鋼渣微表處組成設計與路用性能研究

曹 軍

(陜西高速公路工程咨詢有限公司,陜西 西安 710064)

1 概述

微表處是由改性乳化瀝青、集料、填料、水和添加劑等按照一定配比組成的稀漿混合料，施工時直接在現場常溫拌和攤鋪，具有開放交通快的特點，同時又具有抗滑、耐磨等優點，所以作為一種重要的養護材料目前已成為我國各等級道路中較為常見的一種養護技術[1]。隨著我國道路建設事業的迅速發展，公路建設和養護領域對優質石料的需求與日俱增。而近年來由于人們對生態環境保護意識的增強，天然石料的開采受到了一定的限制，石料已經成為寶貴的不可再生資源。在這一背景下，微表處混合料現場推廣和應用也遇到一些瓶頸:

1)作為微表處用粗集料的玄武巖屬于優質石料，在我國多數地區儲量不多，往往難以及時滿足工程需求，或者市場價格較高，使得微表處混合料的性價比不高；

2)傳統的微表處混合料的強度不夠，服役一段時間后容易很快出現車轍、松散以及與舊路面層脫粘等病害形式[2]。

鋼渣作為一種固態廢棄物，是在煉鋼過程中由于加入石灰提取雜質而附加產生的。近年來，一方面國內鋼渣產量激增，另一方面鋼渣綜合利用率不足30%，以致于大量鋼渣只能通過簡單堆放占用土地，造成環境污染，卻得不到合理利用，造成浪費。同時，鋼渣具有高磨光值和高堅固性，比較適用于道路磨耗層，特別是將鋼渣應用于微表處混合料中，能充分發揮鋼渣高硬度、高耐磨性，實現變廢為寶[3]。

綜上所述，研究鋼渣應用于微表處混合料具有重要意義，通過鋼渣自身良好的物理力學性能和表面特性賦予微表處罩面更為持久的抗滑性，可為緩解我國道路養護工程對優質石料的需求緊張提供途徑。本文將通過室內試驗研究來分析鋼渣加入微表處混合料后對其組成設計和路用性能帶來的影響，從而為鋼渣微表處材料在工程中的推廣應用提供試驗依據和參考。

2 原材料

2.1 礦料

本文試驗對象針對兩種微表處混合料，即普通微表處和鋼渣改性微表處混合料。兩者的區別在于，前者所用粗集料為5 mm～10 mm玄武巖，而后者所用粗集料由鋼渣代替。兩者所用細集料均為石灰巖機制砂，填料為礦粉和水泥，礦料級配類型也相同，均為規范中推薦的MS-3型中值級配。

所用鋼渣為河北鋼鐵集團產出，已經過穩定化處理，其與玄武巖技術比較見表1。表1試驗結果反映鋼渣各項技術指標基本能滿足高速公路面層對集料的技術要求。但其吸水率指標較差，這是因為鋼渣表面多孔，不過由于鋼渣表面多孔、粗糙且為堿性，其與瀝青的粘附性檢測等級較高(顯示為5)，而這將有助于提升鋼渣微表處的抵抗水損害能力。

表1 玄武巖粗集料和鋼渣技術指標比較

2.2 改性乳化瀝青

試驗中兩種微表處所用瀝青均為SBR改性乳化瀝青，各指標試驗結果見表2。

表2 SBR改性乳化瀝青技術指標

3 試驗結果與分析

1)對用水量的影響。微表處混合料施工過程為呈稀漿狀態，攤鋪后迅速固化成型，這就要求微表處混合料必須滿足一定的施工和易性。與施工和易性緊密相關的是用水量。所以，為了研究鋼渣微表處混合料用水量合理范圍，以7.5%瀝青用量為依托，改變兩類微表處混合料外加水量參數，按照相關規范[5]進行拌合試驗，試驗結果如圖1所示。

圖1中外加水量不包括改性乳化瀝青中的含水量。從圖1中可以看到，隨著外加水量的增加，兩種微表處混合料的可拌和時間均表現為隨之增加的趨勢；對于傳統微表處，當用水量增加至9%時可拌和時間滿足規范規定不小于120 s的要求，而對于鋼渣微表處，外加水量需要增加至10%時方能滿足可拌和時間的要求。這是因為鋼渣具有更多的表面空隙，吸水率比較高，并且鋼渣具有更豐富的表面紋理，所以混合料流動過程中的摩阻力更大，會對混合料的和易性造成影響，需要更多的水分發揮潤滑作用。所以將鋼渣用于微表處集料，需要根據試驗適當提高微表處混合料的總用水量，以滿足可拌和時間指標要求。

2)對瀝青用量的影響。按照JTG E20—2011規范中條文規定，微表處瀝青用量是通過1 h濕輪磨耗試驗及負荷輪粘附砂試驗共同確定。其中1 h 濕輪磨耗試驗的磨耗值用于確定微表處瀝青混合料的最小瀝青用量Pbmin，負荷輪粘附砂試驗的粘附砂量用于控制微表處的最大瀝青用量Pbmax[5]。傳統微表處和鋼渣微表處混合料最佳瀝青用量的試驗范圍分別為6%～8%和7%～9%，不同瀝青用量下微表處瀝青混合料磨耗值和粘附量結果見圖2,圖3。

綜合分析圖2，圖3中可知，普通微表處Pbmin～Pbmax范圍為6.3%～7.7%，以鋼渣為粗集料的微表處Pbmin～Pbmax的范圍為7.3%～8.8%。可見，鋼渣代替粗集料使得瀝青用量高出1%左右，這主要因為鋼渣具有豐富的表面空隙，需要吸附更多的瀝青才能實現良好的界面粘結強度。

3)對路用性能的影響。為說明鋼渣對微表處混合料抗車轍性能的影響，分別以7.0%和8.1%瀝青用量成型傳統微表處試樣和鋼渣微表處試樣，采用車轍變形試驗(T0756—2011)評價兩類微表處混合料的抗車轍性能，每組平行試驗3次得到試件的側向位移和單位寬度變形率結果如表3所示。

表3 車轍寬度變形率結果

從表3兩種微表處車轍試驗結果可以看出，鋼渣微表處混合料相比于普通微表處混合料，寬度變形率要小很多，這就直接說明了鋼渣微表處混合料在抵抗車轍變形方面要優于普通微表處混合料。究其原因，鋼渣在磨耗性和堅固性方面都要強于玄武巖，所以當微表處混合料選用鋼渣做粗集料時在抗車轍方面具有一定的優勢。

為進一步說明鋼渣加入微表處瀝青混合料中后，混合料低溫抗裂性能的具體表現情況，本文采用半圓彎拉試驗進行評價和比較。半圓彎拉試驗所用試件為直徑100 mm、厚度30 mm的半圓試件，由馬歇爾試件切割而成。該試驗進行前需在-10 ℃溫度下對試件進行保溫2 h以上，試驗過程中溫度恒定在-10 ℃，并且以1 mm/min加載速率施加負荷。試樣測試得到的峰值荷載后按式(1)計算試件的低溫破壞強度。

(1)

其中，σ為試件的破壞強度，MPa；P為破壞時刻荷載，N；s為支座間距離，80 mm；d為試件厚度，30 mm。

由表4可知，鋼渣微表處SCB試驗破壞強度大于普通微表處，也就是說鋼渣微表處混合料在低溫抗裂性能方面要優于普通微表處混合料。可見，鋼渣作為微表處混合料粗集料有利于提升混合料低溫抗裂性能。

表4 SCB彎拉強度結果

表5 6 d濕輪磨耗值結果

為評價微表處混合料的水穩定性，采用濕輪磨耗試驗(T0752—2011)評價兩種微表處6 d的濕輪磨耗值并進行比較，試驗結果如表5所示。

表5為兩種微表處濕輪磨耗試驗結果，由表5可知兩種微表處混合料磨耗值相差不大，表明鋼渣代替玄武巖作為粗集料對微表處混合料抗水損害能力基本無影響。

4 結語

本文以鋼渣作為粗集料代替玄武巖，通過室內試驗研究分析了加入鋼渣后對微表處混合料配合比和路用性能的影響作用，得到以下結論：

1)由于鋼渣具有更好的棱角性和豐富的表面微孔，在微表處配合比設計中要適當提高用水量和瀝青用量。

2)鋼渣作為粗集料的加入微表處混合料可以顯著提升混合料的抗車轍性能和低溫破壞強度，然而對微表處混合料的抗水損害能力無明顯影響作用。

3)結合微表處混合料組成設計和路用性能評價結果，可知鋼渣作為粗集料的加入微表處混合料具有技術可行性，能夠提高微表處罩面的耐磨耗性和緩解優質微表處優質集料的需求緊張問題。