钢渣沥青混合料路用性能及施工工艺研究.pdf

第 卷，第 期年 月公路工程 ，：收稿日期 基金项目国家重点研发计划项目（）作者简介程盛（），男，湖南湘潭人，高级工程师，主要从事路桥施工及管理相关工作。引文格式程盛，黄毅 钢渣沥青混合料路用性能及施工工艺研究 公路工程，（）：，（）：，钢渣沥青混合料路用性能及施工工艺研究程盛，黄毅（湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南 长沙 ；湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 ）摘要为研究钢渣沥青混合料路用性能，选取两种配合比 和 ，通过室内试验对比分析了混合料的高温稳定性、水稳定性和低温性能，并结合湖南省某高速公路工程应用，优化了钢渣沥青路面施工工艺。试验结果表明：相较于常规沥青混合料，钢渣沥青混合料的高、低温性能均有所提升；其中钢渣沥青混合料 和 的动稳定度分别提升了 和 ，弯曲应变能密度分别提高了 和 。钢渣沥青混合料的抗水损害性能在一定程度上略有所降低。此外，针对钢渣多孔、密度大、导热系数变异性大的特点，优化钢渣沥青路面现场施工工艺，提出了具体的施工技术要点，为保障施工质量提供了技术支撑。关键词道路工程；钢渣沥青混合料；路用性能；施工工艺；配合比设计 中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（，；，），（，），；第 期程盛，等：钢渣沥青混合料路用性能及施工工艺研究 引言近年来，在国家不断加强矿产资源管理的背景下，全国在册矿山数量持续减少，从 年的 万余个减至 年的 万余个，而全国砂石骨料需求量仍维持在 亿 左右。由此可以预见，未来砂石骨料在供给端将面临重大的缺口。钢渣作为炼钢过程中的副产品，其产量为粗钢产量的 ，具有坚固、耐磨、针片状含量小等特点，可替代天然集料应用于沥青混合料中，在减少石料开采的同时节约被钢渣堆放占用的土地。关于钢渣沥青技术的研究与应用大多集中在钢渣安定性不良的解决方法 、钢渣沥青混合料路用性 能 的 提 升 措 施 与 工 程 应 用 效 果 的 评价 。目前针对钢渣沥青混合料设计、路用性能评价和现场施工工艺的系统性研究相对较少。本文针对不同类型钢渣沥青混合料进行配合比设计，通过室内试验对比分析钢渣沥青混合料的高温稳定性、水稳定性和低温性能，并结合工程应用，总结归纳了钢渣沥青路面施工技术要点，有利于钢渣沥青路面技术的推广实施。配合比设计 原材料本文采用的钢渣由湘潭钢铁集团提供，将钢渣进行堆放陈化处理后筛分分档。考虑到钢渣多孔隙的特点，若采用钢渣替代细集料，势必会增加沥青用量，不利于工程建造成本的控制。因此，选取规格为 和 两档钢渣，其密度和吸水率的测试结果如表 所示，结果表明钢渣的密度比天然集料高 左右。此外，规格的钢渣和天然集料压碎值的试验结果分别是 和 。沥青采用 改性沥青，其各项指标检测结果如表 所示。表 矿料物理力学性能指标 材料类型规格 表观密度（）毛体积密度（）吸水率 天然集料 钢渣 矿粉 表 改性沥青性能指标 针入度（）针入度指数 延度 软化点 运动黏度（?）闪点 溶解度（三氯乙烯）弹性恢复 贮存稳定性离析，软化点差 相对密度 试验后质量变化 针入度比 延度 配合比设计分别对 钢 渣 沥 青 混 合 料 和 常 规 沥 青 混 合 料 、进行目标配合比设计，级配曲线如图 所示。钢渣取代常规沥青混合料 、中的部分天然集料，其中钢渣沥青混合料 和 中钢渣占矿料质量比分别为 和 ，见表 。表 列出了钢渣沥青混合料的体积指标测试结果，钢渣沥青混合料 和 的最佳油石比分别是 和 ，略低于常规沥青混合料。但考虑到钢渣沥青混合料密度更大，如果换算成单位体积沥青用量，每立方米钢渣沥青混合料 所需沥青 ，高于常规沥青混合料的 。原因是钢渣表面粗糙多孔，在拌和过程中会吸附更多的沥青胶浆以填充开口孔隙，进而造成了钢渣沥青混合料单位体积沥青用量更高。图 混合料级配曲线 此外，钢渣沥青混合料 和 的稳定度分别是 和 ，均高于对照组的常规沥青混合料，这表明钢渣沥青混合料具有更好的力学性能。公路工程 卷表 钢渣沥青混合料的矿料组成 类别 矿粉钢渣占比 （钢渣）（天然集料）（钢渣）（钢渣）（天然集料）（天然集料）（天然集料）（钢渣）（天然集料）（钢渣）（钢渣）（天然集料）（天然集料）（天然集料）（天然集料）（天然集料）表 混合料体积指标 类别最佳油石比 毛体积相对密度空隙率 矿料间隙率 沥青饱和度 稳定度 流值 （钢渣）（钢渣）路用性能验证 高温稳定性根据 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（）“沥 青 混 合 料 车 辙 试 验”（）规定的试验方法，对钢渣沥青混合料和常规沥青混合料 、进行试验。结果如图 所示。图 车辙试验结果 钢渣沥青混合料 和 的动稳定度分别为（）次 和（）次 ，相较于常规沥青混合料分别提升了 和 。这一方面是由于钢渣表面粗糙的纹理增加了钢渣 钢渣和钢渣 集料之间的嵌锁力，另一方面是由于钢渣内含有的碱性物质增强了与沥青胶浆的黏结性，两方面因素共同作用导致了钢渣沥青混合料具有更优的抵抗高温变形的能力。水稳定性分别按照 中 和 所述试验方法，进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，以评价钢渣沥青混合料的水稳定性，图 和图分别给出了相应的试验结果。钢渣沥青混合料 和 残 留 稳 定 度 分 别 为 和 ，均满足规范不低于 的技术要求；冻 融 劈 裂 强 度 比 分 别 是 和 ，均满足规范不低于 的技术要求。图 浸水马歇尔试验结果 图 冻融劈裂试验结果 相较于常规沥青混合料，钢渣沥青混合料的残第 期程盛，等：钢渣沥青混合料路用性能及施工工艺研究留稳定度 和冻融劈裂强度比 均有一定程度的下降，分析原因，可能是由于当水浸入钢渣中，会与钢渣内部含有的少量 、发生反应，导致钢渣产生体积膨胀，进而破坏了钢渣与沥青间的黏结界面。确保钢渣沥青混合料水稳定性的关键是控制钢渣原材料中 等活性物质的含量，大量研究表明钢渣内部膨胀组分的含量会随陈化时间的增加而逐渐降低，当钢渣经过 个月自然陈化后，钢渣膨胀率可从 降低至 。低温性能根据 中 所述试验方法对钢渣沥青混合料和常规沥青混合料 、进行低温弯曲试验，试验温度为 ，加载速率为 。每组混合料准备 个试件，试验结果以“平均值 标准差”的形式给出。本文以破坏应变和弯曲应变能密度作为低温性能评价指标，弯曲应变能密度 是应力 与应变 的综合反应，可由式（）计算得到。（）式中：为应力分量；为应变分量；为最大应力对应的应变值。弯曲应变能密度是材料变形能力和承载能力的综合体现，可以从能量的角度来解释沥青混合料破坏机 理，已 被 广 泛 用 于 沥 青 混 合 料 低 温 性 能 评价 。弯曲应变能密度越大，表明单位体积混合料破坏时所消耗能量越大，混合料抗裂性能越好。表 列出了钢渣沥青混合料的低温弯曲试验结果，表明相较于常规沥青混合料，钢渣沥青混合料的破坏应变和应变能密度均有所增加，同时弯曲劲度模量有所降低。钢渣沥青混合料 和 发生弯曲破坏时的最大弯拉应变分别为（）和（），比对照组分别提高了 和 。此外，钢渣沥青混合料 和 应变 能 密 度 分 别 是（）和（），相较于对照组分别提高了 和 。从综合考虑破坏应变和应变能密度这两个指标来看，钢渣沥青混合料的低温性能优于常规沥青混合料。这主要是因为钢渣与沥青间有更好的黏结效果，同时单位体积条件下钢渣沥青混合料中实际沥青用量有所增加，进而改善了钢渣沥青混合料的低温抗裂性。表 低温弯曲试验结果 指标弯拉强度 破坏应变劲度模量 应变能密度 （）（钢渣）（）（）（钢渣）（）（）钢渣特性对施工工艺影响 工程应用结合湖南省某高速公路中修工程，对养护路段铣刨 原 路 面，重 铺 钢 渣 沥 青 混 合 料 。表 给 出了 施工 现场质量 检测结 果，施工现场的压实度、平整度、构造深度和渗水系数的检测结果均符合设计文件要求，经过 的跟踪观测，目 前 路 况 良 好，没 有 出 现 车 辙、裂 缝 等病害。表 施工现场质量检测结果 检测指标检测频率技术要求检测方法检测结果平均值合格率压实度单幅 点 不小于马歇尔密度的 现场钻孔试验 平整度（）对每日铺筑路段全线每车道连续测定 直尺 构造深度处 铺砂法 渗水系数单幅 点 渗水仪 多孔特性对施工工艺影响由于钢渣具有开口孔隙多的特点，当这些开口孔隙未被沥青胶浆裹附填充时，可能会导致后续水分进入沥青 钢渣界面，进而降低混合料的抗水损害能力和耐久性。为确保沥青胶浆充分填充钢渣的开口孔隙，进而保证钢渣沥青混合料的路用性能，建议延长拌和机湿拌时间 。图 给出了不同拌和时间条件下沥青 钢渣裹附效果示意图，从公路工程 卷拌和楼现场拌和效果来看，延长湿拌时间后混合料拌和均匀，无任何花白料现象，钢渣表面被沥青油膜裹附完全，从而有效提高了沥青 钢渣的裹附面积和黏结强度。（）常规拌和时间（）湿拌时间延长 图 不同拌和时间沥青 钢渣裹附效果示意图 此外，钢渣的多孔隙特性导致在自然状况下，其天然含水量一般高于天然集料。由于冷料烘干是在烘干筒中进行，因此，需根据钢渣的天然含水量，调节烘干筒的燃烧器供油量，以确保钢渣的加热温度。如果仍不能达到规定的温度，可将烘干筒的生产效率适当调低。导热系数对施工工艺的影响由于钢渣材料自身含有金属及金属氧化物，其材料的热性能参数和玄武岩、石灰岩等常用集料相差较 大。参 考 民 用 建 筑 热 工 设 计 规 范（）中给出的玄武岩、石灰岩与钢渣的热性能参数，如表 所示。可以看出，钢渣的比热容与玄武岩、石灰岩等天然集料基本相当，这表明材料升高相同温度时所需要的热量相差不大。但钢渣的导热系数变化范围较大，为 （），这是由于钢渣成分比较复杂，且成分波动比较大，尤其当含铁量比较高时，导热系数相对较高，在宏观上表现为更容易发生热传导。因此当钢渣中含铁等金属物质较多时，钢渣沥青混合料在运输、摊铺、碾压环节可能会出现混合料降温较快的现象。这就对混合料运输过程中的保温措施与压实效率提出了更高的要求。因此，建议在运输过程中应全程采用苫布覆盖，做好对钢渣沥青混合料的保温措施。在碾压环节，应配备足够数量的压路机，组织好碾压工序的衔接，初压、复压、终压要紧凑进行，以防止因混合料温度下降过快导致的压实度不足的现象产生。表 矿料热性能参数 矿料类型比热容 （）导热系数 （）钢渣 玄武岩 石灰岩 结语本文结合某高速公路钢渣沥青路面工程案例，研究了钢渣沥青混合料的路用性能和施工工艺，得到以下结论：钢渣沥青混合料 和 的动稳定度分别为（）次 和（）次 ，相较于常规沥青混合料分别提升了 和 ，表明钢渣的掺入有助于提高混合料的高温性能。钢渣沥青混合料 和 残留稳定度 分别为 和 ，冻融劈裂强度比 分别是 和 ，均满足规范技术要求。但相较于常规沥青混合料，上述两项指标均略有所降低。破坏应变和弯曲应变能密度这两个指标均表明钢渣沥青混合料具有更好的低温抗裂性。钢渣沥青混合料 和 破坏应变分别为（）和（），比常规沥青混合料别提高了 和 。此外，钢渣沥青混合料 和 应变能密度分别是（）和（），相较于对照组分别提高了 和 。针对钢渣多孔、密度大、导热系数变异性大的特点，结合工程应用提出了钢渣沥青混合料的施工技术要点，包括调节烘干筒燃烧器的供油量、延长混合料湿拌时间 、合理配置运料车数量，注重施工工序衔接等，从而保障了钢渣沥青路面的施工质量。参考文献 吴少鹏，崔培德，谢君，等 钢渣集料膨胀抑制方法及混合料体积稳定 性 研 究 现 状 中 国 公 路 学 报，（）：高颖，王伟赫，陈萌，等 钢渣体积膨胀行为及改性方法研究进展 科学技术与工程，（）：李新明，张小旺，乐金朝，等 电炉钢渣路床材料安定性能试（下转第 页）第 期陈建军，等：考虑膨胀力影响的膨胀土边坡稳定性分析 杨果林，胡敏，申权，等 膨胀土高边坡支挡结构设计方法与加固技术 北京：科学出版社，封志军，冯俊德，薛元，等 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