钢渣掺量对OGFC-13混合料路用性能影响的研究

2020-04-24刘清波

山西建筑 2020年8期

刘清波

(中铁三局集团投资有限公司，山西太原 030000)

1 概述

钢渣作为固废材料，具有耐磨、抗滑强度高、与沥青粘附性好的特点，目前已被研究证明能作为筑路材料进行应用。由于玄武岩等抗滑料价格昂贵，采用钢渣代替或者部分代替碎石集料用于沥青路面，已经在河南、山西等实体工程被付诸于实践[1,2]。OGFC沥青混合料中粗集料多、细集料少，将钢渣掺配到混合料中，由于钢渣耐磨，粘附性强的特点，可有效提高OGFC沥青混凝土性能。本文从钢渣掺量角度出发，研究钢渣替代石灰岩应用于OGFC-13的路用性能，提出最佳钢渣掺量范围，从而为钢渣在OGFC-13沥青混合料的应用提供参考。

2 试验

2.1 原材料

钢渣选用某钢厂堆放两年的转炉钢渣，f-CaO和f-MgO含量在3%以下，本次钢渣主要对粗集料进行替代试验，经筛分后，对粒径9.5 mm以上钢渣的物理性能进行测试，除吸水性大于2%之外，基本满足相关指标要求。所用沥青为SBS改性沥青，各项基础指标及老化指标满足规范要求。所用粗集料、细集料均为石灰岩，外表洁净、干燥、无杂质，其级配和力学性能均满足规范要求。所用矿粉为石灰岩碎石磨细的石粉，无结团结块的问题。

2.2 掺配方案

本文重点研究不同掺量钢渣代替粗集料在OGFC-13沥青混合料的路用性能，在合理的经济成本范围内，确定钢渣最佳掺量。拟定的钢渣替代量为石灰石质量的0%,20%,40%,60%，80%，100%。但由于钢渣表观相对密度为3.564，是石灰石密度的1.4倍以上，在相同体积下单位质量较高，故在以上确定掺量下分别加上1.4倍的系数，以期保持矿料体积的相对稳定[3]。

2.3 测试方法

OGFC沥青混合料的最佳油石比由析漏试验和飞散试验共同来确定，并通过混合料稳定度进行验证。OGFC沥青混合料析漏试验值小于0.3%，飞散试验值小于15%[4]。路用性能主要进行高温稳定性、低温抗裂性水稳定性和抗滑性能的测试。本文中采用车辙试验评定混合料的高温稳定性，小梁弯曲试验评定混合料的低温抗裂性，摆式仪法测定混合料的抗滑性。

3 配合比设计

3.1 级配

OGFC-13是常见的抗滑透水层结构，本文主要研究最优钢渣掺量下的混合料性能，替代粗集料的钢渣在体积上基本与石灰石一致[5]，在混合料内部空隙率相差无几，默认以不掺钢渣的级配为基础级配，各个钢渣掺量下的配比要求均能满足要求。

3.2 油石比

对各个钢渣掺量配合比进行飞散试验和析漏试验，用以确定该钢渣掺量下的最大油石比和最小油石比，取中间值进行混合料稳定度测试，经验证，确定各钢渣掺量下混合料的最佳油石比见表1。可以看出，随着钢渣掺量的增多，混合料的油石比都在逐渐增加。这与钢渣的表面结构密切相关，钢渣表面多为细微孔隙结构，比表面积更大，对比石灰石需要更多的沥青来填充和包裹。

表1 不同钢渣掺量沥青混合料的最佳油石比

4 路用性能测试

4.1 高温稳定性

表2 不同钢渣掺量沥青混合料的车辙试验结果

表2是不同钢渣掺量的OGFC混合料车辙板的试验结果。可以看出，掺加了钢渣的混合料其动稳定度都显著提高，混合料的动稳定度呈现先增加后降低的趋势，这种变化在钢渣掺量60%时达到最高，该掺量下混合料动稳定度对比未掺加钢渣混合料动稳定度提高近1.5倍。分析动稳定度的变化原因：一是由于钢渣比表面积大，矿料间的镶嵌更为牢固，钢渣与沥青的粘附性更好，高温下粘聚力强，抵抗变形能力提高。二是随着钢渣掺量继续增加，油石比也在不断增加，在压实成型时，混合料不易被压实，但高温下沥青流动性提高，内部空隙率增加，在动载下矿料位移量逐渐提高，混合料整体出现车辙，动稳定度降低，车辙深度提高。

4.2 低温抗裂性

表3 不同钢渣掺量沥青混合料的弯拉试验结果

表3是不同钢渣掺量的OGFC混合料的低温弯曲试验的试验结果。小梁弯曲试验中，弯拉应变值越大，混合料的抗变形能力越好，即低温下应用效果越好。可以看出，掺加了钢渣的OGFC混合料的弯拉应变在逐渐降低，即低温抗裂性能逐渐降低，并在钢渣掺量为100%时，弯拉应变值仅为2 701 με，已经低于2 800 με的下限要求，钢渣掺量应控制在80%以下。

4.3 水稳定性

表4是不同钢渣掺量下OGFC混合料冻融劈裂试验结果。从表4可以看出，钢渣的加入对混合料的水稳定性有所提高，总体上抗水损害能力得到加强。但这种趋势只在初期较为明显，在钢渣掺量大于40%之后几乎没有明显的变化。尽管钢渣能与沥青在表面发生酸酐反应，提高粘结力。但在钢渣数量增加后，钢渣中f-CaO和f-MgO在水的作用下体积发生膨胀，影响钢渣与沥青之间的粘附性，故而出现以上现象。

表4 不同钢渣掺量沥青混合料的冻融劈裂试验结果 %

4.4 表面抗滑

表5 不同钢渣掺量沥青混合料的摆式仪试验结果

表5是不同钢渣掺量下OGFC混合料的表面抗滑试验测定值。钢渣未加入前，混合料BPN为68。钢渣的掺入，混合料BPN整体得到提高，在掺量达到40%以上后，其提升效果不再增加。钢渣外观整体不均匀，棱角性更好，表面多孔的结构特性对比石灰石更加粗糙，在少量掺加时可显著提高混合料的抗滑性能。在掺量达到40%以上后，钢渣数量已经聚集到一定程度，无明显凸起，结构整体性较好，故提升效果变得不明显。总体来看，钢渣在加入初期对提升混合料的抗滑性影响较大。