钢渣沥青混凝土水稳定性能研究

2022-01-21王坤

现代交通技术 2021年6期

王坤

(江苏现代路桥有限责任公司，南京 210018)

水损害是指沥青混凝土路面在冻融循环或者水分子的作用下，基于车轮动态荷载，渗入路面孔隙的水分产生真空负压抽吸或动水压力的反复循环作用，水分逐步渗入沥青与石料的交界面，导致沥青黏附性逐步衰退，沥青膜从集料表层脱落，沥青混凝土松散脱落、掉粒，形成路面推挤变形、坑槽等损坏现象[1-2]。

国内外研究表明，在沥青混合料合理设计前提下，路面水损害和沥青混合料不均匀性存在一定的关联性，情况严重的区域可能会表现为水损害和泛油并存[3]。以钢渣沥青混凝土为例，钢渣表面的粗糙性和多孔特性有助于钢渣与沥青产生黏附性，但钢渣表面较高的含灰量却对黏附性产生负面影响。

这两种作用同时存在，造成钢渣沥青混凝土抵抗水损害的能力难以准确评估。另外，钢渣沥青混合料的耐久性被研究的较少，钢渣沥青混合料的水稳定性机理还不明确。由于f-CaO(游离氧化钙)的存在，钢渣遇水时发生化学反应，会出现膨胀现象，钢渣在沥青薄膜包裹下表现的水损害情况还有待研究[4]。

基于此，本文将通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验对钢渣沥青混凝土的水稳定性能进行研究。

1 原材料和级配组成

本文采用的钢渣为南钢电炉渣，沥青混合料的原料包括1#、2#、3#不同粒径的钢渣粗集料、4#玄武岩细集料、石灰岩矿粉和SBS改性沥青。

1.1 原材料及其特性

1.1.1 钢渣集料

对钢渣堆放场地的钢渣原料进行筛分，筛除超粒径钢渣颗粒，剩余部分为1#(9.5～16.0 mm)、2#(4.75～9.5 mm)、3#(2.36～4.75 mm)和4#(0～2.36 mm)4档，其中1#、2#和3#为粗集料，4#为细集料。

1.1.2 玄武岩细集料

本文采用的细集料为玄武岩细集料，4#玄武岩集料来自江苏镇江，SMA的4#玄武岩集料来自江苏溧阳。对比1#、4#钢渣集料和常用玄武岩、石灰岩集料的表观相对密度，集料表观相对密度对比如图1所示。

(a) 粗集料

(b) 细集料图1 集料表观相对密度对比注：图中横线表示规范要求下限

《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)[5]要求用于表面层的粗集料的表观相对密度下限为2.6；细集料的表观相对密度下限为2.5。由图1可知，钢渣粗集料和细集料的表观相对密度均满足规范要求。

钢渣粗集料压碎值如图2所示。

图2 钢渣粗集料压碎值注：图中横线表示规范要求上限

由图2可知，与玄武岩集料和石灰岩集料相比，1#钢渣集料的压碎值略差，可能是因为1#钢渣集料内部存在较多的孔隙和囊状结构。《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)[5]和《道路用钢渣》(GB/T 25824—2010)[6]要求用于表面层的粗集料的压碎值上限为26%，本文采用钢渣集料的压碎值符合规范要求。

1.1.3 钢渣集料的膨胀特性

f-CaO含量决定了钢渣的稳定性，f-CaO与水反应生成Ca(OH)2(氢氧化钙)。随着Ca(OH)2含量增多，内部应力逐渐增大，当内部应力超过自身的结合力时，钢渣可能会膨胀破碎，甚至粉化[4]。f-CaO 含量随炼钢工艺的不同而不同，在自然条件下f-CaO会逐渐消解，钢渣的稳定性逐渐提高。因此，钢渣沥青混凝土道路不能使用新钢渣，新钢渣需要经历陈化过程，可以采用钢渣热闷处理工艺快速处理钢渣，以达到安全利用效果。钢渣热闷处理工艺是指在饱和蒸汽条件下，消除钢渣中f-CaO和f-MgO(游离氧化镁)，避免钢渣由于水化体积膨胀现象对道路工程造成的危害。

选取同一级配的3个试件测定浸水膨胀率，钢渣浸水膨胀率如图3所示。

图3 钢渣浸水膨胀率

由图3可知，试件1、2、3的浸水膨胀率(10 d)分别为1.08%、1.14%、1.10%，均值为1.11%，符合规范不大于2%的要求。本文采用的钢渣堆放时间较长，在存储过程中经历过自然雨水浸泡，同时，还会定期对钢渣进行浇水处理，加速钢渣中活性物质消解，保证了钢渣膨胀性。

1.1.4 填料

矿粉选用石灰岩矿粉。矿粉理化性质如表1所示。

表1 矿粉理化性质

1.1.5 沥青

本文选用SBS改性沥青，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[7]进行性能测试，SBS改性沥青技术性能如表2所示。

表2 SBS改性沥青技术性能

1.2 级配组成

AC-13C设计级配如表3所示。SMA-13设计级配如表4所示。

表3 AC-13C设计级配 (%)

表4 SMA-13设计级配 (%)

2 试验方法

目前，国内外评价水稳定性试验方法的差异主要体现在[6-7]：①试件成型方式；②试件空隙率；③试验环境，包括冻融循环和高温浸水；④试验指标选取，包括马歇尔稳定度、动稳定度、劈裂强度、抗压强度和回弹模量等。

真空饱水条件下的冻融劈裂试验虽然无法做到真实模拟沥青路面水损害情况，但是在使用效果上满足了沥青路面遭受水损害所需要的条件，能够让沥青混合料经历更为严峻的高、低温考验，检测结果能够反映各种沥青混合料受水损害的影响程度。《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[7]中选取的就是此种方式。

本文选用冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验对比分析钢渣沥青混凝土AC-13C和SMA-13的水稳定性。

由于4#钢渣细集料吸水率较高，其配制的钢渣沥青混合料油石比偏高，经济性较差。因此，在钢渣沥青混凝土研究过程中，采用天然细骨料代替4#钢渣细集料。