基于路用性能的鋼渣瀝青混合料鋼纖維合理摻量探究

（廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 511400）

我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度不斷加快，同時(shí)煉鋼工業(yè)也在不斷擴(kuò)張，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量鋼渣廢棄物。以往露天堆放鋼渣廢棄物的處理方式浪費(fèi)了大量的土地資源，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，亟需尋找一種能夠妥善循環(huán)利用鋼渣廢棄物的方法。

鋼渣廢棄物具有耐磨能力強(qiáng)、棱角性好等特點(diǎn)，并能與瀝青黏結(jié)料牢固結(jié)合，因此可以應(yīng)用于瀝青混合料路面的建設(shè)，以取代日益枯竭的天然集料資源，且有效解決鋼渣廢棄物占用大量土地及其帶來的污染問題。有關(guān)鋼渣在瀝青混合料中的應(yīng)用研究，國內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)做出了一定探索。沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院李偉等研究了瀝青混合料的層間剪切力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)相較于未摻加鋼渣的常規(guī)瀝青混合料，鋼渣瀝青混合料具有更好的抗剪能力；西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院徐帥等將鋼渣摻加到排水性瀝青混合料中，研究其路用性能的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)鋼渣的加入能提升排水性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，并能一定程度上減少混合料體積膨脹；沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院郎雷等從混合料耐久性和滲透性等方面著手，從配合比設(shè)計(jì)過程中的級配控制及油石比控制方面，研究了鋼渣瀝青混合料的路用性能影響規(guī)律。

除鋼渣在瀝青混合料中的推廣應(yīng)用外，為提升其路用性能，亦有許多專家學(xué)者在混合料中摻加多種類別的纖維，旨在探索通過不同的增強(qiáng)理論提升混合料各項(xiàng)性能。廣西交通投資集團(tuán)南寧高速公路運(yùn)營有限公司袁祖光等在排水瀝青混合料中摻加了3類纖維，分析這3類纖維的具體摻量對路用性能造成的影響規(guī)律。山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司張婧麗著眼于玄武巖纖維這一纖維類別，研究了其對面層材料路用性能的影響，認(rèn)為質(zhì)量6%為最佳玄武巖纖維摻量。

綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)鋼渣在瀝青混合料中的應(yīng)用已有較多研究成果。鋼渣在總體性能上相較于常規(guī)集料存在較大區(qū)別，其摻量的差異會對混合料性能產(chǎn)生顯著影響，鋼纖維的復(fù)合摻加會加大其對路用性能影響的復(fù)雜性，而復(fù)合利用鋼纖維和鋼渣的研究則存在著較大空白。因此，本文采用了多項(xiàng)路用性能試驗(yàn)，通過對比驗(yàn)證不同鋼纖維及鋼渣摻量帶來的綜合影響，研究成果可為新型鋼渣AC-13瀝青混合料的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供指導(dǎo)。

一、原材料

本文研究的摻加鋼纖維的鋼渣瀝青混合料試件在制備過程中，原材料中除常規(guī)粗集料外，選用部分鋼渣替代一定比例的粗集料，細(xì)集料選用優(yōu)質(zhì)細(xì)砂，以瀝青作為混合料結(jié)合料，填料選用優(yōu)質(zhì)礦粉。

（一）集料和礦粉

試驗(yàn)過程中選擇的常規(guī)粗集料為石灰?guī)r碎石，其粒徑范圍是5.0mm～10.0mm，主要物理技術(shù)指標(biāo)參數(shù)情況如表1所示；細(xì)集料選用的優(yōu)質(zhì)細(xì)砂粒徑范圍為0mm～5.0mm，經(jīng)測定，其吸水率為0.77%、表觀密度為2.81g/cm3；填料選擇了石灰?guī)r磨細(xì)礦粉，經(jīng)檢測礦粉的吸水率是0.59%、表觀密度為2.69g/cm3。

表1 粗集料物理技術(shù)指標(biāo)參數(shù)

表1 粗集料物理技術(shù)指標(biāo)參數(shù)

表2 鋼渣化學(xué)成分及其占比情況

表2 鋼渣化學(xué)成分及其占比情況

表3 鋼渣物理技術(shù)指標(biāo)參數(shù)

表3 鋼渣物理技術(shù)指標(biāo)參數(shù)

表4 瀝青技術(shù)指標(biāo)

表4 瀝青技術(shù)指標(biāo)

（二）鋼渣

原材料中涉及到的鋼渣粒徑范圍與粗集料保持一致，均為5.0mm～10.0mm，其主要化學(xué)成分及其占比情況如表2所示，主要物理技術(shù)指標(biāo)參數(shù)情況如表3所示。

（三）瀝青

為保證瀝青結(jié)合料的黏結(jié)能力，在制備鋼渣瀝青混合料過程中優(yōu)選了90#基質(zhì)瀝青作為結(jié)合料，針對瀝青主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了檢測，結(jié)果如表4所示。

（四）鋼纖維

將鋼纖維應(yīng)用于鋼渣瀝青混合料時(shí)，需充分考慮各原材料間的模量量級范圍統(tǒng)一，以充分發(fā)揮各原材料的性能。因此，本文選用的鋼纖維長度為24mm、直徑為0.42mm、密度為7.58g/cm3、抗拉強(qiáng)度為531MPa。

二、瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

圖1 AC-13級配曲線圖

表5 馬歇爾試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

表5 馬歇爾試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

為分析摻加一定比例鋼纖維、鋼渣的瀝青混合料路用性能變化規(guī)律，本文在各類瀝青混合料中選擇了較為常見的AC-13作為研究對象，首先對未摻加鋼纖維的AC-13瀝青混合料進(jìn)行級配設(shè)計(jì)（鋼纖維摻量為1%），得到的級配設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

在該級配設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，分別用等質(zhì)量替換的方法，以鋼渣代替原材料中的粗集料成分，擬定的替換比范圍為：0%、25%、50%、75%及100%，共制備5組試件，最佳油石比分別是4.7%、5.2%、5.5%、6.0%和6.3%，馬歇爾試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)如表5所示。

通常，當(dāng)纖維在瀝青混合料中的摻配比例在3%以上時(shí)，容易引起其強(qiáng)度的明顯降低，過少的纖維摻配比則無法提供足夠的加筋增強(qiáng)效果。因此，該試驗(yàn)調(diào)整上述5組試件的鋼纖維摻量，擬定的替換比范圍為0%、1%、2%及3%，共制備4組試件。

三、路用性能試驗(yàn)結(jié)果分析

（一）高溫穩(wěn)定性分析

按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，通過車轍試驗(yàn)對0%～3%鋼纖維摻量、鋼渣替換比0%～100%的20組AC-13瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)，動穩(wěn)定度隨鋼纖維摻量、鋼渣替換比變化規(guī)律如圖2所示。

通過圖2數(shù)據(jù)可知，相較于摻加一定比例鋼渣的AC-13瀝青混合料試件，未摻加鋼渣的試件組（即鋼渣摻量為0%的對比項(xiàng)組）動穩(wěn)定度明顯低于其他各組，其平均值僅有3984MPa，而這一數(shù)值在鋼渣替換比25%～100%的4組AC-13瀝青混合料試件中分別為6373.5MPa、6807.8MPa、5511MPa和4975MPa。換言之，在僅考慮鋼渣摻配比例對AC-13瀝青混合料試件高溫穩(wěn)定性的影響時(shí)，鋼渣摻加比例范圍為25%、50%的試件組別最佳。

對比0%～3%鋼纖維摻量對動穩(wěn)定性影響規(guī)律，0%～3%鋼纖維摻量的4組試件平均動穩(wěn)定度分別為4836MPa、5753.2MPa、6087MPa和5444.8MPa，即鋼纖維摻加比例范圍為1%和2%的試件組別最佳。總體來看，鋼渣摻量為50%、鋼纖維摻量為2%的試件，具有最大動穩(wěn)定度7381MPa。

圖2 動穩(wěn)定度變化規(guī)律

（二）低溫穩(wěn)定性分析

按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，通過低溫小梁彎曲試驗(yàn)對0%～3%鋼纖維摻量、鋼渣替換比0%～100%的20組AC-13瀝青混合料進(jìn)行檢測，彎拉強(qiáng)度變化規(guī)律如圖3所示，勁度模量變化規(guī)律如圖4所示。

圖3 彎拉強(qiáng)度變化規(guī)律

圖4 勁度模量變化規(guī)律

通過彎拉強(qiáng)度變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，未摻加鋼渣的試件組彎拉強(qiáng)度明顯低于其他各組試件，其平均值僅有6.39MPa，而這一數(shù)值在鋼渣替換比25%～100%的4組AC-13瀝青混合料試件中分別為7.38MPa、7.56MPa、7.0MPa和6.82MPa，鋼渣摻加比例范圍為25%、50%的試件組別最佳。對比4類鋼纖維摻量對AC-13瀝青混合料試件的彎拉強(qiáng)度影響規(guī)律，0%～3%鋼纖維摻量的4組試件平均彎拉強(qiáng)度分別為6.10MPa、7.82MPa、7.26MPa和6.94MPa，即鋼纖維摻加比例為1%的試件組別最佳。

此外，分析鋼纖維和鋼渣摻量對勁度模量的影響規(guī)律可知，隨著鋼纖維摻加比例不斷提升，AC-13試件的勁度模量整體呈下降趨勢，但鋼渣摻加比例范圍為25%、50%時(shí)，其下降趨勢較緩。當(dāng)鋼纖維摻量在1%時(shí)，鋼渣摻加比例范圍為25%、50%試件組的勁度模量最大，繼續(xù)增加纖維摻量將引起該組試件的勁度模量迅速下降。

（三）水穩(wěn)定性分析

圖5 凍融劈裂強(qiáng)度變化規(guī)律

按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，通過凍融劈裂試驗(yàn)對0%～3%鋼纖維摻量、鋼渣替換比0%～100%的20組AC-13瀝青混合料進(jìn)行檢測，得到的凍融劈裂強(qiáng)度變化規(guī)律如圖5所示。

分析凍融劈裂強(qiáng)度的變化規(guī)律，未摻加鋼渣的試件組凍融劈裂強(qiáng)度低于其他各組試件，其平均值為82.4MPa，而這一數(shù)值在鋼渣替換比25%～100%的4組AC-13瀝青混合料試件中分別為86.5MPa、87.2MPa、84.9MPa和83.9MPa，同樣，鋼渣摻加比例范圍為25%、50%的試件組別最佳。橫向?qū)Ρ炔煌摾w維摻配比例對AC-13瀝青混合料試件水穩(wěn)定性的影響，同時(shí)綜合將鋼渣摻加比例范圍為25%、50%考慮在內(nèi)，鋼纖維摻加比例范圍為1%的試件組別最佳。

四、結(jié)語

本文基于AC-13瀝青混合料路用性能變化規(guī)律，按照規(guī)范要求通過高溫、低溫和水穩(wěn)定性路用性能試驗(yàn)，并綜合交叉對比，驗(yàn)證了不同鋼纖維及鋼渣摻量帶來的綜合影響。

1.相較于未摻加鋼纖維的常規(guī)瀝青混合料，復(fù)摻鋼纖維及鋼渣可顯著改善AC-13瀝青混合料的高溫、低溫及水穩(wěn)定性。

2.在不同的鋼纖維摻量條件下，鋼渣的合理摻加比例范圍均處于25%～50%之間。

3.AC-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性在鋼纖維摻加比例為1%～2%之間最佳。

4.AC-13瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性在鋼纖維摻加比例為1%時(shí)最佳。