钢渣沥青混合料在车辙病害中应用试验研究

贺晓铭，张振龙

（1 河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南郑州 450046；
2 贝卡尔特应用材料科技（上海）有限公司，上海 200131）

钢渣是炼钢中产生的固体废物，国外钢渣利用技术及应用领域呈现多元化趋势，而目前国内钢渣利用率仅为20%，存在堆弃侵占土地、资源浪费等问题。因此，在我国“碳达峰、碳中和”战略背景下，研究钢渣集料综合应用技术，扩大钢渣应用领域和提高其利用效率势在必行。国内对钢渣集料性能及应用研究可归纳为以下4 个方面：（1）钢渣应用材料研究。马孟臣等[1]研究了钢渣对耐磨混凝土强度、内部界面结合的影响；
任新涛等[2]研究了不同质量分数的钢渣微粉对复合胶凝材料性能的影响规律；
袁高明等[3]进行了半柔性钢渣路面材料性能研究；
（2）钢渣混合料性能研究。林浩东等[4]对不同掺量的钢渣粉沥青混合料高低温性能、水稳定性能进行研究；
牛永宏等[5]对不同钢渣掺量沥青混合料进行高低温性能试验及疲劳试验，研究其高低温及疲劳特性；
申爱琴等[6]研究了钢渣沥青混合料在不同钢渣掺量、荷载和温度条件下的抗滑性能衰减规律；
高振鑫等[7]采用三个指标对不同钢渣掺量的沥青混合料水稳定性进行评价；
孙吉书等[8]研究了钢渣在SBS改性沥青路面感应热自修复技术的可行性；
（3）基于路用性能的不同钢渣沥青混合料研究[9-12]；
（4）钢渣混合料路面面层、基层应用研究[13-15]。从以上研究可知，钢渣沥青混合料应用于路面车辙病害研究较少，因此本文在“双碳”战略及工业材料低碳高效利用背景下，以某钢厂钢渣为样本，创新钢渣高效生产加工工艺，分析钢渣沥青混合料用于试验段路面车辙病害处治后的路用性能指标，以期缓解优质筑路石料匮乏问题，实现工业固废的再生循环利用。

1.1 耐磨性能和强度优良

钢渣中铁的硬度和强度，决定了钢渣中含有纯铁的物质属于耐磨物质。MgO·2FeO 是在炼钢炉的高温条件下形成的固溶体，晶体结构致密，且更具有金属质材料的特性，也属于钢渣的耐磨相。钢渣中的主要耐磨相除了含有纯铁物质的矿物组织以外，RO 相与含铁的铁酸钙、尖晶石相也是钢渣中的耐磨相。因此，钢渣集料具有优异的耐磨性能，可增强道路路面防滑性，提高行车安全性。

钢渣在外部环境共同作用下发生水化和氧化反应。首先是CaO、MgO、水和CO2反应，生成CaCO3、MgCO3；
同样，SiO2与水以及钢渣中的钙、镁离子发生反应生成硅酸盐化合物。通过化学反应分子结构重新组合，从而使处于松散状的钢渣颗粒凝聚成牢固的整体，板结成块达到较高的强度。钢渣集料与天然碎石集料性能对比如表1 所示。

表1 钢渣集料与天然碎石集料性能对比

1.2 体积稳定性不良

钢渣中含有游离f-CaO、f-MgO，水化反应生成Ca（OH）2和Mg（OH）2，体积膨胀。钢渣中的C2S 是一种多晶矿物，在钢渣冷却过程中，其晶型由β型向γ型转变，使体积增大，易导致路面破损、混凝土开裂。

1.3 粒径均质性差

选取某钢渣场5 处位置进行粒度级配测试，结果显示粒径区间主要为0.075～75mm，且粒径主要集中于4.75～37.5mm 区间。1中、2 上、1 下三处粒径筛分曲线在＜4.75mm 范围具有较好的重叠性，5 中、1 上、1 下、3 上、4 中五处粒径筛分曲线在＜9.5mm 范围具有较好的重叠性（图1）。经过样本级配曲线分析，对于钢渣样本＞10mm 粒径范围，其质量百分比在不同位置和空间分布具有较大的差异，表明渣场钢渣粒径空间分布均质性不佳。钢渣原始材料样本粗，细集料粒径规格均不能满足路面钢渣集料公称粒径要求，需对其采取破碎、磨耗整形、筛分等工序，实现最大化粒度利用。

图1 不同位置钢渣样本级配曲线

1.4 软弱颗粒特点

软弱颗粒的存在会影响钢渣的力学性能，经试验表明（图2），钢渣集料的压碎值与软弱颗粒含量呈线性相关，说明随着钢渣中软弱颗粒质量分数的增加，其抵抗压碎的能力逐步减弱。因此，钢渣作为集料使用时必须剔除软弱颗粒，确保钢渣集料具有较高的抵抗压碎和耐磨耗的性能。

图2 软弱颗粒含量与压碎值相关曲线

2.1 高效振动鄂式破碎对钢渣粒径分布的影响

对5 处钢渣样本随机选取2 处进行鄂式破碎，破碎后粒径范围可达到31.5mm 以下，并且高效提高＞4.75mm 范围粒径的筛分通过率，同时还降低了0～20mm 粒径范围质量百分比的变异系数，尤其5～15mm 粒径范围变异系数降幅最大，说明高效振动鄂式破碎对提高5～15mm 粒径分布均质性效率明显。但从级配曲线可知，鄂式破碎并不能显著提高＜4.75mm 粒径范围钢渣的通过率，说明鄂式破碎无法高效将钢渣粒径破碎到5mm 以下范围，不能显著改善钢渣＜4.75mm 范围粒径分布均质性（图3、图4）。

图3 鄂式破碎前后级配曲线

图4 鄂式破碎前后各档粒径的变异系数

2.2 磨耗整形处理工艺对钢渣粒径分布的影响

在鄂式破碎的基础上采用惯性圆锥破碎机对钢渣磨耗整形，粒径范围分布降至25mm 以下，满足透水沥青路面用钢渣粗集料的粒径规格规定。细碎加工处理后，＞10mm 粒径范围集料质量百分比明显降低，且0～5mm 粒径范围集料质量百分比明显提升，3～5mm 粒径范围集料分记筛余百分比提高了近1 倍，尤其0～3mm粒径范围集料分记筛余百分比提高近4 倍（图5）。从两次破碎加工前后各档粒径质量百分比的变异系数可得，惯性圆锥破碎加工对于进一步改善0～5mm 粒径范围集料分布均质性具有高效性（图6）。加工处理后钢渣集料的技术指标如表2 所示。

表2 加工处理后钢渣集料技术指标

图5 两次加工前后不同粒径分记筛分百分比

图6 两次加工前后不同粒径的变异系数

通过对两次加工后钢渣集料的粒径范围分布及变异系数分析可知，鄂式破碎可明显提高5～15mm 钢渣集料粒径分布均质性，圆锥破碎磨耗对提高0～5mm 钢渣集料粒径分布均质性效果显著，且加工处理后钢渣集料指标满足技术要求。因此，提出“高效振动鄂式破碎机+惯性圆锥破碎机”的钢渣集料生产加工工艺。

3.1 试验路段概况

对某市政公路K3+260～K3+460 路段开展沥青路面钢渣微表处试验段研究，此次共实施钢渣微表处1680m2，主要用于处治路面车辙病害。对原路面精铣刨后重铺SMA-13 细粒式钢渣沥青玛蹄脂碎石路面（钢渣含量31%）和AC-16 中粒式钢渣沥青混凝土路面（钢渣含量50%）各100m，微表处钢渣沥青混合料摊铺设计厚度为12cm，分两次摊铺，第一次摊铺厚度为8cm，第二次摊铺厚度为4cm。

3.2 施工工艺要点

钢渣集料中含有一定的Fe，其导热效率较高，使钢渣沥青混合料的温度散失较快，需加强温度监测与控制。同时，钢渣颗粒表面粗糙，摩擦系数较大，需采用大吨位压路机压实使颗粒间相互嵌挤，从而使内摩擦力增大，使路面具有较高的早期强度。

（1）运输。由于钢渣沥青混合料温度散失较快，需做好运输过程中各环节温度监测（图7），严控出场温度在180℃～190℃间，运料车车厢设置加厚保温板，运输过程中保温措施严格到位。

图7 温度监测

（2）摊铺。钢渣沥青混合料采用履带式摊铺机进行作业（图8）。开始摊铺钢渣沥青混合料前1h，对摊铺机的螺旋布料器和熨平板等有关装置进行加热，以减少对混合料降温的损失，摊铺过程中，摊铺速度宜控制在2～3m/min。AC-16 中粒式钢渣沥青混凝土路面摊铺温度宜为150℃，SMA-13 细粒式钢渣沥青玛蹄脂碎石路面摊铺温度宜为160℃。

图8 摊铺

（3）碾压。由于钢渣沥青混合料的温度损失比较快，在摊铺机摊铺后，须立即使用大吨位振动双钢轮压路机进行初压（图9），振动压路机应遵循“紧跟、慢压、高频、低幅”的原则，从而达到在提高路面压实度的同时，保证铺筑路面的平整度质量。AC-16 中粒式钢渣沥青混凝土路面碾压工艺为：双钢轮14T，紧跟，振压4遍，碾压温度150℃；
胶轮26T，碾压3 遍，碾压温度70℃。SMA-13细粒式钢渣沥青玛蹄脂碎石路面碾压工艺为：双钢轮14T，紧跟，振压8 遍，碾压温度160℃。

图9 碾压

3.3 钢渣沥青混合料的路用性能

钢渣沥青混合料的马歇尔试验结果见表3。试验路段完工后，对路面厚度、抗滑性能、平整度等进行了现场测试，结果见表4。

表3 钢渣沥青混合料马歇尔试验配合比设计结果

表4 试验路段现场检测结果汇总

钢渣沥青混合料AC-16 和SMA-13 马歇尔试件路用性能技术指标表明，钢渣沥青混合料强度、水稳定性、高低温性能均表现优异，满足相应技术要求。试验路段现场测试表明，路面摩擦系数、平整度、构造深度均达到技术要求，路面强度较高，抗滑耐磨性能较好。

（1）基于钢渣应用试验结果，提出了“高效振动鄂式破碎机+惯性圆锥破碎机”的钢渣集料生产加工工艺。

（2）钢渣沥青混合料AC-16 和SMA-13 应用于路面车辙病害处治，在路面强度、高温稳定性、抗滑耐磨性能等方面表现优异。