山西省首例耐磨耗鋼渣SMA-13瀝青路面研究與應用

申鐵軍,陳 瀟,李建軍,王明潔,胡 楊

(1.山西路橋建設集團有限公司, 山西 太原 030006;2.武漢理工大學材料科學與工程學院,湖北 武漢 430070;3.山西路橋第三工程有限公司, 山西 太原 030006;4.大連交通大學土木工程學院,遼寧 大連 116092)

0 引 言

山西是我國鋼鐵產業大省,鋼鐵企業每年產出的鋼渣量較大,綜合利用率約為30%,鋼渣有效資源化利用率不高,大量堆積的鋼渣不僅占用土地、對環境造成潛在危害,同時也造成資源上的浪費。利用鋼渣集料生產高速公路抗滑耐磨瀝青路面不僅可以實現鋼渣固體廢棄物的資源化再利用,而且可以延緩優質天然石料的消耗,保護山西地區自然環境,并且可以提升瀝青混凝土路面的服役性能,延長服役壽命。隨著山西地區公路建設的快速發展,公路工程建設用集料消耗量巨大,而隨著環保政策的加強,優質集料(如玄武巖、輝綠巖、石灰石)的供需矛盾日益突出。一些公路工程周邊地區優質天然石料資源已日漸稀少,向外采購距離也越來越遠,不可避免地導致工程造價增高,甚至造成工程建設周期延長,天然石料的過度開采對周邊生態環境也會產生破壞,影響整個公路交通事業的可持續發展。山西地形較為復雜,山區、丘陵占總面積的2/3以上,使得山區公路瀝青路面上下坡路段多。此外,山西冬季長且寒冷,夏季短且炎熱多雨,使得山區公路瀝青路面在雨雪天氣條件下對防滑性能要求更高。當前隨著經濟的持續發展,道路交通重載化現象嚴重,瀝青路面在輪胎荷載反復作用下,耐磨抗滑性能迅速衰減,嚴重影響高速行車安全。長期抗滑能力不足已成為影響山區公路瀝青路面行車安全的重大問題之一。因此,對耐磨耗鋼渣的研究可促進山西公路建設可持續發展和改善瀝青路面耐磨抗滑性能,對山西公路瀝青路面新技術的應用發展具有重要意義。

2 鋼渣應用于瀝青混凝土的有利因素分析

鋼渣作為集料,力學性能好,棱角性豐富,且含有較多的氧化鈣及硅酸鈣,與瀝青黏附性優異,具有作為優質抗滑耐磨瀝青路面表層集料的優良潛質。利用鋼渣與瀝青優異的黏附性能及力學性能,可以替代常規的玄武巖和安山巖集料,改善瀝青路面抗滑表層的抗水損害性能和抗滑耐磨性能,提高路面耐久性;另一方面,將鋼渣固體廢棄物進行資源化利用,有利于節省玄武巖和安山巖等天然集料資源,能夠為提升山西地區的瀝青路面質量、降低工程材料采購成本、擴大集料可選范圍起到良好示范作用[1]。

2.1 鋼渣適用性分析

(1)鋼渣適用條件。

鋼渣(礦渣)是煉鋼后的熔渣。石效民[2]認為冷卻后的鋼渣(新渣)是一種不穩定渣,不能直接使用。鋼渣屬工藝巖,與天然巖相比,主要區別是安定性差,其安定性取決于自由基CaO即f-CaO。鋼渣破碎得越細,其穩定性來得越早。經檢測發現,露天堆放一年左右,鋼渣的膨脹粉化現象即告完成(山西省俗稱為老渣或陳渣)。老渣克服了膨脹疏松,才可作為工程原料投入使用。綜合上述相關論述,鋼渣用于公路工程中的路基、路面、基層除滿足一般要求外,主要是控制其穩定性或活性大小,可歸結為:自然狀態儲存時間不小于1年,且其浸水膨脹率應不大于2%(用于瀝青混合料時應不大于1.5%)[3],史子牧[4]認為有條件時應控制壓蒸粉化率不大于5%,游離氧化鈣不大于3%。關于鋼渣材料本身的研究數據,目前已經多有文獻報導,在此不再贅述。

(2)相比玄武巖或輝綠巖鋼渣的優越性。

①鋼渣性能穩定,質地堅硬,這符合我國現行規范中對高等級瀝青路面優質集料的要求,并且其壓碎值和磨耗值等關鍵指標均優于目前普遍采用的玄武巖和輝綠巖。鋼渣化學成分中氧化鈣含量高,賦予鋼渣堿性特質。在與弱酸性的瀝青接觸時可獲得極佳的界面黏附力。與普通集料相比,鋼渣集料具有強度高,表面多孔的特征。因此不同于玄武巖或輝綠巖,利用鋼渣制備的瀝青混凝土無需添加抗剝落劑即可擁有良好的抗水損害性能。鋼渣集料表面紋理豐富,棱角性好?；旌狭霞壟渲写咒撛?、細集料可以形成嵌擠狀態的骨架結構,擁有較大的內摩擦角。因此鋼渣瀝青混合料擁有比傳統瀝青混合料更好的抗永久變形性能和耐久性能,使得鋼渣瀝青路面全生命周期維護成本更低。

②鋼渣硬度高,表面粗糙,經破碎分選制備的集料粒徑,級配,物理力學性能、與瀝青之間的黏附性能等均可滿足瀝青路面面層對于粗集料要求。破碎鋼渣多孔,具有較大的比表面積,表面粗糙,與瀝青黏附性較玄武巖優良;鋼渣堿度高,是一種堿性集料,與瀝青黏附性強。理論上鋼渣瀝青混合料的耐磨性、抗水損害、疲勞性能優良。鋼渣破碎后,集料顆粒形貌優良,針片狀含量少,同時鋼渣較為致密,其硬度與玄武巖可比,因此,在制備以SMA級配類型為代表的骨架嵌擠型瀝青混合料應具有優良性能。綜合上述理論分析,利用鋼渣制備瀝青混合料,其力學性能、耐久性能較常規瀝青混合料優良。

2.2 鋼渣應用于瀝青混凝土的不利因素分析

(1)配合比設計的合理性問題。

對熱拌瀝青混合料,材料的級配都是按照質量配比計算。當集料之間比重相差不大時,以質量比計算較為簡便且實用,而當集料之間比重相差較大時,以體積比計算較為合理。當鋼渣與天然集料兩者之間比重差異較大時,須在鋼渣瀝青混合料級配設計時,以體積法進行修正。

(2)鋼渣游離氧化鈣導致混合料膨脹的問題。

鋼渣中游離氧化鈣、氧化鎂等物質在后期水化過程中會導致鋼渣本體材料體積膨脹,致使鋼渣的安定性不良,造成鋼渣的應用出現技術性的問題。若將未經過陳化的鋼渣應用于道路工程中可能會導致路面耐久性下降。所以,為了控制鋼渣的體積膨脹性,最為關鍵的就是針對鋼渣的材料理化特性開展分析,選擇合適的鋼渣作為道路工程材料使用。瀝青材料屬于黏彈性材料,其對于鋼渣混合料的體積膨脹有一定的限制作用,但是仍然要結合配合比設計、材料的選擇開展研究工作,使鋼渣瀝青混合料的體積穩定性得以改善,減小因體積不穩定造成對路面結構破壞的可能性。

(3)鋼渣瀝青路面耐久性問題。

影響瀝青路面耐久性的因素較多,例如自然環境、交通載荷、材料特性以及混合料的設計與組成結構等。鋼渣與瀝青的黏附性較好,使得鋼渣瀝青混合料的抗剝落性能出色,但是鋼渣表面陳化產物與瀝青之間的黏附作用復雜,在凍融循環及外部動水、混合料內部水共同作用下,鋼渣集料水化產物的形成與瀝青剝落機理還未探明。同時鋼渣材料特性,特別是表面微觀結構特性與鋼渣瀝青混合料的抗水損害性能、抗滑性能、路用性能之間的關系還未建立。

(4)鋼渣應用的環境影響問題。

鋼渣來源于煉鋼過程產生的副產物,其組成特性受到鐵礦石、造渣溶劑的影響,因此會伴生一些有害元素,極端條件下,這些有害重金屬元素不僅會對周邊水體產生污染,同時因為不同鐵礦石成分差異,還會伴生一些過渡周期的輻射性金屬元素,例如稀土元素。瀝青是一種優良的固化材料,已有研究表明瀝青針對含有重金屬元素、放射性元素的物質具有良好的固化特性,因此探究瀝青對上述毒害元素的固化機理也是一個關鍵問題。

3 鋼渣路用環保性能分析

3.1 化學成分及礦物組成

鋼渣在1 500～1 700 ℃的高溫狀態下表現出液體狀態,通過高溫水淬等一系列生產工藝,凝結硬化以后形成了固體鋼渣。主要成分是CaO、Fe2O3、SiO2、MgO;其主要礦物成分包括碳酸鈣、亞鐵相、鈣鐵礦、硅酸二鈣等,見表1。

3.2 重金屬浸出濃度

經重金屬溶出實驗,鋼渣的重金屬浸出濃度完全滿足工業污水綜合排放標準,鋼渣做公路集料不會造成二次污染,見表2。

表2 鋼渣的重金屬元素浸出濃度

3.3 鋼渣代替防滑料用于瀝青路面的優點

(1)具有優越的抗滑性能,在輪胎作用下耐磨耗。

(2)具有優越的抗車轍性能,具有很高的勁度和強度。

(3)鋼渣瀝青路面不褪色,能夠長期保持令人賞心悅目的黑色外觀。

4 山西應用實例分析

4.1 鋼渣瀝青路面應用情況簡述

山西蟒河至陽城高速公路,由于山西重載煤炭運輸的特殊性,路面設計右幅(山西至外省方向)為特重交通,具體為4 cm SMA-13超重載瀝青混合料上面層+6 cm AC-20改性瀝青混凝土(摻抗車轍劑)中面層+10 cm ATB-25瀝青碎石下面層,各控制參數主要依據《山西蟒河至陽城高速公路瀝青路面施工圖設計》進行,為鋼渣耐磨SMA-13上面層提供了工程先例。

4.2 耐磨瀝青混凝土材料組成

陽蟒高速SMA-13鋼渣瀝青混合料材料組成如下。

(1)以鋼渣粗集料和石灰巖細集料(0～3 mm)進行設計,其中鋼渣粗集料經人工篩分分成5～10 mm和10～15 mm兩種規格。

(2)鋼渣粗集料在使用前進行人工水洗,減少鋼渣表面粉塵污染。

(3)填料采用普通石灰巖磨細礦粉。

(4)纖維穩定劑為木質素纖維,纖維用量按礦料總量的0.3%添加。

(5)瀝青采用SBS改性瀝青I-D。

4.3 耐磨瀝青混凝土配合比

耐磨瀝青混凝土配合比見表3、表4。

表3 鋼渣SMA-13目標配合比(油石比6.4%)

表4 鋼渣SMA-13配合比合成級配表

4.4 耐磨瀝青混凝土路用性能分析

(1)水穩定性檢驗。

鋼渣各項路用指標試驗結果合格,依據馬歇爾試驗,確定最佳油石比為6.4%,進行水穩定性檢驗,具體數據見表5。

表5 SMA-13型改性瀝青混合料水穩定性檢驗結果表(油石比6.4%)

(2)動穩定度檢驗。

車轍試驗結果見表6。試驗溫度為60 ℃,輪壓0.7 MPa。檢驗結果表明,GTM法設計的SMA-13型改性瀝青混合料在設計最佳油石比條件下具有較好的抗車轍能力,滿足高速公路上面層的技術要求。

表6 SMA-13型鋼渣瀝青混合料車轍動穩定度試驗結果表

(3)現場實測項目。

現場實測數據見表7。

按6.4%油石比拌和瀝青混合料檢測各指標:動穩定度為6 713次/mm,大于設計值4 000次/mm;浸水殘留穩定度均值90.2%,大于設計值85%;凍融劈裂破壞強度比86.3%,大于設計值80%。以上檢測結果說明,使用通用的施工設備施做的路面高溫抗車轍、低溫抗裂縫的性能可以滿足標準要求,耐磨性能試驗黏附砂量<450 g/m2,浸水1 h濕輪磨耗試驗(WTAT)指標<540 g/m2,可以達到耐磨的目的。

5 綜合評價及效益分析

5.1 提高路面耐久性

鋼渣是一種質地堅硬、外觀多孔、棱角豐富、表面粗糙的材料,鋼渣瀝青路面的優點是其優越的抗滑性能,在輪胎作用下不磨耗,鋼渣瀝青路面具有優越的抗車轍性能,具有很高的勁度和強度,同時鋼渣瀝青路面不褪色,能長期保持令人賞心悅目的黑色外觀。

5.2 減少后期養護費用

高速公路瀝青路面設計壽命通常為15～20年,但目前我國通車的高速公路瀝青路面遠沒有達到設計年限,早期損壞嚴重。用普通瀝青混凝土鋪筑的路面在設計年限內需經過1～2次大修,而采用鋼渣耐磨瀝青混凝土作為路面面層,在設計年限內幾乎不需要經過大修,保持道路良好性能,相比之下減少了后期的維護費用。

5.3 社會效益分析

我國年產鋼渣幾百萬噸,加上幾十年的積累,成千上萬噸鋼渣作為工業廢料堆積在鋼廠附近幾十個存放點,占用大量空間,成為鋼廠的巨大包袱。同時鋼渣漫天飛揚,所造成的粉塵污染成為影響環境的重要污染源。將鋼渣應用于混凝土混合料中,不僅解決了我國鋼鐵工業因鋼渣堆放污染環境的難題,還為鋼渣從固體廢棄物轉化為優質瀝青混凝土耐磨集料資源開辟了廣闊前景。>十個存放點,占用大量空間,成為鋼廠的巨大包袱。同時鋼渣漫天飛揚,所造成的粉塵污染成為影響環境的重要污染源。將鋼渣應用于混凝土混合料中,不僅解決了我國鋼鐵工業因鋼渣堆放污染環境的難題,還為鋼渣從固體廢棄物轉化為優質瀝青混凝土耐磨集料資源開辟了廣闊前景。

6 結束語

2009年以來,不少研究單位、企業參與制定了《耐磨瀝青路面用鋼渣》(GB/T 24765—2009)、《透水瀝青路面用鋼渣》(GB/T 24766—2009)等國家標準,以上述性能與評價結果為依托,開展了鋼渣瀝青混合料基于抗滑、耐磨、長壽命、環境友好目標的鋼渣瀝青路面試驗段研究工作。結合山西蟒河至陽城高速公路SMA-13型瀝青混凝土實例,分析了鋼渣代替防滑料用于瀝青路面的優點、經濟和社會效益,結果表明對節約土地、保護環境具有重要意義。同時,有些棄渣在形成過程中富集某些微量元素,具有一定的毒性、腐蝕性或放射性,對環境和人身健康具有潛在的不利影響,實際使用時,要充分重視工業廢渣浸出液內微量元素的含量,避免二次污染。