OGFC-13 钢渣沥青混合料性能研究

2022-01-12朱铁增李旭丹

中外公路 2021年6期

朱铁增，李旭丹

(河南交通职业技术学院，河南郑州 451400)

现阶段中国城镇道路多为密级配沥青路面，这种结构类型的路面由于其级配连续密实，设计空隙率较低，雨天路面容易积水，车辆行驶中容易产生雾气且路面抗滑性能降低，严重影响行车安全，鉴于密级配沥青路面的这些缺点，该文开展开级配排水式沥青磨耗层研究。为增强OGFC 沥青路面的路用性能，需选用玄武岩、辉绿岩等碱性且磨光值较大的粗集料。但由于环保政策的限制，导致这些优质矿料极为紧缺，同时中国这些优质矿石较为有限，满足不了工程建设的需求，因此寻找一种能够代替优质矿料的原料已成为道路工作者研究的重要方向。工业钢渣是一种炼钢过程中的废弃物，且年产量较为庞大，露天堆放不仅会占用大量土地资源，也会对周边环境造成严重污染，同时也是对资源的一种浪费。大量研究表明：钢渣耐磨性及与沥青黏附性较好，能够替代部分或全部矿料，与沥青拌制成 OGFC 钢渣沥青混合料，可以增强沥青路面的抗滑、强度、抗水毁能力等路用性能；同时大量废弃钢渣投入到工程建设中能够减少环境破坏。该文用体积法将钢渣分别以0%、25%、50%、75%、100%的掺量替换4.75 mm 及 4.75 mm以上粒径的矿料，系统地研究OGFC-13钢渣沥青混合料的相关性能，为OGFC-13 钢渣沥青路面在城镇道路中的应用提供理论依据。

1 原材料及配合比设计

1.1 钢渣

钢渣由于炼钢工艺及产地不同，会导致其物理、化学性质有所差异。钢渣筛分及力学性能试验结果见表1、2。

表1 钢渣筛分试验结果

由表2可以得出：钢渣吸水率略高于GB/T 25824—2010《道路用钢渣》中要求不大于2%的规定，在使用过程中应分析钢渣吸水后的性能变化。

表2 钢渣相关性能指标试验结果

炼钢所用矿石的产地、炼钢的工艺、钢渣回收的方法等因素会影响钢渣的化学成分及含量，钢渣主要由CaO、MgO、SiO2和FeO组成，通常这些成分含量为88%～90%，钢渣主要矿物成分含量见表3。

表3 钢渣中主要矿物成分含量

钢渣吸水率略高于规范要求且钢渣遇水易膨胀，因此需对钢渣遇水膨胀特性进行评价。参照GB/T 24175—2009《钢渣稳定性试验方法》中的相关规定分别对不同浸水周期时钢渣吸水膨胀率进行试验，结果见表 4。

表4 不同龄期时钢渣膨胀率

由表4可以得出：钢渣膨胀率随时间周期的延长而增大，当龄期超过7 d时，膨胀率趋于稳定，且满足GB/T 24765—2009《耐磨沥青路面用钢渣》中浸水膨胀率不大于2%的规定，表明钢渣浸水稳定性满足规范要求。

1.2 矿料及沥青

该文粗集料分别为10～15、5～10、3～5 mm玄武岩碎石；细集料为0～3 mm石灰岩机制砂；填料为石灰岩磨细矿粉。粗、细集料、矿粉相关技术指标均满足规范要求。选用的改性沥青为SBS I-D，参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求，对SBS I-D沥青进行相关性能检测，试验结果详见表5。

表5 沥青主要指标试验结果

对钢渣按照0%、25%、50%、75%、100%比例掺配的 OGFC-13 沥青混合料进行配合比设计，矿料级配设计结果见表6，不同钢渣掺量时混合料最佳油石比及马歇尔试验结果见表7。

表6 不同钢渣掺量时矿料级配设计结果

表7 OGFC-13不同钢渣掺量时最佳油石比及马歇尔试验结果

2 混合料性能研究

OGFC-13 钢渣沥青混合料作为路面结构层的一种，将会承受大气、日照等自然环境及车辆轴载的综合作用，因此 OGFC-13 钢渣沥青路面须具有较好的高温抗车辙、低温抗开裂、抗滑性能及抗水毁能力等。该文通过体积法评价钢渣按照 0%、25%、50%、75%、100%的比例掺入沥青混合料中的性能差异。

2.1 动弹性模量

沥青路面是一种柔性结构层，其力学特性会随着外界温度及车辆轴载的不同而发生改变。在JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》中增加了动态模量设计参数，表明中国沥青路面设计方法向着动态设计理念进行转变。该文选用UTM-30 沥青混合料多功能试验机对动态模量展开研究。温度会对混合料动态模量测定结果产生较大影响，选取试验温度分别为 10、25、40 ℃。研究的OGFC-13钢渣混凝土是应用在城镇道路上，行车速度一般不超过60 km/h，相当于试验加载频率为 10 Hz。不同温度、不同钢渣掺量的钢渣混合料在加载频率为10 Hz时动弹性模量及相位角试验结果分别见图1、2。

图1 动弹性模量试验结果

图2 相位角试验结果

由图1、2可以得出：钢渣掺量相同时，钢渣混合料的动弹性模量随温度的升高逐渐降低，相位角逐渐增大，这主要是因为沥青混合料是一种黏弹性材料，对温度较为敏感，沥青黏度随温度升高而逐渐下降，混合料受外力作用的滞后现象增强，相位角随之变大，同时混合料柔性增加，动态模量随之变小，这也是夏季炎热环境下路面形成车辙的原因；当试验温度为25、40 ℃时，弹性模量随钢渣掺量的增大先增大后减小，掺量为50%时均达到峰值，这主要是因为当钢渣掺量小于50%时，钢渣的掺入能够改善矿料之间的嵌挤效果，随着掺量的增加动弹性模量随之增大，当钢渣掺量大于50%时，OGFC-13钢渣混合料最佳油石比也随之增大，沥青含量的增加会降低混合料的动弹性模量。

2.2 高温稳定性

夏季炎热环境下，沥青路面在车辆轴载的作用下极易出现车辙病害。评价沥青路面高温抗车辙能力的方法有多种，主要包括：圆柱体单轴静载、车辙试验、重复试验、三轴静载等。该文选用车辙试验评价不同钢渣掺量下混合料的高温抗车辙能力，不同钢渣掺量时OGFC-13混合料动稳定度试验结果见图3。

图3 动稳定度试验结果

由图3可以得出：不同钢渣掺量的混合料动稳定度均满足不低于3 500次/mm的规范要求，且随钢渣掺量的增加混合料动稳定度先升高后降低，当掺量为50%时达到峰值6 832次/mm，这主要是因为钢渣棱角性较好，表面粗糙，且与沥青黏附性较强，沥青与钢渣混合后具有较大的黏聚力，能够改善混合料的高温抗车辙能力，当掺量大于50%时，沥青用量也随之增大，会降低混合料高温稳定性；当钢渣掺量大于75%时，钢渣沥青混合料较难压实，同时钢渣掺量过高会导致最佳油石比增大，钢渣内部的孔隙吸附沥青量增大，高温碾压时混合料更容易产生车辙。

2.3 低温抗裂性

北方季节性冰冻区，当沥青路面内部产生的温缩应力大于混合料的极限容许拉应力时，沥青路面会形成裂缝病害，在雨水及车辆轴载的共同作用下这些病害会进一步恶化，最终形成龟裂、坑槽等严重病害。评价沥青混合料低温抗开裂性能的方法有多种，主要包括：低温弯曲试验、直接拉伸试验、间接拉伸试验、应力松弛试验等。该文选用低温小梁弯曲试验评价不同钢渣掺量下混合料的低温抗开裂能力，不同钢渣掺量时OGFC-13混合料抗弯拉强度及弯曲破坏应变试验结果分别见图4、5。

图4 弯拉强度试验结果

图5 弯曲破坏应变试验结果

由图4、5可以得出：随着钢渣掺量的增大，混合料抗弯拉强度、弯曲破坏应变均逐渐降低，当掺量为100%时，混合料弯曲破坏应变降到最低2 748 με，不能满足规范不低于2 800 με的要求，这主要是因为虽然随着钢渣掺量的增大，混合料最佳油石比也随之增加，但多数沥青会被钢渣的开口空隙吸收，矿料之间的沥青膜降低，同时钢渣中存在部分粉尘及杂质，低温环境下小梁试件容易断裂，降低混合料的整体强度。

2.4 抗滑性能

良好的路面抗滑能力是行车安全的重要保障，因此该文对各钢渣掺量下的 OGFC-13混合料抗滑能力进行研究。选用摆式摩擦仪对不同钢渣掺量的混合料进行抗滑性能试验，试验温度为20 ℃，试验结果见图6。

图6 摆值试验结果

由图6可以得出：随着钢渣掺量的增大，混合料抗滑性能先升高后降低，当掺量为25%时达到峰值67.8 BPN，这主要是因为钢渣是一种棱角性较好的材料，随着掺量的增加，混合料表面纹理性得到改善，摩擦系数增强；但当钢渣掺量超过 25% 时，摆值会逐渐降低，这主要因为钢渣是一种多孔材料，虽然棱角性较好，但呈现近立方体形状，会降低表面凸起的尖锐程度，影响路面的抗滑能力，同时钢渣掺量的增加，最佳油石比也随之增大，更多的沥青填充钢渣孔隙，导致沥青路面表面粗糙程度降低，从而影响沥青路面的抗滑能力。

2.5 水稳定性

由于OGFC-13沥青混合料空隙较大，雨水需从其内部孔隙通道排出路面，会承受严重的水侵蚀破坏，因此须对 OGFC-13 钢渣混凝土路面的抗水毁能力进行评价。该文选用冻融劈裂及浸水马歇尔试验评价不同钢渣掺量时混合料的抗水毁能力，试验结果分别见图7、8。

由图7、8可以得出：随着钢渣掺量的增加，混合料浸水马歇尔残留稳定度、冻融劈裂残留强度比试验结果均先升高后降低，掺量为50%时均达到峰值，且掺量为100%的试验结果均大于未掺钢渣混合料，表明钢渣的掺入能够有效地改善混合料的抗水毁能力，这主要因为钢渣与沥青具有较好的黏附性，且钢渣表面孔隙较多，能够有效地吸附沥青，改善矿料之间的黏结能力。