以鋼渣為骨料的乳化瀝青稀漿封層混合料研究

劉科強 王海峰 李 星 羅明浩 楊 朋 李建新

（1 佛山市建盈發展有限公司；2 廣州航海學院土木與工程管理學院）

1 概述

乳化瀝青稀漿封層是以級配砂石為骨料，選用某種類型的乳化瀝青為結合料，外加適量的水、填料和必要的添加劑，通過稀漿封層機現場攤鋪成型的混合料，經破乳、凝結、硬化形成滿足一定路用性能的封層。但是據有關資料顯示，我國的優質石料只能使用30～50 年[1]，因此本研究以能代替天然骨料的鋼渣為重點研究對象。鋼渣是煉鋼生產過程中產生的副產品，通常作為廢料處理，一直以來作為工業廢品占據寶貴的土地資源[2]。鋼渣中富含鐵元素，具有壓縮孔隙結構，使其成為一種較為密實的材料。有研究表明，摻有鋼渣的瀝青混凝土具有良好的防滑性和隔熱性[3-4]，且較易壓實。在我國提出“碳中和”、“碳達峰”背景下，我國眾多鋼鐵企業利用廢棄鋼渣鋪筑了瀝青路面及水泥路面等結構物[5-6]。但很多研究將鋼渣僅用作回填材料或道路的路基材料。隨著我國科技的進步和環保措施的落實，廢棄鋼渣等材料的處理加工必然走向深入和創新，鋼渣在工程領域特別是在道橋建設上將會比天然骨料有更加明顯的優點。本研究對廢棄鋼渣、石灰巖及輝綠巖作稀漿封層的骨料進行了對比研究，發現廢棄鋼渣的所有性能均滿足甚至超過相關規范要求的同時，仍然有較好的路用性能，也具有較好的經濟效益和社會效益。

2 原材料性能

2.1 集料性能

本研究對某鋼鐵公司廢棄鋼渣的基本物理力學性能進行了分析，試驗的內容包括：集料密度、扁平細長顆粒含量、洛杉磯磨耗值、與瀝青的粘附性、吸水率、壓碎值、磨光值等，并將相應的試驗結果與通常用在高速公路稀漿封層中的天然集料（常用的輝綠巖和石灰巖）做對比，試驗結果如表1 所示。可以看出，鋼渣集料在壓碎值和磨光值及粘附性方面并不亞于天然集料。

表1 集料物理性能指標

2.2 乳化瀝青性能

本研究所用的乳化瀝青性能如表2 所示。

表2 改性乳化瀝青試驗結果

3 稀漿封層所用級配

本研究采用某鋼鐵集團煉鋼所產生的廢棄鋼渣，選用4.75～0.075mm 的細集料為主要骨料，＜4.75mm 用量為53%，＜2.36mm 用量為41%，礦粉用量為6%。具體采用的級配和配合比如表3 所示。

表3 稀漿封層級配及配合比

4 混合料試驗

稀漿封層混合料的加水量與集料物理巖性性質、瀝青的性能、采用級配及溫度等多種因素密切相關。由于試驗時季節為夏季，室外溫度為30℃左右，故攪拌時間設為200s，選定骨料:乳化瀝青:水泥:水=100:13:2:10；做石料的相容性試驗，確定混合料可操作時間為2～4 分鐘之間，固化時間為75 分鐘。水泥用量根據經驗取2%，取不同乳化瀝青用量做粘附砂用量的試驗得相關數據(負荷輪碾壓試驗)，另粘附砂量根據規范應小于450g/m2。

在進行混合料配比及施工時，要多次進行稠度試驗，使稠度數值在可控范圍之內。本研究的稠度試驗見表4 所示。由表4 可以看出，鋼渣混合料的最佳瀝青含量介于輝綠巖和石灰巖之間，數據表明，以鋼渣為骨料的稀漿封層混合料所用瀝青在可接受范圍之內。為了優選各材料的配比，本研究進行了混合料磨耗試驗和碾壓試驗，具體見表5 和表6。濕輪磨耗試驗是檢驗乳化瀝青稀漿封層混合料成型后的耐磨性能。從表5 可以看出，鋼渣在乳化瀝青含量為14%～16%時，其耐磨性能優于石灰巖和輝綠巖。碾壓試驗用于測定乳化瀝青混合料中是否有過量的瀝青，用以控制瀝青用量的上限。從表6 可以看出，鋼渣稀漿封層混合料的粘附砂量雖然較小，但是與其他兩種集料的情況非常類似。數據表明，廢棄鋼渣稀漿封層混合料各項性能滿足相關要求，可以作為骨料代替天然骨料。

表4 混合料稠度試驗

表5 濕輪磨耗試驗結果

表6 碾壓試驗結果

5 工程應用

根據本研究成果，選擇合適的鋼渣廢料在某公路上進行了試驗段鋪筑（見圖1）。按照本工程設計路面圖紙要求，在鋪筑水泥穩定底基層及基層以后撒布透層瀝青。為滿足路面的防水要求在基層上鋪筑ES-2 型改性瀝青稀漿封層，鋪筑厚度為6mm。為此在鋪筑改性瀝青稀漿封層之前按設計要求進行配合比設計，實際操作過程中乳化瀝青用量取中值13.2%，采用的配合比為廢棄鋼渣:乳化瀝青:水:水泥=100:13.5:11:2。根據此配合比試拌，可得到稠度為2.5cm的稀漿封層混合料（滿足設計要求）。經過1 年的使用期，項目組對該路段進行了走訪，發現該路段的鋼渣稀漿封層混合料整體完好，抗滑系數仍然可達59BPN，表現出優良的路用性能。

圖1 鋼渣為骨料的稀漿封層混合料施工

6 結論

鋼渣可以代替石灰巖及輝綠巖等石料進行稀漿封層的設計與施工應用。以鋼渣為骨料的稀漿封層的的固化時間比其他石料要短一些，稀漿封層混合料具有良好的耐磨性能。由于煉鋼后的鋼渣骨料中含有活性成分，在應用過程中可能會出現骨料膨脹等現象，需要采取技術措施處理（陳化等）后再進行應用。