鋼渣瀝青混凝土路用性能研究

李建華

（上海寶鋼新型建材科技有限公司，上海市201900）

0 前言

鋼渣是煉鋼工業的廢渣，其排放量為鋼產量的10%～20%左右。2010年我國鋼鐵產量達到5.5億t，鋼渣產生量為8000萬t[1]，2012年鋼鐵產量更是達到了7.3億t，按此推算2012年的我國鋼渣產量突破了1億t。鋼渣綜合利用的潛力十分巨大。在歐美國家，目前利用率均達90%以上，其中用于道路工程達70%左右。國外就鋼渣在瀝青混合料中的應用開展了大量研究，認為鋼渣可以作為瀝青混合料集料使用[2,3]。

為分析寶鋼鋼渣作為瀝青混合料集料的可行性，本文選擇AC-13級配類型進行對比研究，按照鋼渣摻量的不同分為三種類型進行對比分析。鋼渣瀝青混凝土、全石灰巖瀝青混凝土、粗鋼渣細石灰巖瀝青混凝土。三種瀝青混合料的最佳瀝青用量采用馬歇爾試驗方法進行確定，三種瀝青混合料對應的最佳瀝青用量為：5.2%、5.4%、5.4%。

1 鋼渣瀝青混合料高溫穩定性

鋼渣瀝青混凝土的高溫穩定性采用馬歇爾穩定度和動穩定度進行評價。

1.1 鋼渣瀝青混凝土馬歇爾穩定度試驗

馬歇爾數據列于表1。三種瀝青混合料的穩定度均大于8 kN，滿足規范要求，并且流值都能滿足規范要求。全鋼渣瀝青混凝土穩定度最大，全石灰巖瀝青混凝土穩定度最小，粗鋼細石瀝青混凝土穩定度介于前面兩者之間。這一現象說明全鋼渣對于提高瀝青混凝土馬歇爾穩定度有幫助。

表1 三種集料瀝青混凝土浸水馬歇爾試驗結果一覽表

1.2 鋼渣瀝青混凝土車轍試驗

車轍試驗是一種模擬車輛輪胎在路面上滾動形成車轍的工程試驗方法，采用標準輪碾方法成型瀝青混凝土板式試件。將全鋼渣、石灰巖、粗鋼細石瀝青混凝土動穩定度測試結果整理如表2所列。

表2 三種集料瀝青混凝土車轍試驗結果一覽表

根據《公路瀝青路面施工技術規范（JTG F40-2004）》表4-1瀝青混凝土車轍試驗動穩定度技術要求，普通瀝青混凝土動穩定度不小800次/mm。由表2可看出，三種集料瀝青混凝土動穩定度值符合規范要求；全鋼渣瀝青混凝土高溫穩定性能最好，全石灰巖瀝青混凝土高溫穩定性最低，粗鋼細石混凝土介于兩者之間。

鋼渣瀝青混凝土動穩定度高的原因是：（1）鋼渣集料的顆粒形狀均勻，棱角豐富且接近立方體。經搗實和碾壓后，顆粒與顆粒能形成緊密的嵌鎖作用，抗剪性能有所提升；（2）鋼渣集料表面擁有相對粗糙的紋理，增加了粗集料間的嵌鎖能力；（3）鋼渣具有多孔結構，這不僅能有吸附多余的瀝青，特別在高溫季節，利于提高混合料的抗變形能力。

2 鋼渣瀝青混合料水穩定性

水穩定性評價采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來綜合評價。試驗所得鋼渣瀝青混凝土等的各項數據及計算結果見表3所列。

表3 三種集料瀝青混凝土浸水馬歇爾試驗結果一覽表

三種瀝青混凝土凍融劈裂數據列于表4。

表4 三種瀝青混凝土劈裂抗拉強度及強度比一覽表

從表4的數據可以看出，三種瀝青混凝土浸水殘留穩定度都在80%之上，凍融劈裂強度比均大于75%，均滿足規范要求。

比較而言，鋼渣瀝青混凝土的水穩定性最好，粗鋼細石瀝青混凝土次之。從化學成分組成來講，鋼渣中含有CaO、MgO、f-CaO等活性物質，與瀝青黏附性較石灰巖更加牢固，賦予了混合料更好的水穩定性。說明混合料中加入鋼渣有利于增強路面耐久性并延長路面使用壽命[4]。

3 鋼渣瀝青混合料低溫抗裂性

采用小梁低溫彎曲試驗評價混合料低溫抗裂性能。試驗溫度-10℃±0.5℃，加載速率50 mm/min。試件采用輪碾成型后切割制成，長250mm±2.0mm，寬30 mm±2.0 mm，高35 mm±2.0 mm的棱柱體小梁，跨徑為200 mm±0.5 mm。試驗設備為Material Test System 810。

按公式(1)計算試件破壞時的抗彎拉應變εB。

式中：εB——試件破壞時最大彎拉應變；

h——跨中斷面試件高度，mm；

L——試件跨徑，mm；

d——試件破壞時跨中撓度，mm。

將破壞時對應的撓度代入公式（1）計算試件最大彎拉應變并整理于表5所列。

表5 三種集料組合瀝青混凝土彎曲試驗結果一覽表

根據氣候分區，上海及周邊地區普通瀝青混凝土的破壞應變με為不低于2000。三種集料組合的瀝青混凝土最大彎拉應變都大于規范要求的2000。低溫抗裂性石灰巖AC-13混合料最優，鋼渣AC-13次之，粗鋼細石AC-13最差。這說明加入鋼渣后瀝青混合料的最大彎拉應變存在一定程度的降低。

4 鋼渣瀝青混凝土膨脹特性

式中：C2——鋼渣瀝青混凝土膨脹量，%；

V1——浸泡養生前試件體積，cm3；

V2——浸泡養生后試件體積，cm3。

三種瀝青混凝土測量的浸泡前后的高度和直徑見表6所列。

由表6可看出，三種集料組合的瀝青混凝土膨脹量皆滿足規范規定的要求，并且使用鋼渣的瀝青混合料的膨脹率反而較不使用的小。說明這批鋼渣安定性較好，可以在瀝青路面中使用。另一方面也說明了鋼渣與瀝青的黏附性好，瀝青包裹鋼渣抑制了其活性物質的膨脹。

鋼渣中的游離氧化鈣數量可占到5%～10%，這些游離氧化鈣水解時體積將增大1～2倍，使得鋼渣粉化膨脹[5,6]。如果膨脹率過大，會嚴重影響整體路面的使用性能。所以必須測定所用鋼渣的膨脹率。

該項試驗按照《公路工程集料試驗規程》的T0348-2005測體積的方法[7]，制作3個標準馬歇爾試件，用游標卡尺測試浸水前試件的直徑和高度計算得到初始體積V1，然后將試件浸泡在60℃±1℃的恒溫水箱中72 h，之后取出測定直徑、高度，從而得到浸泡后體積V2，按照《試驗規程》的公式(4-9)進行鋼渣瀝青混凝土膨脹率的計算。

表6 三種集料組合瀝青混凝土膨脹量結果一覽表

5 結語

通過以上分析，鋼渣瀝青混合料的水溫性和高溫穩定性均優于普通的瀝青混合料，鋼渣瀝青混合料的低溫抗裂性較普通瀝青混合料有所降低，但仍能滿足規范要求。此外，鋼渣瀝青混合料的膨脹性也滿足規范要求，且不會對瀝青混合料的性能產生劣化影響。因此，鋼渣能夠替代普通石灰巖集料用于瀝青混合料，鋼渣瀝青混合料可以用于面層瀝青混合料。

[1]國家發改委《“十二五”資源綜合利用指導意見》和《大宗固體廢物綜合利用實施方案》，《大宗工業固體廢物綜合利用“十二五”規劃》,發改環資[2011]2919[Z].2011.

[2]Ahmedzade,P,Sengoz B.Evaluation of steel slag coarse aggregate in hot mix asphalt concrete[J].Journal of Hazardous Materials,2009,165(1):300-305.

[3]Pasetto M,Baldo N.Mix design and performance analysis of asphalt concreteswith electric arc furnace slag[J].Construction and Building Materials 2011,25(8):3458-3468.

[4]D.Derwin，P.Both，P.Zaleski，W.Marsey，W.Flood Jr，Snow free heated pavement system to eliminate icy runways，SAE International，No.2003-01-2145，2003.

[5]肖琪仲.鋼渣的膨脹破壞與抑制[J].硅酸鹽學報,1996,24(6)635-640.

[6]錢光人,徐光亮,李和玉,等.低堿度鋼渣的礦物組成、巖相特征與膨脹研究[J].西南工學院學報,1997,12(1)：35-39.

[7]JTG E42-2005，公路工程集料試驗規程[S].