雙層鋼渣瀝青混凝土路面在莆炎高速公路的施工應用

■張宗鋒

（福州左海控股集團有限公司，福州 350028）

隨著我國鋼鐵摻量的增加，鋼渣作為冶煉的副產物，其產量也不斷增加，2020 年鋼渣產量約達1.2 億t，累計堆存量達10 億t[1]。 現有處理方法主要為熱潑法，雖然具有排渣快、投資小等優點，但存在占地面積大、環境友好度極低等問題[2]。 此外，隨著我國高速公路快速發展，優質石料緊缺，公路行業也迫切尋找替代物。 鋼渣具有優秀的耐磨性和堅固性、棱角性豐富、與瀝青黏附性好等優點[3]，將鋼渣替代石料不僅能提高鋼渣利用率，而且減少環境污染，促進公路行業綠色可持續發展，具有良好的社會經濟效益。 為此，科研人員對鋼渣瀝青混合料性能開展了一系列研究。 鋼渣細集料質量不穩定[4]，國內外研究主要針對鋼渣用于粗集料的影響。 由于鋼渣良好的力學性能、豐富的棱角性、高孔隙等特點，與天然集料瀝青混凝土相比，鋼渣瀝青混凝土具有降噪、改善高溫性能等[5-7]優點；其堿性活性物質、比表面積大等特性，能有效提高鋼渣瀝青混合料的疲勞性能[8-9]。 實際工程表明鋼渣瀝青混合料有較好抗車轍和抗滑性能[10]。 而鋼渣中活性物質（f-CaO、f-MgO） 水化導致鋼渣體積不安定性是瀝青混合料水穩定較差主要原因。 對鋼渣進行預處理或一定時間陳化并采用有機硅樹脂、SiO2膠體等改性處理可以降低鋼渣體積膨脹率，改善水穩定性[11-13]。 李燦華等[14]對鋼渣瀝青路面長期追蹤調查顯示，相比普通瀝青路面，鋼渣瀝青混凝土路面的抗滑性能衰減慢，經過8 年服役后，擺值僅下降32%，依然保持良好路況。

綜上所述，鋼渣是天然集料良好的替代品。 為探討鋼渣瀝青路面在福建省的可行性，采用福建三鋼生產的鋼渣替代粗、細集料，依托莆炎高速公路工程，從配合比設計、試驗路鋪筑等方面對雙層鋼渣瀝青混凝土的施工可行性進行研究。

1 工程概況

本工程路段位于福建省莆炎高速某段，是國家綜合運輸大通道“主干動脈”之一。 路面采用組合基層+雙瀝青面層結構， 上面層為4.5 cm AC-16C 改性瀝青鋼渣混合料， 下面層為5.5 cm 重交70#AC-20C 瀝青鋼渣混合料，2019 年施工通車至今已運行了近4 年，路用性能良好。。

2 試驗材料

鋼渣是經過一系列復雜物理化學反應而形成的固體雜質綜合體，不同于天然石料形成過程，兩者力學性能有一定差異。 因此對鋼渣基本性能研究是瀝青混合料分析的基礎。 本試驗段采用鋼渣來自福建三鋼集團，經過6 個月陳化，相關性能見表1。礦粉來自福建省三明市尤溪縣，并摻入20%消石灰。 70#重交瀝青和I-D 級SBS 改性瀝青來自廈門新立基公司，基本性能見表2。

表1 鋼渣基本性能

表2 瀝青基本性能

3 配合比設計

AC-16 瀝青混合料使用SBS 改性瀝青，AC-20采用70#石油瀝青， 兩種級配均采用鋼渣替代全部粗、細集料，填料均為礦粉。由于鋼渣與礦粉密度差異過大，因此采用體積—質量原則換算得到質量配合比[15]。 集料是以包括開閉口孔隙在內的形式進行填充，選取毛體積密度進行換算，換算方式見表3。

表3 鋼渣集料體積—質量換算關系

對集料篩分后， 根據篩分結果確定生產配合比，換算后AC-16 和AC-20 級配見圖1～2。

圖1 AC-16 合成級配曲線

圖2 AC-20 合成級配曲線

對AC-16 和AC-20 兩個級配曲線，各選用5個油石比（分別為4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%）進行配合比試驗。 以AC-16 為例，由瀝青混合料配合比馬歇爾試驗結果（表4）可知，鋼渣瀝青混凝土毛體積相對密度沒有出現最大值，所以OAC1 取空隙率中值對應的油石比，得OAC1=5.16%；然后確定各指標均滿足規范值要求的最大值和最小值，相應OACmin=4.86%，OACmax=5.65%，平均得到OAC2=5.23%，最佳油石比OAC=（OAC1+OAC2）/2=5.21%，取5.2%。同樣對鋼渣瀝青混凝土AC-20 進行馬歇爾配合比試驗，得到最佳油石比為4.9%。

表4 AC-16 鋼渣混凝土馬歇爾試驗結果

根據圖1～2 合成級配曲線，采用馬歇爾試驗確定AC-16 與AC-20 最佳油石比分別為5.2%、4.9%。最佳油石比下馬歇爾性能指標見表5。 根據生產配合比對瀝青混合料進行高溫性能和水穩定性驗證，結果見表6，可知高溫性能和水穩定性滿足規范要求，該級配可以用于試驗路鋪筑。

表5 最佳油石比下馬歇爾試驗結果

表6 瀝青混合料生產配合比性能驗證

4 施工工藝

4.1 鋼渣瀝青混合料的生產與運輸

陳化鋼渣本身已是顆粒狀，混合料生產前采用反擊破再次破碎，使鋼渣顆粒形狀接近立方體，滿足規范針片狀要求。 粗、細集料分層堆放，逐層向上堆放。細集料避雨堆放，以控制細集料含水量。拌和時將集料充分烘干，由于鋼渣具有較多微孔，應適當延長鋼渣細集料烘干時長。 采用間歇式拌和機拌制鋼渣瀝青混合料，鋼渣集料干拌時間10～15 s，后加入瀝青濕拌55～60 s，礦粉較瀝青延遲3 s 加入，總生產時間為70～80 s。 混合料拌和時間應根據現場施工情況適當調整，直至集料表面被瀝青完全包裹。 鋼渣瀝青混合料生產溫度見表7。

表7 鋼渣瀝青混合料生產控制溫度

試驗段采用多輛大噸位自卸式卡車運料，放料時確保錯位裝料，減少鋼渣混合料離析。 由于鋼渣比重較普通石料大， 運輸時注意體積重量比的換算，不可超載。

4.2 攤鋪與壓實

攤鋪過程與普通集料瀝青混凝土要求相同，攤鋪溫度見表8。 鋼渣瀝青混凝土的碾壓過程與普通瀝青混凝土一樣，采用雙鋼輪振動壓路機和輪胎壓路機聯合進行，分為初壓、復壓和終壓。 壓路機緊跟攤鋪機碾壓，碾壓應在規定溫度范圍內，防止低溫下反復碾壓造成鋼渣棱角磨掉和鋼渣壓碎，破壞鋼渣集料嵌擠狀態。 壓路機碾壓速度隨不同階段及壓路機類別而變化，本試驗段壓路機碾壓速度和溫度見表9。

表8 鋼渣砼攤鋪溫度

表9 壓路機碾壓速度與溫度

在運輸與攤鋪過程中采用插入式溫度計檢測瀝青混合料的出廠溫度和運到現場的溫度。經實測發現鋼渣瀝青混合料具有“回溫”現象，具體表現為攤鋪溫度常高于出場溫度，而同期攤鋪天然集料瀝青混凝土未發現此現象，因此應控制全鋼渣集料瀝青混凝土出場溫度。 試驗段各階段溫度見表10～11。

表10 AC-20 混合料生產、運輸、攤鋪、碾壓溫度記錄

表11 AC-16 混合料生產、運輸、攤鋪、碾壓溫度記錄

5 與普通砂巖瀝青混凝土的室內試驗對比

本研究還進行了相同級配的普通砂巖集料瀝青混凝土室內試驗，AC-16 鋼渣瀝青混凝土與普通集料AC-16 瀝青混凝土的對比見表12。 由表12 可知，鋼渣瀝青混凝土的瀝青用量較砂巖瀝青混凝土大0.5%，相應動穩定度與劈裂凍融結果較后者略小， 但低溫下的拉伸應變較砂巖集料明顯增加，性能改善顯著，鋼渣路面抗滑性能的擺值和構造深度也較后者優良。

表12 AC-16 鋼渣瀝青混凝土與普通集料瀝青混凝土的性能對比

6 路面質量檢測

施工結束后對試驗段進行了常規路面性能檢測，部分檢測結果見表12。從檢測結果來看，兩種類型鋼渣路面壓實度、抗滑性等指標基本滿足規范要求，其中由于鋼渣表面豐富的紋理和棱角性，實測擺值和構造深度遠大于規范要求，為路面提供良好的抗滑性，保證行車安全。 復壓3 遍的壓實效果明顯好于2 遍，各性能指標都有顯著提升。

鋼渣瀝青路面鋪筑于2019 年12 月，2023 年4 月檢測了試驗路部分指標（下標記為2023），結果如表13 所示。 經過3 年多的運行，構造深度和BPN值略有下降，但仍遠超過規范要求。 將依托工程非試驗段部分在2019 年瀝青路面鋪筑完畢和2023年運行3 年多后的檢測數據（表13），與鋼渣瀝青混凝土路段（表14）進行對比分析。 依托工程非試驗段采用砂巖集料，上面層為AC-16 砂巖改性瀝青混凝土。

表13 鋼渣AC-16 與AC-20 路面壓實度與滲水性

表14 砂巖AC-16 與AC-20 路面壓實度與滲水性

通過對比可知，經過3 年多的運行期，鋼渣路面與砂巖改性瀝青混凝土路面差別不大，指標變化幅度也接近，這可能是因為鋼渣與砂巖的表面紋理均比較豐富。

7 結語

本研究依托莆炎高速公路工程，對雙層全鋼渣路面施工工藝進行探討。 考慮到鋼渣為工業廢棄物，目前市場售價約15～20 元/t，成本遠較普通集料110～120/m3元低，即使鋼渣瀝青用油量偏大，也可以顯著降低綜合造價；同時，鋼渣材料大比例的路面應用，消耗了原本當作污染物丟棄的鋼渣，提高鋼渣利用率，減少環境污染，可促進公路行業綠色可持續發展，有良好的社會效益，得出結論如下：（1）力學性能優異、體積安定性良好的鋼渣可全替代粗、細集料，制備而成的全鋼渣瀝青混合料也能有良好的高溫性能和水穩定等路用性能。 全鋼渣瀝青混合料提高鋼渣使用量， 減少對天然集料依賴，有良好的推廣價值和市場空間；（2）全鋼渣瀝青混合料有“回溫”現象，應控制全鋼渣集料瀝青混凝土出場溫度；（3）與砂巖集料瀝青混凝土相比，全鋼渣集料瀝青混凝土性能與其相差不大，均滿足規范要求。