钢渣沥青混凝土路用性能研究

李建华

（上海宝钢新型建材科技有限公司，上海市201900）

0 前言

钢渣是炼钢工业的废渣，其排放量为钢产量的10%～20%左右。2010年我国钢铁产量达到5.5亿t，钢渣产生量为8000万t[1]，2012年钢铁产量更是达到了7.3亿t，按此推算2012年的我国钢渣产量突破了1亿t。钢渣综合利用的潜力十分巨大。在欧美国家，目前利用率均达90%以上，其中用于道路工程达70%左右。国外就钢渣在沥青混合料中的应用开展了大量研究，认为钢渣可以作为沥青混合料集料使用[2,3]。

为分析宝钢钢渣作为沥青混合料集料的可行性，本文选择AC-13级配类型进行对比研究，按照钢渣掺量的不同分为三种类型进行对比分析。钢渣沥青混凝土、全石灰岩沥青混凝土、粗钢渣细石灰岩沥青混凝土。三种沥青混合料的最佳沥青用量采用马歇尔试验方法进行确定，三种沥青混合料对应的最佳沥青用量为：5.2%、5.4%、5.4%。

1 钢渣沥青混合料高温稳定性

钢渣沥青混凝土的高温稳定性采用马歇尔稳定度和动稳定度进行评价。

1.1 钢渣沥青混凝土马歇尔稳定度试验

马歇尔数据列于表1。三种沥青混合料的稳定度均大于8 kN，满足规范要求，并且流值都能满足规范要求。全钢渣沥青混凝土稳定度最大，全石灰岩沥青混凝土稳定度最小，粗钢细石沥青混凝土稳定度介于前面两者之间。这一现象说明全钢渣对于提高沥青混凝土马歇尔稳定度有帮助。

表1 三种集料沥青混凝土浸水马歇尔试验结果一览表

1.2 钢渣沥青混凝土车辙试验

车辙试验是一种模拟车辆轮胎在路面上滚动形成车辙的工程试验方法，采用标准轮碾方法成型沥青混凝土板式试件。将全钢渣、石灰岩、粗钢细石沥青混凝土动稳定度测试结果整理如表2所列。

表2 三种集料沥青混凝土车辙试验结果一览表

根据《公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）》表4-1沥青混凝土车辙试验动稳定度技术要求，普通沥青混凝土动稳定度不小800次/mm。由表2可看出，三种集料沥青混凝土动稳定度值符合规范要求；全钢渣沥青混凝土高温稳定性能最好，全石灰岩沥青混凝土高温稳定性最低，粗钢细石混凝土介于两者之间。

钢渣沥青混凝土动稳定度高的原因是：（1）钢渣集料的颗粒形状均匀，棱角丰富且接近立方体。经捣实和碾压后，颗粒与颗粒能形成紧密的嵌锁作用，抗剪性能有所提升；（2）钢渣集料表面拥有相对粗糙的纹理，增加了粗集料间的嵌锁能力；（3）钢渣具有多孔结构，这不仅能有吸附多余的沥青，特别在高温季节，利于提高混合料的抗变形能力。

2 钢渣沥青混合料水稳定性

水稳定性评价采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来综合评价。试验所得钢渣沥青混凝土等的各项数据及计算结果见表3所列。

表3 三种集料沥青混凝土浸水马歇尔试验结果一览表

三种沥青混凝土冻融劈裂数据列于表4。

表4 三种沥青混凝土劈裂抗拉强度及强度比一览表

从表4的数据可以看出，三种沥青混凝土浸水残留稳定度都在80%之上，冻融劈裂强度比均大于75%，均满足规范要求。

比较而言，钢渣沥青混凝土的水稳定性最好，粗钢细石沥青混凝土次之。从化学成分组成来讲，钢渣中含有CaO、MgO、f-CaO等活性物质，与沥青黏附性较石灰岩更加牢固，赋予了混合料更好的水稳定性。说明混合料中加入钢渣有利于增强路面耐久性并延长路面使用寿命[4]。

3 钢渣沥青混合料低温抗裂性

采用小梁低温弯曲试验评价混合料低温抗裂性能。试验温度-10℃±0.5℃，加载速率50 mm/min。试件采用轮碾成型后切割制成，长250mm±2.0mm，宽30 mm±2.0 mm，高35 mm±2.0 mm的棱柱体小梁，跨径为200 mm±0.5 mm。试验设备为Material Test System 810。

按公式(1)计算试件破坏时的抗弯拉应变εB。

式中：εB——试件破坏时最大弯拉应变；

h——跨中断面试件高度，mm；

L——试件跨径，mm；

d——试件破坏时跨中挠度，mm。

将破坏时对应的挠度代入公式（1）计算试件最大弯拉应变并整理于表5所列。

表5 三种集料组合沥青混凝土弯曲试验结果一览表

根据气候分区，上海及周边地区普通沥青混凝土的破坏应变με为不低于2000。三种集料组合的沥青混凝土最大弯拉应变都大于规范要求的2000。低温抗裂性石灰岩AC-13混合料最优，钢渣AC-13次之，粗钢细石AC-13最差。这说明加入钢渣后沥青混合料的最大弯拉应变存在一定程度的降低。

4 钢渣沥青混凝土膨胀特性

式中：C2——钢渣沥青混凝土膨胀量，%；

V1——浸泡养生前试件体积，cm3；

V2——浸泡养生后试件体积，cm3。

三种沥青混凝土测量的浸泡前后的高度和直径见表6所列。

由表6可看出，三种集料组合的沥青混凝土膨胀量皆满足规范规定的要求，并且使用钢渣的沥青混合料的膨胀率反而较不使用的小。说明这批钢渣安定性较好，可以在沥青路面中使用。另一方面也说明了钢渣与沥青的黏附性好，沥青包裹钢渣抑制了其活性物质的膨胀。

钢渣中的游离氧化钙数量可占到5%～10%，这些游离氧化钙水解时体积将增大1～2倍，使得钢渣粉化膨胀[5,6]。如果膨胀率过大，会严重影响整体路面的使用性能。所以必须测定所用钢渣的膨胀率。

该项试验按照《公路工程集料试验规程》的T0348-2005测体积的方法[7]，制作3个标准马歇尔试件，用游标卡尺测试浸水前试件的直径和高度计算得到初始体积V1，然后将试件浸泡在60℃±1℃的恒温水箱中72 h，之后取出测定直径、高度，从而得到浸泡后体积V2，按照《试验规程》的公式(4-9)进行钢渣沥青混凝土膨胀率的计算。

表6 三种集料组合沥青混凝土膨胀量结果一览表

5 结语

通过以上分析，钢渣沥青混合料的水温性和高温稳定性均优于普通的沥青混合料，钢渣沥青混合料的低温抗裂性较普通沥青混合料有所降低，但仍能满足规范要求。此外，钢渣沥青混合料的膨胀性也满足规范要求，且不会对沥青混合料的性能产生劣化影响。因此，钢渣能够替代普通石灰岩集料用于沥青混合料，钢渣沥青混合料可以用于面层沥青混合料。

[1]国家发改委《“十二五”资源综合利用指导意见》和《大宗固体废物综合利用实施方案》，《大宗工业固体废物综合利用“十二五”规划》,发改环资[2011]2919[Z].2011.

[2]Ahmedzade,P,Sengoz B.Evaluation of steel slag coarse aggregate in hot mix asphalt concrete[J].Journal of Hazardous Materials,2009,165(1):300-305.

[3]Pasetto M,Baldo N.Mix design and performance analysis of asphalt concreteswith electric arc furnace slag[J].Construction and Building Materials 2011,25(8):3458-3468.

[4]D.Derwin，P.Both，P.Zaleski，W.Marsey，W.Flood Jr，Snow free heated pavement system to eliminate icy runways，SAE International，No.2003-01-2145，2003.

[5]肖琪仲.钢渣的膨胀破坏与抑制[J].硅酸盐学报,1996,24(6)635-640.

[6]钱光人,徐光亮,李和玉,等.低碱度钢渣的矿物组成、岩相特征与膨胀研究[J].西南工学院学报,1997,12(1)：35-39.

[7]JTG E42-2005，公路工程集料试验规程[S].