鋼渣微表處技術性能評價

程格格，張辰旸，金 強，周斯琪

（1.上海海事大學交通運輸學院，上海市 201306；2.上海中冶環境工程科技有限公司，上海市 200942）

0 引言

公路瀝青路面設計規范對微表處的定義是：用具有一定級配的石屑或砂、填料（水泥、石灰、粉煤灰、石粉等）與聚合物改性乳化瀝青、外摻劑和水，按一定比例拌制成流動型混合料，再均勻灑布于路面上的封層[1]。微表處對路面具有較好的修復性能，且施工便易，性價比高，在我國大部分省市的道路預防性養護工程中應用非常普遍。在路基路面穩定的前提下，國外優質的微表處使用壽命可達5 a，與部分熱瀝青薄層罩面壽命相當[2]。國內微表處由于原料，施工及交通等因素的影響，使用壽命往往只有3 a左右。但微表處相比于其他養護方式仍然有很大的優勢，微表處價格低且養護性能好，施工快捷無污染，能夠預防道路水損壞，提高道路抗滑性能等，因此改善微表處的技術性能，對于我國道路養護工程質量的提高有十分重要的意義。

微表處對原材料質量要求較高，因此需要選擇硬度較高且耐磨的石料，國內對于微表處的技術性能研究往往是依據玄武巖或者輝綠巖等石料進行的。鋼渣作為一種金屬提煉的副產物，不僅硬度比石料更大，表面粗糙，比純石料有更好的耐磨和耐久性，而且還具有耐低溫開裂的特性[3]。并且鋼渣含有的硅酸鹽等活性礦物具有一定的水硬活性，這些特性使得鋼渣不僅提高微表處性能，還能將其變廢為寶，實現鋼渣的廢舊資源整合利用。為此，選取鋼渣替代石料，進行濕輪磨耗和負荷輪粘沙試驗。在原有純石料級配的基礎上，采用0-3和0-5檔鋼渣替代石料，并控制用油量一致，通過試驗分析不同內徑等級鋼渣替代石料之后的粘附沙量與濕輪磨耗值的技術指標差異，以期得出鋼渣能有效地提高微表處技術指標的有效依據，為微表處設計及應用提供技術支持。

1 試驗方案

1.1 原材料

1.1.1 改性乳化瀝青

微表處要求的乳化瀝青材料必須選取改性乳化瀝青[4]。該項試驗使用的改性乳化瀝青組成成分見表1所列。

表1 改性乳化瀝青組成一覽表

1.1.2 鋼渣

該項試驗所用的鋼渣是寶鋼集團的鋼渣，共有A，B，C三種不同渣期的鋼渣。由于鋼渣中含有金屬及金屬氧化物，力學性能較軋制碎石好，具有強度高、表面粗糙、耐磨等優點，且顆粒形狀好，而且與瀝青有良好的粘附性。

1.2 配合比設計

微表處具有良好的礦料級配，我國《公路瀝青路面施工技術規范》[4]中規定的微表處級配見表2所列。該項試驗使用的石料和鋼渣的篩分通過率見表2所列；根據國內M S-2型微表處級配范圍設計石料的級配，控制鋼渣級配盡量與石料級配一致，配合比設計見表3所列。

表2 微表處礦料級配一覽表 %

表3 石料和鋼渣的配合比設計一覽表

1.3 試驗方法

1.3.1 拌和試驗

試件制作進行之前需要進行乳化瀝青摻量的確定，該項試驗根據施工技術員的建議選定了乳化瀝青外摻質量為10%，即油石比為6%。在試驗所需試件制作之前，根據確定的級配和用油量，進行大量的拌和試驗，見表4所列。

表4 拌和試驗（30℃）時間一覽表

由表4可見，可拌和時間均超過2 min，乳化瀝青和水的摻量基本滿足要求。根據試件在攪拌過程中的反應狀態及成型效果，最終確定了消石灰作為催化劑外摻量為1%。根據試驗開始前的測試階段中拌和反應的快慢程度，選擇催化劑的添加與否。

1.3.2 濕輪磨耗試驗

濕輪磨耗值試驗用于檢驗成型后的稀漿混合料的配伍性和抗水損害能力，規范中規定的濕輪磨耗試驗浸水1 h的磨耗值小于540 g/m2，浸水6 d的磨耗值小于800 g/m2[4]。計算6 d的濕輪磨耗值與1 h的濕輪磨耗值之差，記為X，可以認為X越大，則混合料的水穩定性越差。濕輪磨耗值越小，耐磨性越高，水穩定性越好[5]。

1.3.3 負荷輪粘沙試驗

負荷輪粘沙試驗和濕輪磨耗試驗一起確定稀漿混合料的最佳瀝青含量，其中負荷輪粘沙試驗用于控制瀝青用量的上限，見圖1所示，規范中規定的負荷輪粘沙試驗的黏附砂量小于450 g/m2[4]。可用于檢測混合料的粘結程度和成型質量，黏附砂量越大，其試件的質量越好。

圖1 確定微表處最佳瀝青用量的曲線圖

2 試驗結果與分析

2.1 濕輪磨耗試驗結果分析

根據拌和試驗得出的最佳配比制作濕輪磨耗試件，并把試件放置于烘箱中60℃恒溫使其達到恒重，分別浸水1 h和6 d進行濕輪磨耗試驗。試驗參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程—T0752》[6]中規定的試驗要求與步驟進行，圖2為濕輪磨耗試驗結果柱狀圖。

圖2 濕輪磨耗試驗結果柱狀圖

從圖2可以看出，純石料的濕輪磨耗值最大，耐磨性最差且X值最大，水穩定性最差。鋼渣代替石料之后，其濕輪磨耗試驗值普遍降低，其中0-3（B）試件浸水1h和6 d的濕輪磨耗值是純石料的27%和 35%，0-3替代（A）是純石料的 34%和46%，0-5全替代（B，C）純石料的 26%和 49%，說明鋼渣替代石料之后的濕輪磨耗性能更好。且鋼渣替代的X值均小于純石料，其中0-3替代（B）的Y值最小，說明鋼渣替代石料具有水穩性優勢，細鋼渣與粗石料的結合的水穩定性更好。鋼渣的浸水6 d比浸水1 h的濕輪磨耗值增長率比石料要大很多，說明純石料相對于鋼渣替代穩定速度快。但綜合考慮，0-3（B）替代效果最好。

2.2 負荷輪粘沙試驗結果分析

根據拌和試驗得出的最佳配比制作試件，并把試件放置于烘箱中60℃恒溫使其達到恒重，試驗按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程—T0755》[6]中規定的試驗要求與步驟進行，其結果見圖3所示。

圖3 負荷輪粘沙試驗結果柱狀圖

從圖3可以看出，鋼渣替代石料的試件的黏附砂量均大于純石料的黏附砂量，其中0-5全替代（B，C）最大，0-3（A）替代和 0-5 全替代（B，C）差距非常小，均比純石料高1倍以上，差距最小的0-3替代（B）比純石料高出0.28倍。0-5全替代（B，C）比0-3替代（B）高了0.67倍，說明由鋼渣全部替代石料的黏附砂量比部分替代的要好很多，即0-5全替代的鋼渣與乳化瀝青的粘結強度更大，更能節省瀝青用量。綜合來看，鋼渣會提高黏附砂量，0-5全替代和0-3替代（A）的試驗結果均比較好。

2.3 鋼渣對試驗結果影響分析

由于不同種類的鋼渣中的成分不同，對試驗結果的影響也不同。如圖2和圖3所示，A，B兩種混合料試驗結果相比，B種鋼渣替代的濕輪磨耗值的X值均略低于A種，且黏附砂量遠小于A種，說明A，B兩種鋼渣替代的水穩定性相差不大，并且A種的粘結性更好，費油更少。且從圖2看出兩種材料的濕輪磨耗值增長率均在110%附近，說明0-3替代的試驗中，雖然不同種類的鋼渣雖然濕輪磨耗值不同，但其水穩定性的變化率是相對穩定的。

使用不同粒徑的鋼渣替代石料，其試驗結果也不相同。如圖2和圖3所示，0-3替代和0-5全替代相比，0-5全替代的濕輪磨耗值，X值，黏附砂量均高于0-3替代，說明0-3鋼渣替代的水穩定性更好，而全替代費油更少。且從圖2可看出0-5全替代濕輪磨耗值增長率大于0-3鋼渣替代，說明全替代的水穩定性隨著時間的延長可能會越來越差。綜合考慮，使用細鋼渣替代石料更好。

3 機理分析

從以上試驗結果中可以看出，鋼渣替代石料之后，其濕輪磨耗試驗結果與負荷輪粘沙試驗結果均有所改善，其中0-3替代的效果最為顯著。這是由于鋼渣中的堿性金屬氧化物與水反應形成了堿性環境，和酸性乳化瀝青接觸之后發生中和反應，產生水分，增加可拌和時間，便于施工。堿性鋼渣與酸性乳化瀝青發生中和反應，反應后的產物結合更加穩定，且產物在一定程度上修補了鋼渣的表面，減小了鋼渣的比表面積，使瀝青和鋼渣之間有更好的黏附性。鋼渣中的少量的活性硅酸鹽等礦物成分與水接觸會產生類似于水泥的水化反應，使得瀝青混合料的強度增大，凝結性更好。且0-3的細鋼渣由于體積小，與瀝青結合后不易脫落，且包裹瀝青之后能防止鋼渣膨脹，因此細鋼渣作為微表處的替代料比純石料和粗鋼渣更有優勢。

4 經濟型評價分析

在無石料有鋼渣的地區，路用養護石料大多是從外地運輸，運輸費用較高，且增加碳排放量，在道路養護中把鋼渣替代石料，可以及時科學有效地綜合利用鋼渣尾渣，變為可用資源，可以治理環境，減少污染。以上海市為例，由于上海市內不產石料，道路修建過程中所需石料均是由其他各省市運輸，1 km單車道（3.5m寬）厚度為6mm的M S-2微表處所需的石料約60m3左右，價格見表5所列。

從表5可以看出，1 km單車道所需石料價格約10 200元，而鋼渣作為上海本地就有產出的煉鋼剩余廢料，其價格與上海石料市場價更低，如果用0-3鋼渣替代石料，比使用純石料節省了將近4 000元，約是骨料價格的26%，并且減少了石料在運輸過程中的碳排放量，比石料擁有更大的經濟效益和環境效益。

表5 1 km單車道（3.5 m）所需骨料及價格一覽表

5 結論

通過以上試驗分析，可以得出以下結論：

（1）使用鋼渣替代石料得出的濕輪磨耗值明顯降低，而黏附砂量明顯升高，綜合實驗結果可以看出0-3鋼渣（A）替代效果最好。

（2）0-3鋼渣（A）替代的浸水1 h和6 d濕輪磨耗值是純石料的34%，46%，其X值相較于純石料更低，說明0-3鋼渣（A）替代的水穩定性和耐磨性比純石料好。0-3替代（A）的黏附砂量是純石料的1倍以上，說明用鋼渣替代石料所需的瀝青用量有所降低。

（3）使用鋼渣代替石料，能獲得更大的經濟效益。以0-3鋼渣替代為例，在上海市其價格上比純石料低了約26%，說明微表處中石料用鋼渣替代具有十分良好的可行性。