曹 軍

(陜西高速公路工程咨詢有限公司,陜西 西安 710064)

1 概述

微表處是由改性乳化瀝青、集料、填料、水和添加劑等按照一定配比組成的稀漿混合料，施工時(shí)直接在現(xiàn)場(chǎng)常溫拌和攤鋪，具有開(kāi)放交通快的特點(diǎn)，同時(shí)又具有抗滑、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，所以作為一種重要的養(yǎng)護(hù)材料目前已成為我國(guó)各等級(jí)道路中較為常見(jiàn)的一種養(yǎng)護(hù)技術(shù)[1]。隨著我國(guó)道路建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域?qū)?yōu)質(zhì)石料的需求與日俱增。而近年來(lái)由于人們對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，天然石料的開(kāi)采受到了一定的限制，石料已經(jīng)成為寶貴的不可再生資源。在這一背景下，微表處混合料現(xiàn)場(chǎng)推廣和應(yīng)用也遇到一些瓶頸:

1)作為微表處用粗集料的玄武巖屬于優(yōu)質(zhì)石料，在我國(guó)多數(shù)地區(qū)儲(chǔ)量不多，往往難以及時(shí)滿足工程需求，或者市場(chǎng)價(jià)格較高，使得微表處混合料的性價(jià)比不高；

2)傳統(tǒng)的微表處混合料的強(qiáng)度不夠，服役一段時(shí)間后容易很快出現(xiàn)車轍、松散以及與舊路面層脫粘等病害形式[2]。

鋼渣作為一種固態(tài)廢棄物，是在煉鋼過(guò)程中由于加入石灰提取雜質(zhì)而附加產(chǎn)生的。近年來(lái)，一方面國(guó)內(nèi)鋼渣產(chǎn)量激增，另一方面鋼渣綜合利用率不足30%，以致于大量鋼渣只能通過(guò)簡(jiǎn)單堆放占用土地，造成環(huán)境污染，卻得不到合理利用，造成浪費(fèi)。同時(shí)，鋼渣具有高磨光值和高堅(jiān)固性，比較適用于道路磨耗層，特別是將鋼渣應(yīng)用于微表處混合料中，能充分發(fā)揮鋼渣高硬度、高耐磨性，實(shí)現(xiàn)變廢為寶[3]。

綜上所述，研究鋼渣應(yīng)用于微表處混合料具有重要意義，通過(guò)鋼渣自身良好的物理力學(xué)性能和表面特性賦予微表處罩面更為持久的抗滑性，可為緩解我國(guó)道路養(yǎng)護(hù)工程對(duì)優(yōu)質(zhì)石料的需求緊張?zhí)峁┩緩健１疚膶⑼ㄟ^(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究來(lái)分析鋼渣加入微表處混合料后對(duì)其組成設(shè)計(jì)和路用性能帶來(lái)的影響，從而為鋼渣微表處材料在工程中的推廣應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)和參考。

2 原材料

2.1 礦料

本文試驗(yàn)對(duì)象針對(duì)兩種微表處混合料，即普通微表處和鋼渣改性微表處混合料。兩者的區(qū)別在于，前者所用粗集料為5 mm～10 mm玄武巖，而后者所用粗集料由鋼渣代替。兩者所用細(xì)集料均為石灰?guī)r機(jī)制砂，填料為礦粉和水泥，礦料級(jí)配類型也相同，均為規(guī)范中推薦的MS-3型中值級(jí)配。

所用鋼渣為河北鋼鐵集團(tuán)產(chǎn)出，已經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理，其與玄武巖技術(shù)比較見(jiàn)表1。表1試驗(yàn)結(jié)果反映鋼渣各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)基本能滿足高速公路面層對(duì)集料的技術(shù)要求。但其吸水率指標(biāo)較差，這是因?yàn)殇撛砻娑嗫祝贿^(guò)由于鋼渣表面多孔、粗糙且為堿性，其與瀝青的粘附性檢測(cè)等級(jí)較高(顯示為5)，而這將有助于提升鋼渣微表處的抵抗水損害能力。

表1 玄武巖粗集料和鋼渣技術(shù)指標(biāo)比較

2.2 改性乳化瀝青

試驗(yàn)中兩種微表處所用瀝青均為SBR改性乳化瀝青，各指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 SBR改性乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)對(duì)用水量的影響。微表處混合料施工過(guò)程為呈稀漿狀態(tài)，攤鋪后迅速固化成型，這就要求微表處混合料必須滿足一定的施工和易性。與施工和易性緊密相關(guān)的是用水量。所以，為了研究鋼渣微表處混合料用水量合理范圍，以7.5%瀝青用量為依托，改變兩類微表處混合料外加水量參數(shù)，按照相關(guān)規(guī)范[5]進(jìn)行拌合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1中外加水量不包括改性乳化瀝青中的含水量。從圖1中可以看到，隨著外加水量的增加，兩種微表處混合料的可拌和時(shí)間均表現(xiàn)為隨之增加的趨勢(shì)；對(duì)于傳統(tǒng)微表處，當(dāng)用水量增加至9%時(shí)可拌和時(shí)間滿足規(guī)范規(guī)定不小于120 s的要求，而對(duì)于鋼渣微表處，外加水量需要增加至10%時(shí)方能滿足可拌和時(shí)間的要求。這是因?yàn)殇撛哂懈嗟谋砻婵障叮时容^高，并且鋼渣具有更豐富的表面紋理，所以混合料流動(dòng)過(guò)程中的摩阻力更大，會(huì)對(duì)混合料的和易性造成影響，需要更多的水分發(fā)揮潤(rùn)滑作用。所以將鋼渣用于微表處集料，需要根據(jù)試驗(yàn)適當(dāng)提高微表處混合料的總用水量，以滿足可拌和時(shí)間指標(biāo)要求。

2)對(duì)瀝青用量的影響。按照J(rèn)TG E20—2011規(guī)范中條文規(guī)定，微表處瀝青用量是通過(guò)1 h濕輪磨耗試驗(yàn)及負(fù)荷輪粘附砂試驗(yàn)共同確定。其中1 h 濕輪磨耗試驗(yàn)的磨耗值用于確定微表處瀝青混合料的最小瀝青用量Pbmin，負(fù)荷輪粘附砂試驗(yàn)的粘附砂量用于控制微表處的最大瀝青用量Pbmax[5]。傳統(tǒng)微表處和鋼渣微表處混合料最佳瀝青用量的試驗(yàn)范圍分別為6%～8%和7%～9%，不同瀝青用量下微表處瀝青混合料磨耗值和粘附量結(jié)果見(jiàn)圖2,圖3。

綜合分析圖2，圖3中可知，普通微表處Pbmin～Pbmax范圍為6.3%～7.7%，以鋼渣為粗集料的微表處Pbmin～Pbmax的范圍為7.3%～8.8%?？梢?jiàn)，鋼渣代替粗集料使得瀝青用量高出1%左右，這主要因?yàn)殇撛哂胸S富的表面空隙，需要吸附更多的瀝青才能實(shí)現(xiàn)良好的界面粘結(jié)強(qiáng)度。

3)對(duì)路用性能的影響。為說(shuō)明鋼渣對(duì)微表處混合料抗車轍性能的影響，分別以7.0%和8.1%瀝青用量成型傳統(tǒng)微表處試樣和鋼渣微表處試樣，采用車轍變形試驗(yàn)(T0756—2011)評(píng)價(jià)兩類微表處混合料的抗車轍性能，每組平行試驗(yàn)3次得到試件的側(cè)向位移和單位寬度變形率結(jié)果如表3所示。

表3 車轍寬度變形率結(jié)果

從表3兩種微表處車轍試驗(yàn)結(jié)果可以看出，鋼渣微表處混合料相比于普通微表處混合料，寬度變形率要小很多，這就直接說(shuō)明了鋼渣微表處混合料在抵抗車轍變形方面要優(yōu)于普通微表處混合料。究其原因，鋼渣在磨耗性和堅(jiān)固性方面都要強(qiáng)于玄武巖，所以當(dāng)微表處混合料選用鋼渣做粗集料時(shí)在抗車轍方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

為進(jìn)一步說(shuō)明鋼渣加入微表處瀝青混合料中后，混合料低溫抗裂性能的具體表現(xiàn)情況，本文采用半圓彎拉試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)和比較。半圓彎拉試驗(yàn)所用試件為直徑100 mm、厚度30 mm的半圓試件，由馬歇爾試件切割而成。該試驗(yàn)進(jìn)行前需在-10 ℃溫度下對(duì)試件進(jìn)行保溫2 h以上，試驗(yàn)過(guò)程中溫度恒定在-10 ℃，并且以1 mm/min加載速率施加負(fù)荷。試樣測(cè)試得到的峰值荷載后按式(1)計(jì)算試件的低溫破壞強(qiáng)度。

(1)

其中，σ為試件的破壞強(qiáng)度，MPa；P為破壞時(shí)刻荷載，N；s為支座間距離，80 mm；d為試件厚度，30 mm。

由表4可知，鋼渣微表處SCB試驗(yàn)破壞強(qiáng)度大于普通微表處，也就是說(shuō)鋼渣微表處混合料在低溫抗裂性能方面要優(yōu)于普通微表處混合料?？梢?jiàn)，鋼渣作為微表處混合料粗集料有利于提升混合料低溫抗裂性能。

表4 SCB彎拉強(qiáng)度結(jié)果

表5 6 d濕輪磨耗值結(jié)果

為評(píng)價(jià)微表處混合料的水穩(wěn)定性，采用濕輪磨耗試驗(yàn)(T0752—2011)評(píng)價(jià)兩種微表處6 d的濕輪磨耗值并進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5為兩種微表處濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果，由表5可知兩種微表處混合料磨耗值相差不大，表明鋼渣代替玄武巖作為粗集料對(duì)微表處混合料抗水損害能力基本無(wú)影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以鋼渣作為粗集料代替玄武巖，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究分析了加入鋼渣后對(duì)微表處混合料配合比和路用性能的影響作用，得到以下結(jié)論：

1)由于鋼渣具有更好的棱角性和豐富的表面微孔，在微表處配合比設(shè)計(jì)中要適當(dāng)提高用水量和瀝青用量。

2)鋼渣作為粗集料的加入微表處混合料可以顯著提升混合料的抗車轍性能和低溫破壞強(qiáng)度，然而對(duì)微表處混合料的抗水損害能力無(wú)明顯影響作用。

3)結(jié)合微表處混合料組成設(shè)計(jì)和路用性能評(píng)價(jià)結(jié)果，可知鋼渣作為粗集料的加入微表處混合料具有技術(shù)可行性，能夠提高微表處罩面的耐磨耗性和緩解優(yōu)質(zhì)微表處優(yōu)質(zhì)集料的需求緊張問(wèn)題。