山西省首例耐磨耗钢渣SMA-13沥青路面研究与应用

申铁军,陈 潇,李建军,王明洁,胡 杨

(1.山西路桥建设集团有限公司, 山西 太原 030006;2.武汉理工大学材料科学与工程学院,湖北 武汉 430070;3.山西路桥第三工程有限公司, 山西 太原 030006;4.大连交通大学土木工程学院,辽宁 大连 116092)

0 引 言

山西是我国钢铁产业大省,钢铁企业每年产出的钢渣量较大,综合利用率约为30%,钢渣有效资源化利用率不高,大量堆积的钢渣不仅占用土地、对环境造成潜在危害,同时也造成资源上的浪费。利用钢渣集料生产高速公路抗滑耐磨沥青路面不仅可以实现钢渣固体废弃物的资源化再利用,而且可以延缓优质天然石料的消耗,保护山西地区自然环境,并且可以提升沥青混凝土路面的服役性能,延长服役寿命。随着山西地区公路建设的快速发展,公路工程建设用集料消耗量巨大,而随着环保政策的加强,优质集料(如玄武岩、辉绿岩、石灰石)的供需矛盾日益突出。一些公路工程周边地区优质天然石料资源已日渐稀少,向外采购距离也越来越远,不可避免地导致工程造价增高,甚至造成工程建设周期延长,天然石料的过度开采对周边生态环境也会产生破坏,影响整个公路交通事业的可持续发展。山西地形较为复杂,山区、丘陵占总面积的2/3以上,使得山区公路沥青路面上下坡路段多。此外,山西冬季长且寒冷,夏季短且炎热多雨,使得山区公路沥青路面在雨雪天气条件下对防滑性能要求更高。当前随着经济的持续发展,道路交通重载化现象严重,沥青路面在轮胎荷载反复作用下,耐磨抗滑性能迅速衰减,严重影响高速行车安全。长期抗滑能力不足已成为影响山区公路沥青路面行车安全的重大问题之一。因此,对耐磨耗钢渣的研究可促进山西公路建设可持续发展和改善沥青路面耐磨抗滑性能,对山西公路沥青路面新技术的应用发展具有重要意义。

2 钢渣应用于沥青混凝土的有利因素分析

钢渣作为集料,力学性能好,棱角性丰富,且含有较多的氧化钙及硅酸钙,与沥青黏附性优异,具有作为优质抗滑耐磨沥青路面表层集料的优良潜质。利用钢渣与沥青优异的黏附性能及力学性能,可以替代常规的玄武岩和安山岩集料,改善沥青路面抗滑表层的抗水损害性能和抗滑耐磨性能,提高路面耐久性;另一方面,将钢渣固体废弃物进行资源化利用,有利于节省玄武岩和安山岩等天然集料资源,能够为提升山西地区的沥青路面质量、降低工程材料采购成本、扩大集料可选范围起到良好示范作用[1]。

2.1 钢渣适用性分析

(1)钢渣适用条件。

钢渣(矿渣)是炼钢后的熔渣。石效民[2]认为冷却后的钢渣(新渣)是一种不稳定渣,不能直接使用。钢渣属工艺岩,与天然岩相比,主要区别是安定性差,其安定性取决于自由基CaO即f-CaO。钢渣破碎得越细,其稳定性来得越早。经检测发现,露天堆放一年左右,钢渣的膨胀粉化现象即告完成(山西省俗称为老渣或陈渣)。老渣克服了膨胀疏松,才可作为工程原料投入使用。综合上述相关论述,钢渣用于公路工程中的路基、路面、基层除满足一般要求外,主要是控制其稳定性或活性大小,可归结为:自然状态储存时间不小于1年,且其浸水膨胀率应不大于2%(用于沥青混合料时应不大于1.5%)[3],史子牧[4]认为有条件时应控制压蒸粉化率不大于5%,游离氧化钙不大于3%。关于钢渣材料本身的研究数据,目前已经多有文献报导,在此不再赘述。

(2)相比玄武岩或辉绿岩钢渣的优越性。

①钢渣性能稳定,质地坚硬,这符合我国现行规范中对高等级沥青路面优质集料的要求,并且其压碎值和磨耗值等关键指标均优于目前普遍采用的玄武岩和辉绿岩。钢渣化学成分中氧化钙含量高,赋予钢渣碱性特质。在与弱酸性的沥青接触时可获得极佳的界面黏附力。与普通集料相比,钢渣集料具有强度高,表面多孔的特征。因此不同于玄武岩或辉绿岩,利用钢渣制备的沥青混凝土无需添加抗剥落剂即可拥有良好的抗水损害性能。钢渣集料表面纹理丰富,棱角性好。混合料级配中粗钢渣、细集料可以形成嵌挤状态的骨架结构,拥有较大的内摩擦角。因此钢渣沥青混合料拥有比传统沥青混合料更好的抗永久变形性能和耐久性能,使得钢渣沥青路面全生命周期维护成本更低。

②钢渣硬度高,表面粗糙,经破碎分选制备的集料粒径,级配,物理力学性能、与沥青之间的黏附性能等均可满足沥青路面面层对于粗集料要求。破碎钢渣多孔,具有较大的比表面积,表面粗糙,与沥青黏附性较玄武岩优良;钢渣碱度高,是一种碱性集料,与沥青黏附性强。理论上钢渣沥青混合料的耐磨性、抗水损害、疲劳性能优良。钢渣破碎后,集料颗粒形貌优良,针片状含量少,同时钢渣较为致密,其硬度与玄武岩可比,因此,在制备以SMA级配类型为代表的骨架嵌挤型沥青混合料应具有优良性能。综合上述理论分析,利用钢渣制备沥青混合料,其力学性能、耐久性能较常规沥青混合料优良。

2.2 钢渣应用于沥青混凝土的不利因素分析

(1)配合比设计的合理性问题。

对热拌沥青混合料,材料的级配都是按照质量配比计算。当集料之间比重相差不大时,以质量比计算较为简便且实用,而当集料之间比重相差较大时,以体积比计算较为合理。当钢渣与天然集料两者之间比重差异较大时,须在钢渣沥青混合料级配设计时,以体积法进行修正。

(2)钢渣游离氧化钙导致混合料膨胀的问题。

钢渣中游离氧化钙、氧化镁等物质在后期水化过程中会导致钢渣本体材料体积膨胀,致使钢渣的安定性不良,造成钢渣的应用出现技术性的问题。若将未经过陈化的钢渣应用于道路工程中可能会导致路面耐久性下降。所以,为了控制钢渣的体积膨胀性,最为关键的就是针对钢渣的材料理化特性开展分析,选择合适的钢渣作为道路工程材料使用。沥青材料属于黏弹性材料,其对于钢渣混合料的体积膨胀有一定的限制作用,但是仍然要结合配合比设计、材料的选择开展研究工作,使钢渣沥青混合料的体积稳定性得以改善,减小因体积不稳定造成对路面结构破坏的可能性。

(3)钢渣沥青路面耐久性问题。

影响沥青路面耐久性的因素较多,例如自然环境、交通载荷、材料特性以及混合料的设计与组成结构等。钢渣与沥青的黏附性较好,使得钢渣沥青混合料的抗剥落性能出色,但是钢渣表面陈化产物与沥青之间的黏附作用复杂,在冻融循环及外部动水、混合料内部水共同作用下,钢渣集料水化产物的形成与沥青剥落机理还未探明。同时钢渣材料特性,特别是表面微观结构特性与钢渣沥青混合料的抗水损害性能、抗滑性能、路用性能之间的关系还未建立。

(4)钢渣应用的环境影响问题。

钢渣来源于炼钢过程产生的副产物,其组成特性受到铁矿石、造渣溶剂的影响,因此会伴生一些有害元素,极端条件下,这些有害重金属元素不仅会对周边水体产生污染,同时因为不同铁矿石成分差异,还会伴生一些过渡周期的辐射性金属元素,例如稀土元素。沥青是一种优良的固化材料,已有研究表明沥青针对含有重金属元素、放射性元素的物质具有良好的固化特性,因此探究沥青对上述毒害元素的固化机理也是一个关键问题。

3 钢渣路用环保性能分析

3.1 化学成分及矿物组成

钢渣在1 500～1 700 ℃的高温状态下表现出液体状态,通过高温水淬等一系列生产工艺,凝结硬化以后形成了固体钢渣。主要成分是CaO、Fe2O3、SiO2、MgO;其主要矿物成分包括碳酸钙、亚铁相、钙铁矿、硅酸二钙等,见表1。

3.2 重金属浸出浓度

经重金属溶出实验,钢渣的重金属浸出浓度完全满足工业污水综合排放标准,钢渣做公路集料不会造成二次污染,见表2。

表2 钢渣的重金属元素浸出浓度

3.3 钢渣代替防滑料用于沥青路面的优点

(1)具有优越的抗滑性能,在轮胎作用下耐磨耗。

(2)具有优越的抗车辙性能,具有很高的劲度和强度。

(3)钢渣沥青路面不褪色,能够长期保持令人赏心悦目的黑色外观。

4 山西应用实例分析

4.1 钢渣沥青路面应用情况简述

山西蟒河至阳城高速公路,由于山西重载煤炭运输的特殊性,路面设计右幅(山西至外省方向)为特重交通,具体为4 cm SMA-13超重载沥青混合料上面层+6 cm AC-20改性沥青混凝土(掺抗车辙剂)中面层+10 cm ATB-25沥青碎石下面层,各控制参数主要依据《山西蟒河至阳城高速公路沥青路面施工图设计》进行,为钢渣耐磨SMA-13上面层提供了工程先例。

4.2 耐磨沥青混凝土材料组成

阳蟒高速SMA-13钢渣沥青混合料材料组成如下。

(1)以钢渣粗集料和石灰岩细集料(0～3 mm)进行设计,其中钢渣粗集料经人工筛分分成5～10 mm和10～15 mm两种规格。

(2)钢渣粗集料在使用前进行人工水洗,减少钢渣表面粉尘污染。

(3)填料采用普通石灰岩磨细矿粉。

(4)纤维稳定剂为木质素纤维,纤维用量按矿料总量的0.3%添加。

(5)沥青采用SBS改性沥青I-D。

4.3 耐磨沥青混凝土配合比

耐磨沥青混凝土配合比见表3、表4。

表3 钢渣SMA-13目标配合比(油石比6.4%)

表4 钢渣SMA-13配合比合成级配表

4.4 耐磨沥青混凝土路用性能分析

(1)水稳定性检验。

钢渣各项路用指标试验结果合格,依据马歇尔试验,确定最佳油石比为6.4%,进行水稳定性检验,具体数据见表5。

表5 SMA-13型改性沥青混合料水稳定性检验结果表(油石比6.4%)

(2)动稳定度检验。

车辙试验结果见表6。试验温度为60 ℃,轮压0.7 MPa。检验结果表明,GTM法设计的SMA-13型改性沥青混合料在设计最佳油石比条件下具有较好的抗车辙能力,满足高速公路上面层的技术要求。

表6 SMA-13型钢渣沥青混合料车辙动稳定度试验结果表

(3)现场实测项目。

现场实测数据见表7。

按6.4%油石比拌和沥青混合料检测各指标:动稳定度为6 713次/mm,大于设计值4 000次/mm;浸水残留稳定度均值90.2%,大于设计值85%;冻融劈裂破坏强度比86.3%,大于设计值80%。以上检测结果说明,使用通用的施工设备施做的路面高温抗车辙、低温抗裂缝的性能可以满足标准要求,耐磨性能试验黏附砂量<450 g/m2,浸水1 h湿轮磨耗试验(WTAT)指标<540 g/m2,可以达到耐磨的目的。

5 综合评价及效益分析

5.1 提高路面耐久性

钢渣是一种质地坚硬、外观多孔、棱角丰富、表面粗糙的材料,钢渣沥青路面的优点是其优越的抗滑性能,在轮胎作用下不磨耗,钢渣沥青路面具有优越的抗车辙性能,具有很高的劲度和强度,同时钢渣沥青路面不褪色,能长期保持令人赏心悦目的黑色外观。

5.2 减少后期养护费用

高速公路沥青路面设计寿命通常为15～20年,但目前我国通车的高速公路沥青路面远没有达到设计年限,早期损坏严重。用普通沥青混凝土铺筑的路面在设计年限内需经过1～2次大修,而采用钢渣耐磨沥青混凝土作为路面面层,在设计年限内几乎不需要经过大修,保持道路良好性能,相比之下减少了后期的维护费用。

5.3 社会效益分析

我国年产钢渣几百万吨,加上几十年的积累,成千上万吨钢渣作为工业废料堆积在钢厂附近几十个存放点,占用大量空间,成为钢厂的巨大包袱。同时钢渣漫天飞扬,所造成的粉尘污染成为影响环境的重要污染源。将钢渣应用于混凝土混合料中,不仅解决了我国钢铁工业因钢渣堆放污染环境的难题,还为钢渣从固体废弃物转化为优质沥青混凝土耐磨集料资源开辟了广阔前景。>十个存放点,占用大量空间,成为钢厂的巨大包袱。同时钢渣漫天飞扬,所造成的粉尘污染成为影响环境的重要污染源。将钢渣应用于混凝土混合料中,不仅解决了我国钢铁工业因钢渣堆放污染环境的难题,还为钢渣从固体废弃物转化为优质沥青混凝土耐磨集料资源开辟了广阔前景。

6 结束语

2009年以来,不少研究单位、企业参与制定了《耐磨沥青路面用钢渣》(GB/T 24765—2009)、《透水沥青路面用钢渣》(GB/T 24766—2009)等国家标准,以上述性能与评价结果为依托,开展了钢渣沥青混合料基于抗滑、耐磨、长寿命、环境友好目标的钢渣沥青路面试验段研究工作。结合山西蟒河至阳城高速公路SMA-13型沥青混凝土实例,分析了钢渣代替防滑料用于沥青路面的优点、经济和社会效益,结果表明对节约土地、保护环境具有重要意义。同时,有些弃渣在形成过程中富集某些微量元素,具有一定的毒性、腐蚀性或放射性,对环境和人身健康具有潜在的不利影响,实际使用时,要充分重视工业废渣浸出液内微量元素的含量,避免二次污染。