁标准试件，分析沥青混合料的破坏应变等力学参数。试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mm，加载设备为万能试验机，不同类型沥青混合料均设置6个平行试件。不同类型沥青混合料的破坏应变如图5所示。

由图5可知，钢渣SMA-13的破坏应变较普通SMA-13提高了11.7%；钢渣SUP-13破坏应变较普通SUP-13提高了4.1%。原因在于钢渣与沥青的黏结效果更优，钢渣的掺入使得沥青用量増加，进而在一定程度上改善了沥青混合料的低温抗裂性能。

图5 不同类型沥青混合料的破坏应变

2.2.4 抗剪性

直接剪切试验与路面实际抗剪破坏应力状态相关性较好。因此，可作为综合评价沥青混合料抗剪性的试验依据。设置20 ℃和60 ℃两种不同温度条件，对沥青混合料试件开展抗剪性研究，以最大剪应力作为试件的抗剪强度指标。不同类型沥青混合料的最大剪切力如图6所示。

图6 不同类型沥青混合料的最大剪切力

由图6可知，钢渣的掺入在一定程度上提高了沥青混合料的抗剪切能力。在20 ℃和60 ℃两种温度条件下，钢渣SMA-13和钢渣SUP-13的最大剪切力代表值较相应的普通沥青混合料均有小幅度提升。

3 钢渣沥青路面应用效果评价

为更好地研究钢渣沥青路面的实际应用效果，以南京某快速路改造工程为依托，开展试验路铺筑工作，通过室内试验和现场检测试验分析钢渣沥青路面检测指标，并通过后期跟踪检测，综合评价钢渣沥青路面的应用效果。

3.1 试验路方案

根据实际情况和研究需要，2017年6月铺筑钢渣SMA-13和钢渣SUP-13上面层沥青路面试验路段各300 m，其余路段为普通SMA-13和SUP-13沥青路面。试验路段方案如表3所示。

表3 试验路段方案

3.2 试验段检测结果分析

3.2.1 钢渣SMA-13路面检测结果

1)室内试验

对现场取芯的钢渣SMA-13开展抽提筛分试验和马歇尔试验，试验方法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)。钢渣SMA-13抽提筛分试验结果如表4所示。钢渣SMA-13马歇尔试验结果如表5所示。

由表4和表5可知，钢渣SMA-13的抽提筛分参数(级配、油石比)和马歇尔试验参数(稳定度、流值、空隙率等)均满足施工技术要求。

表4 钢渣SMA-13抽提筛分试验结果 (%)

表5 钢渣SMA-13马歇尔试验结果

2)现场检测试验

铺筑试验路段结束后，开展钢渣SMA-13上面层路面压实度、渗水系数、摩擦系数和构造深度等指标检测[12-13]。钢渣SMA-13路面压实度检测结果如表6所示，钢渣SMA-13路面现场检测结果如表7所示。

表6 钢渣SMA-13路面压实度检测结果

表7 钢渣SMA-13路面现场检测结果

由表6和表7可知，钢渣SMA-13沥青路面的两种压实度指标均满足相应要求；其渗水系数、构造深度和摩擦系数均符合施工技术要求。

3.2.2 钢渣SUP-13路面检测结果

1)室内试验

根据试验规范要求，对现场取芯的钢渣SUP-13开展抽提筛分试验和马歇尔试验，钢渣SUP-13抽提筛分试验结果如表8所示，钢渣SUP-13马歇尔试验结果如表9所示。由表8和表9可知，钢渣SUP-13抽提筛分(级配、沥青用量)和马歇尔试验参数(空隙率、饱和度、稳定度等)均满足施工技术要求。

表8 钢渣SUP-13抽提筛分试验结果 (%)

表9 钢渣SUP-13马歇尔试验结果

2)现场检测试验

铺筑试验段结束后，开展钢渣SUP-13路面压实度、渗水系数、构造深度和摩擦系数等指标检测。钢渣SUP-13路面压实度检测结果如表10所示，钢渣SUP-13现场检测结果如表11所示。

表10 钢渣SUP-13路面压实度检测结果

表11 钢渣SUP-13现场检测结果

由表10和表11可知，钢渣SUP-13沥青路面两种压实度指标均满足相应要求；其渗水系数、构造深度和摩擦系数均符合施工技术要求。

3.3 跟踪观测分析

为更好地评价钢渣沥青路面的使用情况，于2017年12月和2018年6月对钢渣沥青路面试验路段进行了两次跟踪观测。

1)试验路段现场调查

经历1年多的运营期，试验路段的两次跟踪调查结果显示，钢渣SMA-13和钢渣SUP-13路面整体状况较好，在历经重载交通和冬雨季双重考验后，目前无明显车辙、裂缝等缺陷病害。

2)FWD检测数据分析

采用落锤式弯沉仪(FWD)采集试验路段路面的特征参数——动态总弯沉[14]，并通过弯沉盆数据反算动态弹性模量值，综合评定路面结构层承载能力。测试频率为每车道50 m测一点(重复测定不少于3次)，牵引FWD行驶速度≤50 km/h。对试验路段和相邻对照组沥青路面分别进行检测。不同类型沥青路面的动态模量如图7所示。

图7 不同类型沥青路面的动态模量

由图7可知，钢渣SMA-13上面层动态模量比普通SMA-13路面动态模量高6%～10%，钢渣SUP-13上面层动态模量比普通SUP-13路面动态模量高4%～7%。钢渣在路面承载能力提升方面更具优势。

4 钢渣路面社会经济效益评价

4.1 社会效益分析

钢渣是炼钢过程中去除钢中杂质环节产生的，南京地区的钢渣处理一直是棘手的问题，钢渣堆积如山，不仅占用了土地，而且还对生态环境造成破坏，管理处置也耗费了大量人力、物力和财力。

本试验将钢渣应用于道路工程建设领域，将钢渣变废为宝，实现了资源循环再利用，不仅缓解了石料资源的过度开挖问题，而且实现了社会与自然和谐可持续发展的目标。在工程建设领域，钢渣作为一种替代型道路建筑材料，具有显著的社会效益。

4.2 经济效益分析

道路工程建设项目的经济效益包括的范围十分广泛，从全寿命周期的角度可分为建设成本费用、工程营运费用和后期维护保养费用等。本文主要从建设成本费用方面开展钢渣沥青路面经济效益评价。为分析钢渣沥青路面经济性能，试验路段施工结束后，对4种沥青混合料面层施工成本进行了分析。不同类型沥青混合料面层施工成本如表12所示。

表12 不同类型沥青混合料面层施工成本 (元/t)

钢渣沥青混合料较普通沥青混合料的油石比高，导致沥青费用较高。另外，钢渣沥青混合料的密度偏高，在机械费方面也存在劣势。但钢渣在价格方面较玄武岩、石灰岩具有较大的优势。经综合测算，钢渣沥青混合料综合施工成本较常规沥青混合料更具优势：每吨钢渣SMA-13较普通SMA-13节省176.59元；每吨钢渣SUP-13较普通SUP-13节省113.83元。

考虑到钢渣沥青混合料表现出的良好路用性能，部分技术指标比普通沥青混合料更加理想，特别是耐久性方面表现得更加突出，可预见钢渣沥青路面的工程营运费用和后期维护费用会显著低于普通沥青路面。因此，将钢渣材料应用于沥青路面建设具有良好的经济效益。

5 结语

(1)通过对钢渣沥青混合料各项性能指标进行研究，结果表明钢渣沥青混合料在高温稳定性、低温抗裂性、抗剪性等方面较普通沥青混合料具备优势，水稳定性与普通沥青混合料基本相当。

(2)在后期跟踪观测中，钢渣沥青路面外观质量良好。钢渣沥青路面的动态模量较普通沥青路面提高了4%～10%，表明钢渣沥青混合料技术能提高路面的抗变形能力，进一步验证了钢渣沥青路面的可行性和适用性。

(3)在工程建设领域，钢渣作为一种替代型绿色环保道路建筑材料，实现了资源循环再利用；每吨钢渣SMA-13、钢渣SUP-13较普通沥青混合料分别节省了176.59元和113.83元，钢渣沥青混合料综合施工成本较常规沥青混合料具有一定优势。因此，将钢渣材料应用于沥青路面中具有良好的社会经济效益，具有广阔的工程应用前景。