ac-20f全级配钢渣沥青混合料配合比设计及性能研究

渊1.吉安市公路局泰和分局袁江西吉安343700冤

摘要院本文根据钢渣的材料特性袁采用马歇尔设计方法袁对AC-20F全级配钢渣沥青混合料的

设计与制备袁并与同级配的石灰岩沥青混合料进行高温稳定性尧水稳定性和沥青用量等性能对比袁探讨钢渣作为道路面层筑路材料的可行性遥研究结果表明院钢渣沥青混合料的高温稳定性能和水

稳定性能均优于石灰岩沥青混合料袁其膨胀性满足规范要求袁为钢渣应用于道路工程提供了理论支撑遥

关键词院钢渣曰沥青混合料曰合成级配曰最佳油石比曰路用性能

0前言

钢渣作为炼铁行业的主要固体废弃物袁其产量十分巨大袁相关调研显示袁我国的钢渣年产出量已经超过9000万吨袁全国钢渣堆积累积量将近10亿吨遥然而袁大部分的钢渣材料被无组织地堆弃袁不

[1]等国家袁未形成钢渣沥青混凝土的设计与施工规范

[3]遥

因此袁针对钢渣综合利用率低的现状袁本研究

结合钢渣材料密度大和孔隙多的特性袁采用马歇尔设计方法袁进行AC-20F全级配钢渣沥青混合料配合比设计袁研究沥青混合料的高温稳定性尧水稳定性尧体积膨胀性等性能袁并与同级配石灰岩沥青混合料对比分析遥

仅造成了土地空间资源被占用袁还导致了环境污染和资源浪费遥虽然随着人们的不断重视和研究袁钢

渣的综合利用率在逐年提高袁但是由于总量过大袁其综合利用率不高遥这直接导致钢渣的堆积量逐年增加袁钢渣作为钢铁产业所产生的废弃物应如何处理的问题日益突显遥

[2]1钢渣材料适用性分析

本研究所使用的萍钢钢渣产地为江西省湖口县袁钢渣储量较为丰富袁通过调查取样袁试验所使用的材料均为具有代表性的典型试样遥在进行钢渣的基本性能指标测试时袁将钢渣划分为0~2.36mm尧2.36mm~4.75mm尧4.75mm~13.2mm以及13.2mm~19mm四挡集料遥钢渣的外观与常规的石料相比较具有一定差异遥钢渣材料的表面呈现灰黑色袁棱角性十分丰富袁并且表面分布的孔隙较多遥钢渣的各项物理力学性质指标见表1和表2所示[4]遥

钢渣材料具有强度高尧棱角性丰富尧耐磨性较

[3]好尧典型碱性集料与沥青黏附效果好等优点袁因而可以应用于道路工程中遥将钢渣材料用于道路工程领域可以有效降低道路成本袁节约天然石料袁保护生态环境遥然而袁钢渣材料独特的多微孔隙结构以及较大的比重的缺点限制其广泛应用遥国内对钢渣材料应用于道路面层的研究应用仅局限于试验段铺筑和室内研究层面袁技术应用还远落后于欧美

作者简介院陶晓芬渊1981-冤袁女袁江西泰和人袁本科袁工程师袁主要从事公路工程施工与养护管理工作遥

窑15窑

表1钢渣粗集料基本物理力学性质指标

粗集料技术性质实测值

检测项目单位表观相对密度集料压碎值--13.2mm~19mm针片状含量%3.297洛杉矶磨耗损失

%吸水率

%18.53.2--黏附性等级渊70#沥青冤

级

%2.45表2钢渣细集料试验检测结果检测项目测试值规范值表观相对密度砂当量渊%冤3.301逸2.500亚甲蓝值渊%冤逸60棱角性渊流动时间冤渊s冤

2.87551逸30<252.4%袁通过对比可以看出超出了规范上限值袁2.0%袁钢渣的吸水率达这是由于钢渣的表到了

面及内部分布着较多的孔隙而造成的遥除了吸水率这项指标外袁其他指标均满足规范要求遥钢渣的表

观相对密度达到了3.30g/cm3使得钢渣中含有一些金属元素袁这是因为在炼钢过程袁导致其密度指标比常规石料高出一定数值遥钢渣的洛杉矶磨耗值以及

磨光值指标较高袁这说明钢渣具有良好的耐磨性能袁钢渣的压碎值指标良好袁说明多孔隙的钢渣依然有着较高的强度遥此外袁由于钢渣属于碱性集料袁其与沥青的黏附等级为最高的5级袁因此从黏附性来说袁钢渣材料是较好的沥青路面材料遥综上袁钢渣材料具有强度高尧耐磨性好以及与沥青黏附性好等优点袁通过适当处理可以较好地用于道路工程中遥2其他原材料

2.1沥青

本研究采用南京炼油厂生产的50号A级道路石油沥青袁其各项指标如表3所示袁各项指标都满足规范要求[4]表遥

350号道路石油沥青检测结果检测项目

实测数据技术要求针入度渊25益袁100g袁5s冤渊0.1mm冤延度渊10益袁5cm/min冤渊cm冤

51软化点渊益冤

53.037

40~60逸RTFOT质量损失渊%冤0.05逸1549残留物

后针入度比25益渊%冤68臆依0.8

延度10益渊cm冤

6逸逸63416窑

4.75mm~13.2mm规范值3.2872.36mm~4.75mm17.53.301--逸2.60臆2818.43.1--臆152.3--2.4----臆3.0臆30逸52.2矿粉

本研究采用石灰岩矿粉袁其检测结果如表4所示袁其各项指标也都满足规范要求遥

表4矿粉基本性能指标检测项目

测试值

规范值

表观相对密度

2.753粒径范围0.15mm

0.6mm

99.7100逸1002.5塑性指数0.075mm

99.690~100亲水系数2.075~100<外观

无团粒结块0.4无团粒结块

<4.013钢渣沥青混合料配合比设计

3.1级配设计

AC-20F本研究选取的是我国高速公路中较为常见的

AC-20F连续密级配013.2mm~19mm~2.36mm尧2.36mm~4.75mm尧4.75mm~13.2mm全级配钢渣沥青混合料

袁利用马歇尔设计方法制备[4]遥级配设计采用

这四挡粒径不同的集料袁这四挡集料以及均采用钢渣遥沥青和矿粉分别选用的是50号道路石油沥青和石灰岩矿粉遥进行级配设计时级配设计

如表5尧表6和图1所示遥

表5AC-20F钢渣沥青混合料最佳级配各档所占比例档位渊mm冤比例渊%冤

0~2.36282.36~4.7544.75~13.21213.2~1953矿粉3表6AC-20F全级配钢渣沥青混合料合成级配表筛孔尺寸渊mm冤合成级配渊%冤

级配范围渊%冤上限100下限中值

13.21995.1928090957278854.7588.0100566250712.369.51680.61.1868.143.527.4446133260.150.60.319.324160.07511.37.75.2171222.54130138548.51673115窑对于全级配的钢渣而言袁考虑到钢渣材料密度较大袁油石比间隔为0.5%时沥青的绝对用量之间相差大袁不利于后续确定最佳油石比袁因此本研究采用油石比间隔为0.4%袁因此本研究制备成型油石比分别为4.4%尧4.8%尧5.2%尧5.6%以及6.0%的马歇尔试件遥考虑到钢渣材料吸水率高的问题袁本研究在制备钢渣沥青混合料时袁将钢渣材料置于180益烘箱中烘干2h[6]袁然后再制备钢渣沥青混合料马歇尔试件遥然后对不同油石比下的钢渣沥青混合料试件

图1AC-20F全级配钢渣沥青混合料级配曲线

进行体积指标和力学指标的测定袁结果如表7所示遥按照马歇尔设计方法确定AC-20全级配钢渣沥青混合料的最佳油石比为5.1%遥

表7AC-20F型全级配钢渣沥青混合料马歇尔试件试验指标检测结果

检测项目油石比渊%冤毛体积相对密度最大理论相对密度空隙率VV渊%冤矿料间隙率VMA渊%冤沥青饱和度VFA渊%冤

稳定度渊kN冤流值渊0.1mm冤

4.42.7862.9806.516.761.018.940.84.82.8142.9594.916.169.718.538.4检测数据5.22.8052.9314.316.774.317.038.05.62.7982.9254.217.274.916.942.76.02.7982.9043.617.679.319.346.1规范要求---3~6逸1365~75逸815~403.2最佳油石比确定

4路用性能分析

在确定好级配及油石比之后袁本节对钢渣沥青混合料的各路用性能进行性能分析袁包括高温稳定性尧水稳定性尧体积膨胀性和沥青用量袁并与同级配的AC-20F型石灰岩沥青混合料进行对比分析遥4.1高温稳定性

件和荷载作用后抵抗永久变形的能力遥根据现有

[7][8]4.2水稳定性

水稳定性是指由于汽车轮碾状态下袁路面受到动态荷载的作用袁进入路面空隙中的水不断产生动水压力或受到真空负压抽吸的反复循环作用袁沥青混合料抵抗水分渗入沥青与集料的界面袁使得沥青黏附性降低袁沥青膜与石料之间发生剥离的能力[9]遥根据现有规范中对于水稳定性的要求袁本文通过浸水马歇尔试验以及冻融劈裂试验所得出的相应指标袁评价沥青混合料的水稳定性遥试验数据如表9和表10所示遥研究表明袁钢渣沥青混合料的水稳定性能比石灰岩沥青混合料好袁这是因为钢渣是一种高碱值的材料袁并且其特殊的表面构造和多孔隙的特点使得它与沥青的接触的比表面积大袁黏附力较强遥

表9浸水马歇尔试验数据

试件类型石灰岩AC-20F钢渣AC-20F

动稳定度渊次/mm冤

83.688.7动稳定度渊次/mm冤

80.189.2规范值渊次/mm冤

逸80.0逸80.0规范值渊次/mm冤

逸75.0逸75.0高温稳定性是用于表征沥青混合料在高温条

规范中对高温稳定性的相关要求袁采用轮碾法成型车辙试件袁并在试验温度为60益袁轮压为0.7MPa的环境下进行车辙试验袁车辙试验得到的动稳定度温稳定性能均满足规范规定要求袁并且钢渣沥青混合料的高温稳定性优于石灰岩集料遥这说明钢渣骨架间的嵌挤效果可以有效提高其高温抗变形能力遥

表8沥青混合料动稳定度

试件类型石灰岩AC-20F钢渣AC-20F

动稳定度渊次/mm冤

43285676规范值渊次/mm冤

逸1000逸1000结果如表8所示遥研究发现袁两种沥青混合料的高

表10冻融劈裂试验数据

试件类型石灰岩AC-20F钢渣AC-20F

窑17窑

4.3体积膨胀性

体积膨胀性是钢渣沥青混合料特有的性质袁其根本原因在于钢渣材料的化学组成中含有游离的氧化钙和氧化镁袁在遇水后将发生化学反应袁反应过程将伴随着体积膨胀现象遥在沥青路面中膨胀现象带来的膨胀应力而造成裂缝的形成和发展[10]此袁根据现有沥青混合料规范中关于膨胀性的要遥因求袁对钢渣沥青混合料采用膨胀性试验来进行检测袁检测结果如表11所示袁钢渣沥青混合料体积膨胀性满足规范要求遥

表11钢渣沥青混合料膨胀性试验数据试件类型膨胀量渊%冤

规范值渊%冤钢渣AC-20F

0.75臆1.504.4沥青用量及经济性分析

本研究试验得到钢渣沥青混合料的最佳油石比为4.1%袁5.1%袁这是由于钢渣特有的多孔隙结构使得钢渣吸对照组石灰岩沥青混合料的油石比为收更多的沥青遥为了反映钢渣沥青混合料真实的沥青用量袁采用沥青混合料体积同为1m3时袁混合料中沥青所占的质量来进行对比分析遥通过沥青混合料的毛体积相对密度和油石比指标袁估算得到1m3沥青混合料中的沥青用量袁避免了沥青混合料密度差异对沥青用量分析的影响遥沥青用量的分析结果见表12遥由表12可知袁制备1m3的沥青混合料袁使用钢渣材料虽然会多使用36kg左右的沥青袁然而却可以节约2.8吨左右的石灰岩集料袁可见其社会效益较好袁将钢渣材料应用于道路工程中是一种变废为宝的有效措施遥

表121m3混合料沥青用量比较分析

混合料类型毛体积相对密

度渊g/cm3冤

油石比渊%冤

1m3

混合料的沥青用量渊kg冤

石灰岩AC-20钢渣AC-20

2.5522.8094.15.1100.5136.35结语

渊1冤通过对钢渣材料的物理力学试验研究袁其

18窑

性能指标均满足规范要求且钢渣材料具有强度高尧耐磨性强以及与沥青黏附性好等优点袁在道路工程中应用有较好的适用性曰

标配合比进行设计渊2冤采用马歇尔设计方法对钢渣沥青混合料目

袁由于钢渣吸水率较高等因素袁最佳油石比为1%曰

5.1%袁相较于石灰岩油石比高出了分析渊3冤袁钢渣沥青混合料在高温稳定性和水稳定性方

通过与石灰岩沥青混合料路用性能的对比

面优于石灰岩沥青混合料袁并且其膨胀性能也满足规范要求袁钢渣作为集料来制备沥青混合料的方法是可行的大袁但可以节约大量集料渊4冤对于钢渣沥青混合料曰

袁并且将废弃的钢渣材料袁虽然其沥青用量较

应用于道路工程建设中袁社会效益较好遥

参考文献院

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[J].交

窑