基于GTM设计方法的钢渣沥青混凝土试验研究

2022-11-09申铁军

内蒙古公路与运输 2022年5期

申铁军

（山西路桥建设集团有限公司，山西太原 030006）

1 引言

随着我国交通运输业的发展，交通量急剧增加，重载、超载等现象十分严重，导致路面面层使用了改性沥青，仍然会出现以车辙、水损害等为主的不同程度的早期破坏现象[1]。近年来，为缓解沥青路面早期破坏现象，专家学者对掺钢渣的沥青混合料开展了大量的试验研究。肖光书[2]用钢渣作为集料对AC-16 型改性沥青混凝土进行路用性能研究，同时与用砂岩集料作对比，结果表明，与砂岩相比，钢渣沥青混凝土最佳油石比比砂岩高出0.5%，其高温性能和水稳定性良好，低温抗裂性和抗滑性能较砂岩表现更为优异。赵彦飞[3]通过研究不同矿料与不同钢渣掺加量对沥青路面性能的影响，发现钢渣沥青混凝土路面比石灰岩沥青混凝土路面高温稳定性和水稳定性能更好，但钢渣掺加量过多会导致沥青路面体积膨胀。孙吉书等[4]对掺钢渣SBS改性沥青混凝土自修复性能进行试验研究，试验结果表明粒径1.0mm、掺6%的钢渣具有较好的力学性能和修复效率。

山西蟒河至阳城高速公路于2018 年开始路面施工，由于山西重载煤碳运输的特殊性，路面设计右幅（山西至外省方向）为特重交通，具体为4cm SMA-13超重载沥青混合料上面层+6cm AC-20 改性沥青混凝土（掺抗车辙剂）中面层+10cm ATB-25沥青碎石下面层，各控制参数主要依据《山西蟒河至阳城高速公路沥青路面施工图设计》进行。本文以此工程为例，采用GTM法对钢渣沥青混凝土路用性能进行研究，旨在为类似工程提供借鉴与参考。

2 试验原材料性能分析

采用GTM 方法进行SMA-13 型改性沥青混合料目标配合比设计。采用的原材料为：山西省太原钢铁集团钢渣作为9.5mm～16mm、4.75mm～9.5mm粗集料，石灰岩作为0～1.18mm、1.18mm～2.36mm 细集料，石灰岩矿粉，沥青为SBS改性沥青，木质素纤维掺量为0.39%。

2.1 钢渣理化性能与路用性能分析

2.1.1 钢渣化学成分及矿物组成

钢渣在1500℃～1700℃的高温下表现出液体状态，通过高温水淬等一系列生产工艺，凝结硬化后形成了固体钢渣。主要成分见表1。

表1 钢渣的化学组成

2.1.2 钢渣重金属浸出浓度

经重金属溶出实验，钢渣的重金属完全满足工业污水综合排放标准，钢渣作为公路集料不会造成二次污染，其重金属浸出浓度见表2。

表2 钢渣的重金属元素浸出浓度

2.1.3 钢渣物理特性及膨胀性试验

钢渣物理特性及膨胀性试验结果见表3。

表3 钢渣集料物理性能指标

2.1.4 钢渣路用性能分析

通过表1、表2和表3可以看出，钢渣可以作为沥青混凝土中碎石的代替材料，同时也要注意，钢渣中含有游离氧化钙，可能缓慢产生一定的破坏性膨胀，故而，本项目采用陈化时间长的山西省太原钢铁集团的旧渣，通过水洗破碎降低曝露膨胀位点；对钢渣分级利用，将4.75mm 以上粗钢渣用作沥青路面耐磨集料，按《公路工程集料试验规程》（JYG E42-2005）T0348 进行钢渣浸水膨胀率试验，对在山西蟒河至阳城高速公路沥青路面施工作业的路面上面层不会产生不良作用。高振鑫等[5]认为钢渣复杂的内部孔隙结构增大了沥青、钢渣集料间的有效接触面积，提高了沥青、钢渣集料间的粘结性，显著地改善了沥青混合料水稳定性能。

2.2 其他原材料性能分析

2.2.1 改性沥青

SBS改性沥青所检测项目符合关于SBS类I-D级改性沥青技术要求，检测结果见表4。

表4 SBS改性沥青检测结果

2.2.2 粗细集料、填料、纤维

本研究结果与上述研究一致的是性别、体重和体力活动水平与峰值摄氧量相关。男性峰值摄氧量明显高于女性。这可能与女性同男性相比肌肉体积小，血红蛋白、血容量及每搏输出量低有关。不同体力活动量者比较，峰值摄氧量有显著性差异。体力活动量越大，其峰值摄氧量越高，特别是长期规律的较高强度的运动，其中13例马拉松和球类爱好者峰值摄氧量/预计值≥100%，明显高于普通人群。正如既往研究所示，体力活动可以改善心肺储备功能，增加心输出量，减慢心率，提高呼吸储备，增加骨骼肌毛细血管密度[3]从而提高心肺耐力，改善生存率。

钢渣作为9.5mm～16mm、4.75mm～9.5mm粗集料，石灰岩作为0～1.18mm、1.18mm～2.36mm 细集料。矿粉为石灰岩矿粉，矿料质量的0.39%为纤维掺量。细集料、矿粉及纤维性能检测结果分别见表5、表6和表7。

表5 细集料检测结果

表6 矿粉检测结果

表7 纤维性能检测结果

3 试验方法及设计

3.1 试验设计方法比选

在实际工程中，沥青混合料配合比设计方法主要有马歇尔法、Superpave 法和GTM 法。本文通过对比马歇尔法和GTM 法，选出最优的设计方法对钢渣沥青混凝土进行试验研究。

马歇尔法是以体积指标控制设计过程，操作简单，配套仪器价格相对低廉，但采用该方法时，试件成型的锤击次数和路面碾压的压实功不存在内在联系，其压实度标准较低，极易产生压密型车辙[6，7]。GTM 法是以力学指标进行混合料配合比设计，采用极限平衡状态成型试件，以此设计的沥青混合料具有压实度要求高、空隙率小、油石比低等特点[8-10]，同时沥青路面抗车辙能力、路面病害等都有所改进提高[11]。柴金玲等[12]研究发现GTM 法对低温抗冻损能力、高温稳定性能的改善效果突出，随温度升高，GTM法设计的高温抗车辙能力更高，具有更低的高温敏感性。最新试验数据显示，以AC-13为例，与马歇尔设计方法相比，GTM方法沥青用量降低到6%±0.3%，矿料间隙率（VMA）降低到12.0%±0.3%，空隙率（VV）降低到2.5%±0.3%，稳定度增大了12.0%以上，毛体积相对密度增大到2.73%±0.03%，60℃动稳定度增大了27.0%±0.3%，残留稳定度增大了5.0%±0.3%，冻融劈裂强度比增大了9.0%±0.3%，低温弯曲破坏应变提高了5.0%±0.3%。

基于以上分析比较，本文采用GTM 设计方法对钢渣沥青混凝土进行试验研究。

3.2 配合比级配设计

3.2.1 三组不同粗细的矿料级配

SMA-13 型沥青混合料各组初试级配的矿料组成级配见表8。

表8 各组初试级配（VCADRC）试验结果

3.2.2 矿料级配的最终确定

表9 各初试级配下SMA-13型改性沥青混合料马歇尔试件体积参数

由表9 和图1 可知，级配2 混合料马歇尔试件的各项参数指标均满足规范要求；级配1混合料马歇尔试件的空隙率和沥青饱和度不满足规范要求；级配3混合料马歇尔试件的矿料间隙率和空隙率不满足规范要求。综合考虑，选择级配2作为设计级配。

图1 SMA-13型沥青混合料矿料级配图

3.3 最佳油石比的确定

根据所确定的设计级配及其在初试油石比下的马歇尔成型试件的空隙率结果，选择油石比为5.8%、6.1%和6.4%，按上述条件成型GTM 试件。试验结果见表10、表11和图2、图3。

表10 SMA-13型GTM试件试验结果

表11 SMA-13型GTM试件试验结果

图2 GSF随油石比变化曲线图

图3 GSI随油石比变化曲线

由表10、表11及图2、图3可知，判定沥青混合料这种粒状塑性材料是否会出现塑性变形过大现象的指标GSI（稳定系数）随油石比的增加而增加；当油石比值大于6.10%后，GSI 大幅度增大，曲线已呈急剧增加趋势，表明混合料中的改性沥青已过量，试件的塑性变形过大；从反映改性沥青混合料抗剪强度参数GSF（安全系数）随油石比值的变化情况来看，油石比值等于6.10%时，GSF值最大，而当油石比值大于6.10%时，随油石比值增加，GSF 值减小。综合考虑GTM 试验结果和体积参数的大小及变化趋势，SMA-13型最佳油石比值确定为6.10%。考虑到该工程所处的地区气候特点、高速公路渠化交通的特点以及便于施工控制，建议此沥青混合料的油石比值控制范围为5.90%～6.30%。综上所述，确定SMA-13 型目标配合比设计结果为：9.5mm～16mm：4.75mm～9.5mm：1.18mm～2.36mm：0～1.18mm：矿粉=28.0：46.0：6.0：10.0：10.0，纤维掺量为沥青混合料总质量的0.39%，最佳油石比值为6.10%。