钢渣SMA-13沥青混合料配合比设计与性能研究

摘  要：钢渣粗集料可替代部分玄武岩集料。以SMA-13级配为例，通过配合比设计，在确定最佳油石比为5.8%的条件下，用5mm～15mm粒径钢渣粗集料替代玄武岩集料进行配合比设计，试验结果表明所制备钢渣SMA-13沥青混合料的高温稳定性能、低温抗裂性能、水稳性能和膨胀性等性能均符合相关标准规范要求。通过开展本研究，以期促进钢渣沥青混合料的大规模推广与应用。

关键词：钢渣;SMA;玄武岩;高温稳定;低温抗裂;水稳;膨胀

1 引言

钢渣粗集料作为一种具有高硬度、高密度、高碱性和丰富孔隙结构材料，近年来越来越多的被研究和应用人员引入到道路工程领域1-3，用于替代部分天然矿料，以期达到降本、降碳的效果。一些学者开始聚焦于钢渣SMA沥青混合料的某部分性能研究，如李亚洲等人研究与评价了钢渣SMA-13沥青混合料的长期耐久性，经低温和车辙试验，发现其具有良好的低温抗裂和抗车辙性能，又如刘旷达等人采用钢渣替代玄武岩集料，研究钢渣SMA-13沥青混合料的抗滑性能，结果表明当钢渣粒径≥4.75mm时，钢渣替代玄武岩后的SMA-13构造深度和摩擦力系数指标显著提升。

然而经调研，课题组得知目前国内关于钢渣SMA的配合比设计与性能研究成果还相对偏少。因此，课题组选择SMA-13级配，用钢渣替代部分玄武岩集料，设计钢渣SMA-13沥青混合料配合比并检测其性能。

2 配合比设计

2.1 级配设计

采用钢渣中5mm～15mm粒径的粗集料替代部分玄武岩沥青混合料中的集料，选择沥青玛蹄脂碎石混合料中的SMA-13级配进行试验。沥青混合料的集料级配组成与级配曲线分别如表1和图1所示。

为了避免由于钢渣与天然集料密度差异造成的级配变异，在对同时含有钢渣和天然集料的沥青混合料进行配合比设计时，按照更符合实际的体积设计理论，进行质量-体积换算，集料密度和换算后质量配合比结果分别见表2和表3。

2.2 确定沥青用量

通过马歇尔稳定度试验测定各油石比下马歇尔试件稳定度和流值，具体马歇尔试件试验结果如表4所示。

将各指标均符合规范指标要求绘制，以油石比为横坐标，不同油石比下毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度和流值试验结果为纵坐标，绘制结果见图2。

结合施工经验和实际工程场合，可以确定SMA-13原始钢渣沥青混合料最佳油石比为5.8%。

3 SMA-13 钢渣沥青混合料路用性能研究

3.1 钢渣沥青混合料高温稳定性能

本研究中采用的钢渣4.75mm～16mm粒径、SMA-13级配的沥青混合料仍然有必要进行高温车辙试验，沥青混合料车辙试验按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0719方法，试验步骤如下：

（1） 将一个带试模的车辙板试件放在车辙仪侧面保温位置，并将其固定好，在电脑上将控温打开，预设温度为60℃，保温不少于5h，且不得超过12h，控制试件温度稳定在60℃±0.5℃；

（2） 保温时间结束后将带试模的车辙板放到轮碾下方并拧上固定螺丝，然后在电脑上启动试验机，使试验轮按规定速度往返行走，行走方向与试件碾压或行车方向一致，试验进行时间为1h或试件变形达到25mm时为止。

试验完成后计算高温车辙试验的动稳定度，分别读取45 min（t1）及60min（t2）时的车辙变形d1和d2，准确至0.01mm，图3展示了国产车辙仪和在试验中的车辙板。最后按照式（1）计算动稳定度：

DS=（t2-t1）×N（d2-d1）×C1×C2                     （1）

式中：DS——沥青混合料的动稳定度（次/mm）；

d1——对应时间t1的变形量（mm）；

d2——对应时间t2的变形量（mm）；

C1——试验机类型系数，1.0；

C2——试件系数，1.0.

由表5中数据可以看出钢渣沥青混合料动平均稳定度为9254次/mm，远远超过规范要求的3000次/mm，大于规范要求的3倍。

3.2 钢渣沥青混合料低温抗裂性能

图4为钢渣沥青混合料小梁弯曲试验的试件及试验过程。

计算试件破坏时抗弯拉强度、最大弯拉应变和劲度模量，具体的计算结果见表6。

3.3 钢渣沥青混合料水稳性能

结合已有研究针对沥青混合料动稳定度，冻融劈裂强度比和沥青混合料体积膨胀率这三个指标研究水稳定性能。

混合料试验规范中规定集料最大公称粒径小于等于26.5mm时，浸水马歇尔试验采用101.6mm×63.5mm的标准马歇尔试件。按照三种不同设计方法所得的最佳油石比制作2组标准马歇尔试件，每组试件15个。试件成型后每组随机取3个试件测定马歇尔稳定度，如表7所示。每组剩余试件则放入60℃的恒温水槽中保温，然后每隔24h测定试件的马歇尔稳定度。沥青混合料试件浸水残留稳定度如图5、图6所示。

3.4 冻融劈裂试验

图7为用于冻融劈裂试验的试件及准备过程。

计算冻融劈裂试验强度比，得出数据如表9，绘制成图如图9所示。

3.5 粗钢渣的沥青混合料的膨胀性

从试验结果图10发现，浸水后的钢渣沥青混合料无明显的变形，体积膨胀率较小，满足JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》不大于1.5%的要求。具体看，浸水72h后钢渣沥青混合料的体积膨胀量不超过0.4%；浸水144h后的体积膨胀量不超过0.8%；随着浸水时间的延长，钢渣沥青混合料的膨胀量趋于稳定。

4 结语

从本研究的试验结果可以得出，钢渣适用于SMA这类骨架密实型沥青混合料，膨胀性满足规范要求，并具有优良的力学和耐久性。将钢渣替代5mm～15mm粒径的玄武岩集料，SMA-13钢渣沥青混合料表现出很强的高温性能、抗水损害性能和抗滑性能。后续课题组将深化钢渣SMA沥青混合料研究，在提升其各项性能指标的同时，进一步开展降本、降碳研究，以期推动该类沥青混合料在道路工程领域的大规模应用。

参考文献

[1]蒋方听，代莉芳.钢渣沥青混凝土路用性能研究及工程应用试验[J].四川水泥，2024，（09）：248-250.

[2]刘尊青，贾艺璇，姬豪杰，等.钢渣沥青混合料路用性能研究[J].新型建筑材料，2024，51（07）：139-143.

[3]韩方元，万青青，徐新强，等.钢渣沥青混合料配合比设计及路用性能分析[J].交通节能与环保，2024，20（03）：87-91.

作者简介：黄如伟：1981年10月生，中共党员，汉族，上海人，本科，工程师，主要研究方向：市政公用工程施工与管理。