掺钢渣多孔沥青混合料的路用耐久性能.pdf

交通世界TRANSPOWORLD收稿日期：2023-04-23作者简介：王珂（1989），女，河南南阳人，硕士，工程师，研究方向为道路与桥梁工程。掺钢渣多孔沥青混合料的路用耐久性能王珂（河南高速公路设计咨询有限公司，河南 郑州 450000）摘要：为研究钢渣和低密度矿渣在多孔沥青混合料中再生利用的可能性，通过体积指标测试、浸水劈裂试验、摆值试验、车辙试验等，分析了二者对多孔沥青混合料路用耐久性能的影响。结果显示：由于钢渣粗糙坚硬、密度高等特点，钢渣多孔沥青路面具有更大的密度和空隙率；相对于标准沥青混合料，钢渣沥青路面水稳定性、高温稳定性明显提升，动稳定度增大40%，4 000次碾压后的车辙深度降低7.7%；钢渣多孔路面的宏微观纹理明显提高，相对标准沥青混合料，BPN值增大了26.23%，纹理深度增大了24.03%，抗滑性能大幅提高。关键词：钢渣；低密度矿渣；多孔沥青；透水路面；路用耐久性能中图分类号：U414文献标识码：B0 引言多孔沥青混合料是一种特殊类型的沥青混合料，其骨架空隙结构的连接空隙比例较高，具有良好的排水性、降噪性能和抗滑性能，为海绵城市建设材料选择提供了新的可能1。由于我国基建行业的快速发展，对天然集料的需求量越来越大，导致有限的自然资源被过度开发，对环境造成了巨大的损害，故寻找天然集料的替代品成为当务之急2-4。钢渣（EAF）和低密度矿渣（LF）是冶金炼铁行业产生的废弃物，每年被大量倾倒在垃圾填埋场，不仅产生了巨额的处理成本还带来了不可避免的环境问题5-7。实际上，两者的物理属性使其在道路建设中具有一定潜在的应用价值，处理后有望代替天然集料成为筑路材料，如何在设计过程中对其进行再利用已引起相关人员的关注。鉴于此，本文将研究使用钢渣（SL）和低密度矿渣（LF）替代多孔沥青混合料中天然集料的可行性，最大限度地发挥其潜在价值。1 原材料与试验方法1.1 原材料钢渣（EAF）在破碎和筛分后可用作道路建筑骨料，具有良好的耐磨性、粗糙度、加州承载率（CBR）和棱角，是一种高密度的骨料替代品。低密度矿渣（LF）是钢铁精炼的副产品，由于其外观多尘，所以再利用的范围较小，其呈现出一定的亲水性，具有轻微的胶凝特性，同时LF含有一些不稳定的矿物质，主要是游离石灰和氧化镁等。EAF 钢渣为粗黑灰色砾石，粒径为 216mm，外表附着少许金属沉淀，LF炉渣为灰白色的粉状物，粒径小于2mm。EAF钢渣和LF炉渣的技术指标和化学成分分别见表1和表2。表1 EAF和LF的主要技术指标材料EAFLF堆积密度/（g/cm3）3.612.83吸水率（%）2.10.4细度模量2.9砂当量（%）9850外观黑灰色块状灰白色粉状表2 EAF和LF的主要成分材料EAF（%）LF（%）CaO27.756.7SiO219.117.7MgO2.59.6Al2O313.76.5Fe2O36.82.41.2 级配所用多孔沥青混合料的级配见表3。表3 多孔沥青混合料各粒径筛孔通过率筛孔尺寸/mm通过百分比（%）1610013.2901009.550704.7513272.3610170.65120.075361.3 试样制备研究分别成型3种类型的混合料：使用纯天然集料成型试件，作为对照试验，简称PAS；使用天然粗37总659期2023年第29期（10月 中）集料作为骨架、LF作为细集料成型试件，研究LF的适用性，简称PAL；使用EAF作为骨架、LF作为细集料成形试件，研究EAF和LF制备多孔沥青混合料的适用性，简称PAE。多孔沥青混合料使用SBS改性沥青制备，根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）制备直径为 101.6 mm、高约 63.5 mm 的马歇尔试件和300 mm300 mm50 mm的板状试件备用。1.4 试验方案本文研究3种类型多孔沥青混合料的体积特性、抗拉性、水稳定性、抗滑性和高温抗车辙性能。1）体积特性、高温稳定性体积特性和高温稳定性参考 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）中的试验方法进行测试，其中高温稳定性测试动稳定度和轮碾4 000次车辙深度。2）水稳定性混合物的水稳定性通过浸水劈裂试验测试。制造两组马歇尔试件：标准组保持在室温下，另一组在60 的恒温水槽中浸泡72 h，然后进行劈裂试验。混合料的水稳定性通过间接拉伸强度比（SR）来评估，具体比较浸水试样组（S）和标准干燥组（Sd）的结果，计算公式为：SR=SSd 100%（1）式（1）中：SR为间接拉伸强度比；S为浸水时的间接拉伸强度比；Sd为干燥时的间接拉伸强度比。3）抗滑性沥青路面的抗滑性取决于轮胎-路面的附着力，与驾乘安全息息相关，取决于宏观和微观纹理。本文测试了3种混合料的宏微观特性以评价其抗滑性能。为测宏观纹理，通过将一定体积的细沙铺成一个圆，使其填满空洞，然后确定形成的圆的平均直径。平均纹理深度MD与引入的沙子体积V和圆的平均直径D有关，计算公式为：MD=4VD2（2）式（2）中：MD为平均纹理深度；V为沙子体积；D为圆的平均直径。使用便携式英国摆锤测试来评估微观纹理，测试摩擦力值越高，英国摆锤数（BPN）越高。首先测试3种混合料的初始BPN，然后对车辙板进行同等条件下的抛光以模拟车辆行驶后的路面状态，具体测试其抛光BPN。在每块板上分别测试3个位置，然后计算得到对应的BPN平均值。2 试验结果与讨论2.1 体积特性3种混合料的体积特性测试结果见表4。表4 多孔沥青混合料的体积特性混合料类型PASPALPAE堆积密度/（g/cm3）2.001.992.34最大密度/（g/cm3）2.542.573.09空隙率（%）21.121.724.3骨架间隙率（%）30.931.433.9由表4可以看出，PAS和PAL两种混合料的最大密度和体积密度相似，这是因为矿渣LF和天然骨料具有相似的密度，同时两者具有基本相同的级配设计。由于钢渣EAF的密度很高，用这种骨料制造的PAE混合料比前两者混合料具有更高的最大密度和体积密度。除此之外，所有混合料的空隙率均大于20%，这是多孔混合料的要求，以满足排水需求。PAE混合料的空隙率和骨架间隙率均高于前两种混合料，原因在于虽然使用相同的空隙率控制压实混合料，但钢渣由于更粗糙的表面和更多棱角，导致混合料在压实过程中集料滚动及形成嵌挤结构更困难，产生更多的空隙。2.2 水稳定性不同类型混合料的水稳定性测试结果如图1所示。由图1可知，3种类型混合料的拉伸强度相差不大，其中纯天然集料的对照组的SR系数最小，为0.75，而当混合料中加入矿渣后，干湿试件的间接拉伸强度值均有所提高，SR系数略有增大，上升到 0.78，说明矿渣LF比普通天然集料的黏聚性更好，抵抗水分侵蚀的能力更强，适用于多孔沥青混合料的制备。当加入EAF钢渣作为粗集料，间接拉伸强度得到了显著提升，SR系数上升到0.79，原因在于钢渣与沥青的良好亲和力和较粗糙的质地增强了黏附力和内聚力，加之矿渣轻微的PASPALPAE图1 不同类型混合料的干湿间接拉伸强度1.81.61.41.21.00.80.60.40.20.0浸水后SR/MPa干燥状态38交通世界TRANSPOWORLD胶凝特性，抵消了较高空隙率对水稳定性的影响。2.3 抗滑性不同类型混合料的宏微观纹理特征测试结果如表5所示。表5 多孔沥青混合料的抗滑特性特征微观纹理宏观纹理BPN抛光BPN纹理深度/mmPAS61541.54PAL61551.78PAE77591.91从表5可以看出，在微观纹理方面，无论是纯天然集料的标准混合料还是加入了钢渣的混合料，BPN测量值均满足规范要求的大于 55 的要求。抛光混合料的BPN值明显下降，但仍满足规范要求，适合车辆高速行驶。此外，当引入EAFS作为粗集料时，摆锤BPN测试值明显增大，PAE混合料BPN值增大了26.23%，表明掺钢渣多孔路面的摩擦力和抗滑性能较好。与使用天然集料的对照路面相比，PAE优越的微观纹理随着老化仍能得以保持，测试结果比其他混合物高9%左右。在宏观纹理方面得到了类似的结果，纹理深度增大了24.03%，主要因为掺钢渣的沥青混合料空隙率更大，因此车辙板试件表面的宏观构造更深。综上所述，在相同设计孔隙率的情况下，掺加钢渣的沥青混合料抗滑性能更佳。2.4 高温稳定性3种多孔沥青混合料的高温抗车辙性能见表6。表6 多孔沥青混合料的高温性能混合料类型PASPALPAE空隙率（%）19.520.822.9动稳定度/（次/mm）2 5002 0003 5004 000次车辙深度/mm2.62.82.4由表6可知，3种混合料中掺加钢渣的多孔沥青混合料高温抗车辙性能最好，其次是纯天然集料，而掺加矿渣的混合料耐高温性能较差。与对照组相比，掺钢渣的沥青混合料动稳定度增大40%，4 000次碾压后的车辙深度降低7.7%。这表明与天然集料混合料相比，用钢渣制备的混合料更硬，抵抗永久变形的能力更强，抗车辙能力明显改善，究其原因在于钢渣表面粗糙，棱角丰富，压实后的混合料形成的骨架结构强度更好，因此高温稳定性最佳。3 结论本文对冶金炼铁行业产生的钢渣（EAF）和低密度矿渣（LF）两种固体废弃物在多孔沥青混合料中再生利用的可能性进行了研究，分析了两者对多孔沥青混合料性能的影响，得出以下结论：1）钢渣高密度特性导致其制造的PAE混合料具有更高的最大密度和体积密度，同时由于钢渣更粗糙的表面和更多棱角，导致混合料在压实过程中集料滚动及形成嵌挤结构更困难，得到的混合料比标准混合料的空隙率和渗透性更好。2）钢渣作为多孔沥青混合料，其干湿间接拉伸强度均得到了显著改善，水稳定性显著提升，原因在于钢渣与沥青的良好亲和力和较粗糙的质地增强了黏附力和内聚力。3）钢渣多孔路面的宏微观纹理明显提高，相对标准沥青混合料，BPN值增大了26.23%，纹理深度增大了24.03%，表明掺钢渣多孔路面的摩擦力和抗滑性能较好。钢渣多孔路面较好的抗滑性、水稳定性、抵抗永久变形能力、较高的空隙率以及较粗糙的质地，使其更适用于多雨地区。参考文献：1 陈灿，段靖轩，邹尚缙，等.薄层多孔沥青路面抗滑性能研究J.现代交通与冶金材料，2023，3（1）：1-8.2 沈剑，张印冬，黄辰，等.双层多孔沥青路面在城市特长隧道中的应用J.市政技术，2022，40（6）：40-46.3 李俊，陆海珠，李明亮.温度和水分对多孔沥青路面层间黏结性能的影响J.公路工程，2021，46（5）：144-148，155.4 徐强.高黏沥青在多孔排水路面的应用J.西部交通科技，2020（5）：29-32.5 李明亮，袁春坤，李俊，等.车辙变形对多孔沥青路面排水性能的影响J.长安大学学报（自然科学版），2020，40（1）：107-115.6 陈健侠，朱晟泽，梁彦龙，等.多孔沥青路面路用功能性能的衰变特性研究J.城市道桥与防洪，2016（4）：151-156，168.7 李俊，李洪刚，李明亮，等.下承层界面状况对多孔沥青路面层间黏结性能的影响J.公路，2021，66（6）：7-10.39