新型筑路材料在公路路面工程的試驗檢測分析

張 璠，申鐵軍

(1.山西路橋第七工程有限公司，山西 晉城 048000；2.山西路橋集團晉南項目管理有限公司，山西 太原 030006)

0 前 言

新型筑路材料近年來在山西省公路建設中得到大面積推廣應用，如鋼渣全組分梯級利用技術將鋼渣制備成高等級瀝青路面用優質集料，實現了鋼渣100%全組分利用。2015年中國建材聯合會專家評審會一致認為，該技術為國際先進水平。根據鋼渣粒徑分布的規律，進行了基于AC-16、AC-13> SMA-13 級配類型的初步配合比設計試驗以及鋼渣瀝青混合料的路用性能試驗，包括體積穩定性能、水穩定性能、高溫穩定性能及低溫抗裂性能、抗疲勞開裂性能等；同時還針對鋼鐵尾渣的環境影響進行了初步評價。一系列的研究成果表明鋼渣可用于瀝青路面抗滑表面層的設計與制備中。國內其他單位也針對鋼渣在瀝青路面中的應用開展研究工作。

1 新型筑路材料應用實例

1.1 土凝巖技術簡介

土凝巖是通過對赤泥、煤矸石等工業廢渣研磨，摻入一定比例的活性劑配合而成，終凝時間超過10 h(具體時間還可根據施工需要進行調整)，作為對筑路材料的改良，土凝巖的干縮系數、溫縮系數均小于水泥穩定土，不容易產生開裂，抗滲、抗凍抗壓、抗沖刷性均明顯提高。土凝巖的強度要高于石灰穩定土[1]。

1.2 工程應用實例

山西省隰縣至吉縣高速公路路面原設計底基層為水泥穩定碎石結構，現采用新型筑路材料，底基層用土凝巖穩定煤矸石代替50%以上碎石(僅做試驗段)，路面原設計面層為瀝青混凝土，現用鋼渣代替50%以上碎石，成為鋼渣瀝青混凝土(大面積施工應用)。此項技術的應用屬于固體廢渣再利用，不僅節約能源，降低能耗，而且消除污染，環保意義重大，在山西臨汾地區社會反響巨大。

2 土凝巖穩定煤矸石基層(底基層)

2.1 土凝巖穩定煤矸石的設計思路

依據煤矸石：土質量比為60%∶40%的比例進行拌合，土凝巖摻配比例為10%和12%兩種。土凝巖摻配采用外摻法。

2.2 土凝巖穩定煤矸石室內試驗

2.2.1 土的基本物理性質

依據《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)，釆用篩分法和液塑限聯合測定法，分別測得土的顆粒分析和液限、塑限以及塑性指數，最終確定該土為：液限ωL為27.0%，塑限ωp為17.8%，塑性指數為9.2，顆粒分析見表1。

表1 顆粒分析表

2.2.2 煤矸石的物理性質

依據《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)對煤矸石進行篩分試驗和壓碎值試驗，結果見表2～3。

2.2.3 穩定煤矸石的試驗方案

本次試驗采用《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)，膠凝材料釆用土凝巖。并調整原材料的級配，煤矸石：土質量比為60%∶40%。依據設計思路，本次方案釆用土凝巖為10%、12%兩種摻量進行試驗，摻配釆用外摻法，試驗數據判定依《公路路基施工技術規范》(JTG/T 3610—2019)。試驗項目為土凝巖原材料試驗、標準擊實、標準擊實延遲試驗、7 d無側限抗壓強度試驗。

1)土凝巖混合料試驗。依據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)對土凝巖混合料(煤矸石∶土為60%∶40%)進行室內標準擊實、劑量標定、擊實延遲試驗、7 d、28 d無側限抗壓強度試驗。試驗結果如下：摻量12%時，7 d抗壓強度4.17 MPa，最佳含水率8.4%，最大干密度1.98 g/cm3；摻量10%時，7 d抗壓強度3.74 MPa，最佳含水率8.7%，最大干密度2.00 g/cm3

2)擊實試驗。將烘干的煤矸石按四分法取樣，稱取一定質量與土按質量比60∶40的比例拌和拌和均勻，依次拌和5份試樣，按提前計算好的含水率依次加入再次拌合均勻，最后裝袋悶料12 h。悶料結束后，將土凝巖按摻量比例稱好并拌合均勻進行擊實試驗。擊實試驗結束后得出最大干密度和最佳含水率用于后期計算試件質量及試件含水率[2]。

3)無側限抗壓強度試件成型及養護。按擊實結果計算出的干密度和含水率將煤矸石、土和一定質量的水拌合均勻，悶料12 h，悶料結束后，按摻配比例稱取土凝巖的質量，再進行拌合，之后按擊實結果計算得出的單個試件質量進行裝料并成型試件。試件成型結束，靜置2 h后進行脫模，脫模后記錄編號、試件質量并裝入塑料袋放在標準養護室養生6 d，第7天取出泡在20℃±2℃水中靜置24 h，水面高于試件頂面2.5 cm。泡水結束后擦干試件表面水分稱取試件質量并立即進行強度試驗[3]。

2.2.4 初步試驗結果分析

1)7 d無側限抗壓強度。土凝巖穩定煤矸石(煤矸石∶土質量比=60%∶40%，土凝劑含量10%)7 d無側限抗壓強度為3.74 MPa；土凝巖穩定煤矸石(煤矸石∶土質量比=60%∶40%，土凝劑含量10%)7 d無側限抗壓強度為4.17 MPa。相比原設計水泥穩定碎石，土凝巖穩定煤矸石7 d無側限抗壓強度指標滿足要求。

2)其他指標(如壓實度、彎沉等)需試驗段鋪筑后進行驗證。

3 鋼渣瀝青混凝土面層

3.1 鋼渣瀝青混凝土特性研究

1)鋼渣資源分布與材料特性研究。研究山西臨汾及其周邊地區代表性鋼渣材料的產量、處理工藝及特性，具體包括：鋼鐵尾渣原渣的密度、游離氧化鈣含量、游離氧化鎂含量、集料特性指標、吸水率、膨脹率等。探討鋼渣材料性能的影響規律，提出瀝青路面用鋼渣集料的質量控制技術標準。

2)鋼渣集料制備及其在瀝青混合料中的研究。鋼鐵渣制備道路工程用集料的制備工藝研究，分析鋼鐵渣原渣粒徑與陳化時間；破碎及集料均質化設備選型與工藝優化；鋼鐵渣集料技術規范。開展鋼渣瀝青磨耗層混合料配合比設計，通過研究大摻量鋼渣瀝青混合料的組成設計方法，分析鋼渣在混合料多級分散體系中最佳應用組成，提出控制鋼渣與天然集料因比重差異產生級配變異的方法。

3)鋼渣瀝青混合料性能研究。開展鋼渣瀝青混合料力學與耐久性能研究，具體研究內容包括：鋼渣集料對瀝青混合料力學強度特征；鋼渣瀝青混合料高溫穩定性能、低溫抗開裂性能、抗疲勞性能以及抗水損害性能、鋼渣瀝青混合料抗滑耐磨性能

4)鋼渣環境影響評價研究。開展鋼鐵渣環境影響評價研究，具體內容包括：鋼渣的重金屬毒性浸出試驗研究、鋼渣瀝青混合料的重金屬浸出試驗研究。

5)鋼渣瀝青路面施工特性及試驗段跟蹤觀測研究。研究鋼渣瀝青混凝土的施工特性，分析鋼渣的有效運距、拌合工藝參數及最佳碾壓溫度，探究其與普通瀝青混凝土施工工藝的區別，提出鋼渣瀝青路面抗滑表層施工技術。鋪筑鋼渣瀝青混凝土面層試驗段，進行跟蹤觀察檢測，為鋼渣瀝青路面在山西臨汾地區的推廣應用提供技術支撐[4]。

3.2 關鍵技術問題

1)從鋼渣的多孔結構、表面形貌以及與瀝青的粘附特性角度出發，揭示鋼渣微觀性能與瀝青混合料宏觀抗滑耐磨性能之間的內在聯系、影響因素與作用機理。

2)從鋼渣瀝青混合料材料組成設計與制備方法入手，解決嚴酷自然條件及交通狀況下傳統瀝青混合料抗滑性能與抗水損害性能差的問題，顯著改善瀝青混凝土的服役性能，延長服役壽命。

3)從鋼渣資源化角度入手，解決大摻量鋼渣與瀝青混凝土耐久性能之間的適應性問題，改善瀝青混凝土抗滑耐磨性能的同時，兼顧改善瀝青混合料的高低溫性能以及疲勞性能。

3.3 研究采用的技術路線與實施方案

結合山西省隰吉高速公路建設工程實際，技術路線與實施方案如下。

1)掌握山西省臨汾地區潛在鋼渣資源狀況與材料特性，重點針對鋼渣的體積不穩定性以及其微觀特性與瀝青粘附性之間的關系開展研究工作。

2)在解決鋼渣體積穩定性問題的基礎上，以鋼渣骨料嵌擠結構特征、鋼渣瀝青混合料中有效瀝青含量、基于重載交通的抗滑耐磨長壽命鋼渣瀝青混合料的要求，開展鋼渣瀝青混合料的配合比設計與優化工作。

3)以鋼渣瀝青混合料優化配合比為指導，以鋼渣與瀝青之間的粘附機理為理論基礎，開展鋼渣瀝青混合料的耐久性研究工作。

4)以伴生有害元素的輸入、固化、遷移特性為基礎，開展全過程的鋼渣瀝青混合料環境影響評價工作。

4 結束語

目前，山西省隰吉高速公路已普遍應用試驗云檢系統、拌合站預警系統，掌握原材料及關聯實體工程質量動態，推進材料管控信息化、科學化、智能化。

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