钢渣SMA—13型沥青混合料配合比设计及路用性能研究

0 引言

钢渣作为炼钢生产的固体废渣，大部分被无组织地堆弃，造成土地占用、环境污染和资源浪费。目前，全国钢渣累积堆存近10亿t，如何对钢渣进行有效的循环利用是亟待解决的问题。钢渣的棱角性和耐磨性较好，与沥青有良好的粘附性，用于道路工程领域可以有效降低道路成本，节约天然石料，保护生态环境[1]。

谢君等[2]结合武钢与武汉理工大学铺设的3条钢渣沥青路面的长期检测结果，验证了钢渣沥青混合料在道路面层的应用效果。在10年的重载交通使用过程中，3条钢渣沥青路面均表现出优异的路用性能，其抗滑性能以及耐久性能等指标均优于普通沥青路面。

李旺等[3]结合北京市的道路实体工程，对2条钢渣沥青混合料试验路进行了连续3年的观测和检测，从检测结果来看：在使用初期，钢渣沥青混合料的摩擦系数与对比路段（石灰岩沥青混合料）基本相当，但在长期使用过程中，其摩擦系数衰减程度明显小于对比路段，表明钢渣沥青混合料具备良好的抗滑耐久性。

目前钢渣应用主要存在的问题是：钢渣集料独特的多微孔结构及较大的比重会导致其不能完全按照普通沥青混合料的方法来设计。因此，本文以钢渣为粗集料对SMA-13型沥青混合料进行配合比设计，并对混合料的路用性能进行研究，以期为钢渣用于沥青混凝土抗滑面层提供参考。

1 原材料检验

1.1 钢渣

钢渣选自陕西龙门钢铁公司钢渣处理生产线排放的转炉钢渣尾渣，经筛分、遴选得到钢渣骨料，属于中碱性渣。对钢渣的基本物理力学性能进行分析，结果见表1。钢渣浸水膨胀率均值为1.57%，满足“筑路用钢渣浸水膨胀率应小于2.0%”的要求，故可将钢渣应用于沥青混合料。

1.2 集料

试验中使用的集料取自陕西西临高速改扩建工地，粗集料为玄武岩，细集料为石灰岩。根据《公路工程集料试验规程》（JTJ E42—2005）对各粒径碎石进行试验，集料的各项性能指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTE F40—2004）的要求。

1.3 填料、结合料及纤维稳定剂

填料采用矿粉由石灰岩中的强基性岩石等憎水性石料磨细而成。采用韩国SK AH-90基质沥青制作SBS改性沥青。纤维稳定剂采用木质素纤维，在SMA-13型钢渣沥青混合料中的掺量为0.3%。

2 钢渣沥青混合料配合比设计

2.1 级配设计合理性研究

热拌沥青混合料材料的级配都是按照体积配合的，当集料之间比重相差不大时，以质量比计算较为简便且实用；而当集料之间比重相差较大时，以体积比计算较为合理。沥青混合料由多档不同比重集料组成，若以质量比求沥青混合料平均比重，则有

若以体积比求沥青混合料平均比重，则有

式中：Ga为平均比重；Gi为各档集料的比重；Pwi为各档集料的质量百分比；Pvi为各档集料的体积百分比。

钢渣中含有大量的金属氧化物，如Fe2O3、MnO、MgO等，比重大约为3.2～3.6，而一般为铺面工程的石灰石等天然集料的比重约2.7。由于钢渣与天然集料两者之间比重差异大于0.20，故在钢渣沥青混合料级配设计时须以体积法进行修正，以调整各类集料的组合比例，修正方式如下。

（1）先假设钢渣、玄武岩和机制砂的比重相差不大。按照质量配合比设计成合成级配时，钢渣、玄武岩和机制砂的质量百分比即为体积百分比。

（2）再考虑钢渣、玄武岩和机制砂的实际比重，由于钢渣与天然集料两者之间比重差异大于0.20，集料级配应当以体积为基础进行比重修正。保证3种集料的体积百分比Pvi不变，式（2）代入式（6）求解钢渣、玄武岩和机制砂实际质量比Pwi。

钢渣沥青混合料配合比设计以体积为基础进行比重修正的范例见表2。

2.2 级配设计

本文参照已有的研究成果[4-5]，粗集料选用钢渣、玄武岩，细集料和矿粉选石灰岩，取规范要求的SMA-13级配范围中值进行级配设计。采用钢渣替代粗集料（玄武岩），替代比例分别为粗集料（玄武岩）体积的0、20%、40%、60%、80%、100%。采用上述比重修正方式，先按质量来设计级配（表3），再以各档集料的毛体积密度（表4）进行比重修正，调整各档集料的组合比例，结果见表5。

2.3 体积参数研究

理论最大相对密度是沥青混合料配合比设计和施工质量控制的关键性指标，沥青混合料的体积参数和现场压实度指标均是以此为基础计算所得。钢渣集料含有大量的微孔结构，对沥青的吸附并非瞬时完成，而是随时间而发生变化，这也将导致理论最大相对密度及相应的体积参数发生改变，进而影响到沥青混合料的耐久性能。本文各级粒径集料的有效相对密度由沥青浸渍法直接测量得到，见表6，然后计算任意配比矿料混合料的合成有效相对密度，进而计算出钢渣沥青混合料的理论最大相对密度。

由表6可知，各级粒径集料的有效相对密度均介于毛体积相对密度和表观相对密度之间，即γb<γe<γa。因此采用沥青浸渍法测定的各矿料有效相对密度可以用来计算钢渣沥青混合料体积参数。

2.4 最佳油石比及体积参数

按照表5钢渣沥青混合料SMA-13型级配设计结果，选择马歇尔击实法进行配合比设计，马歇尔击实次数为75次。不同钢渣体积掺量下沥青混合料的最佳油石比及体积参数见表7。由表7可以得出以下内容。

（1）不同钢渣体积掺量下沥青混合料的体积参数均满足规范技术要求。

（2）随着钢渣体积掺量的增加，钢渣沥青混合料的最佳沥青用量随之增加。这是因为钢渣表面有大量的微孔结构，吸附的沥青量增加。

（3）随着钢渣体积掺量的增加，混合料空隙率和矿料间隙率随之增加。何昌轩等[6]研究表明：针对SMA级配，棱角丰富的碎石颗粒构成的混合料具有较大的空隙率和矿料间隙率。钢渣颗粒较玄武岩颗粒棱角丰富、表面粗糙，符合这一规律。

（4）随着钢渣体积掺量的增加，粗集料捣实间隙率VCADRC随之增加。马林等[7]研究表明：粗集料颗粒形状越接近于立方体，其捣实间隙率VCADRC越大，形成的骨架具有良好的嵌挤结构。

3 钢渣沥青混合料路用性能研究

钢渣沥青混合料铺筑的抗滑面层直接承受自然环境因素和交通荷载的影响，应具备良好的路用性能。因此对钢渣沥青混合料以下路用性能进行评价

3.1 高温稳定性

将不同钢渣体积掺量下的SMA-13沥青混合料按照最佳油石比成型车辙板，进行车辙试验，采用动稳定度评价钢渣沥青混合料的高温稳定性能，试验结果见表8。

从表8得出，随着钢渣体积掺量的增加，SMA-13混合料动稳定度先增大后减小，体积掺量为20%时动稳定度达到最高。不同钢渣体积掺量下，SMA-13混合料动稳定度均满足规范技术要求。钢渣体积掺量为20%、40%、60%和80%的SMA-13混合料的动稳定度较普通SMA-13混合料分别提高了53.4%、39.1%、20.3%和7.6%。钢渣体积掺量为100%的SMA-13混合料和普通SMA-13混合料的动稳定度相当。

就以车辙试验来评价钢渣沥青混合料的高温稳定性而言，钢渣体积掺量为20%、40%、60%和80%时，沥青混合料的高温稳定性均好于普通沥青混合料，钢渣体积掺量为20%时最佳。

3.2 低温抗裂性

以低温弯曲应变作为钢渣沥青混合料的低温抗裂性能的评价指标，试验结果见表9。

从表9得出，随着钢渣体积掺量的增加，SMA-13混合料破坏应变逐渐减小。不同钢渣体积掺量下SMA-13混合料破坏应变均大于2 800 με，满足规范要求。钢渣体积掺量为20%、40%、60%、80%和100%的SMA-13混合料的破坏应变较普通SMA-13混合料分别降低了8.3%、14.9%、15.7%、17.3%和18.4%。随着钢渣体积掺量的增加，钢渣沥青混合料低温抗裂性能逐渐降低，这主要是因为钢渣表面的多孔特性，并且存在软弱颗粒、粉尘与杂质，是影响钢渣整体强度的薄弱点，也是影响钢渣沥青混合料低温抗裂性能的主要因素。

3.3 水稳定性

对钢渣沥青混合料水稳定性的研究分为2个方面：一是通过水煮法来评价沥青与矿料的粘附性；二是通过浸水马歇尔试验的残留稳定度、冻融劈裂试验的劈裂强度比和浸水飞散试验的飞散损失指标来评价沥青混合料的水稳定性。

3.3.1 集料与沥青的粘附性试验

采用水煮法对钢渣与沥青的粘附性进行等级评价。钢渣、玄武岩与沥青的粘附性试验结果见表10。

通过表10可知，钢渣集料表面多微孔结构，沥青吸附量增加，且龙钢钢渣呈碱性，与沥青的粘附性良好。

3.3.2 钢渣沥青混合料的水稳定性试验

对不同钢渣体积掺量下SMA-13混合料进行浸水马歇尔试验，试验结果见表11。

由表11得出，随着钢渣体积掺量的增加，SMA-13混合料残留稳定度先增大后减小，体积掺量为40%时达到最高。不同钢渣体积掺量下，SMA-13混合料残留稳定度均满足规范的技术要求。钢渣体积掺量为20%、40%、60%的SMA-13混合料的残留稳定度较普通SMA-13混合料分别提高了0.8%、2.0%、1.1%。主要原因是钢渣集料呈碱性，钢渣表面含有大量的微孔结构和金属阳离子，对沥青发生选择性扩散吸附和化学反应，在一定程度上增强了钢渣与沥青的粘结力。当钢渣体积掺量增加至80%和100%时，钢渣中f-CaO和f-MgO遇水后发生体积膨胀，降低了钢渣与沥青的粘附性能，使SMA-13混合料的残留稳定度也随之降低。

以浸水马歇尔试验结果评价钢渣沥青混合料的水稳定性：当钢渣体积掺量为20%、40%和60%时，沥青混合料的水稳定性均好于普通沥青混合料，钢渣体积掺量为40%时最佳。

对不同钢渣体积掺量下SMA-13混合料进行冻融劈裂试验。试验结果见表12。

由表12得出，随着钢渣体积掺量的增加，SMA-13混合料的冻融劈裂强度比先增大后减小，体积掺量为20%时达到最高。不同钢渣体积掺量下SMA-13混合料冻融劈裂强度比均满足规范的技术要求。钢渣体积掺量为20%、40%的SMA-13混合料的冻融劈裂强度比较普通SMA-13混合料分别提高了3.5%、2.0%。但钢渣体积掺量在60%、80%和100%的SMA-13混合料残留稳定度低于普通SMA-13混合料。主要原因是：冻融循环的试验条件比浸水马歇尔试验条件更苛刻，既要使试件保持饱水状态，又要经受冻融循环；钢渣表面特性虽在一定程度上增加了与沥青的粘附性，但在饱水和冻融循环状态下，钢渣中f-CaO和f-MgO遇水膨胀以及钢渣表面存在的杂质、软弱颗粒都将影响冻融劈裂强度比。

以冻融劈裂试验结果评价钢渣沥青混合料的水稳定性：钢渣体积掺量为20%、40%时，沥青混合料的水稳定性均好于普通沥青混合料，钢渣体积掺量为20%时最佳。

3.3.3 浸水飞散试验

浸水飞散试验通过沥青混合料试件在60 ℃浸水48 h后的飞散损失来评价沥青混合料的水稳定性。考虑到钢渣遇水发生体积膨胀，会影响到钢渣集料与沥青的粘附性，故本文采用浸水飞散试验来评价不同钢渣体积掺量下沥青混合料的水稳定性。

选择沥青混合料的飞散损失来评价不同钢渣体积掺量下沥青混合料的水稳定性，按式（7）计算。

式中：ΔS为沥青混合料的飞散损失（%）；m0试验前试件的质量（g）；m1试验后试件的残留质量（g）。

对不同钢渣体积掺量下SMA-13混合料进行浸水飞散试验，结果见表13。

由表13得出，随着钢渣体积掺量的增加，SMA-13混合料的飞散损失先减小后增大，体积掺量为40%时达到最低。不同钢渣体积掺量下SMA-13混合料飞散损失均满足规范的技术要求。钢渣体积掺量为20%、40%、60%、80%和100%的SMA-13混合料飞散损失较普通SMA-13混合料分别降低了3.7%、10.7%、9.3%、6.8%和6.2%。浸水飞散试验不同于浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验，可用来表征水对钢渣与沥青粘附性的影响。随着钢渣体积掺量的增加，钢渣沥青混合料的飞散损失增加，表明钢渣中f-CaO和f-MgO遇水膨胀影响了钢渣与沥青的粘附性能。

以浸水飞散试验结果来评价钢渣沥青混合料的水稳定性：钢渣沥青混合料的水稳定性均好于普通沥青混合料，钢渣体积掺量为40%时最佳。

3.4 体积稳定性

钢渣集料遇水发生体积膨胀，而作为路面材料会影响路面结构的稳定性。通过沥青混合料试件浸泡养生前后体积膨胀率来评价钢渣沥青混合料的膨胀性能。根据试验规程，先测定标准马歇尔试件的初始体积V1，再将试件放在 （60±1）℃的恒温水箱中浸泡72 h，测定最终体积V2。计算钢渣沥青混合料的体积膨胀率。

式中：C钢渣沥青混合料的体积膨胀率（%）；V1为浸泡养生前试件体积（cm3）；V2为浸泡养生后试件体积（cm3）。

不同钢渣体积掺量下沥青混合料的膨胀性试验结果见表14。

由表14得出：不同钢渣体积掺量下沥青混合料的体积膨胀率均小于规范要求的1.5%；但随着钢渣体积掺量的增加，沥青混合料的膨胀率也逐渐增加。故兼顾钢渣沥青混合料的其他路用性能的同时，钢渣体积掺量越小越好。

综合考虑不同钢渣体积掺量下沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和体积稳定性，钢渣最佳体积掺量宜在20%和40%之间选择。权衡后选择钢渣最佳体积掺量为40%。

4 结语

（1）钢渣与天然集料两者之间比重差异大，故在钢渣沥青混合料配合比设计时须以体积法进行修正，方可获得所需级配。

（2）各级粒径集料的有效相对密度由浸渍法直接测量得到，然后计算任意配比矿料混合料的合成有效相对密度，进而计算出钢渣沥青混合料的理论最大相对密度。

（3）通过对钢渣体积掺量为0、20%、40%、60%、80%和100%的SMA-13混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、体积稳定性等进行试验研究，得出结论：钢渣沥青混合料的高温稳定性在钢渣体积掺量为20%时最佳，低温抗裂性随着钢渣体积掺量的增加而逐渐降低，水稳定性在钢渣体积掺量为20%或40%时最好，体积膨胀率随着钢渣体积掺量的增加逐渐增加。综合考虑钢渣沥青混合料的路用性能，钢渣最佳体积掺量取40%。

参考文献：

[1] 刘天成，杨华明.超细钢渣及高性能混凝土掺合料的最新进展[J].金属矿山，2006 （9）：8-13.

[2] 谢 君，吴少鹏，陈美祝，等.钢渣在沥青混凝土中的应用[J].筑路机械与施工机械化，2010，27（9）：28-32.

[3] 李 旺，杨丽英，柳 浩，等.钢渣在沥青路面面层中的应用[J]. 筑路机械与施工机械化，2010，27（9）：24-27.

[4] 李 博.钢渣沥青混合料路用性能及膨胀性能研究[J].交通世界，2013 （11）：305-307.

[5] 卢永贵，张登良.集料有效密度测试方法研究[J].中国市政工程，2001 （3）：9-12.

[6] 何昌轩，陆 阳，黄晚清.集料颗粒形状对骨架结构体积指标及SGC压实特性影响研究[J].公路，2007（3）：112-118.

[7] 马 林，陈佩林，徐 科，等.粗集料颗粒几何形状对VCADRC的影响研究[J].公路交通科技，2007，24（12）：5-9.