申鐵軍
山西路橋建設集團有限公司
摘 要：為提高瀝青混凝土上面層的力學性能和穩定性能，文章通過對山西省首個鋼渣瀝青混凝土工程應用的詳細介紹，採用力學指標作為設計參數和以旋轉壓實的成型方式，提出了GTM設計方法對瀝青混合料進行設計，同時得到SMA-13型改性瀝青混合料目標配合比，以達到良好的路用性能。研究結果表明：相比於馬歇爾試驗方法，GTM法設計瀝青混合料路用性能與體積參數均體現出新特點，瀝青混合料試件的膠結料含量較低、密度較高，空隙率及礦料間隙率較小、飽和度較大；混合料的抗水破壞能力、抗高溫車轍能力有所提高。
關鍵詞：道路路面;瀝青混凝土;GTM方法;鋼渣;
作者簡介：申鐵軍（1980-），男，山西沁源人，本科，高級工程師，研究方向：公路工程。;
1 引言
隨着我國交通運輸業的發展，交通量急劇增加，重載、超載等現象十分嚴重，導致路面面層使用了改性瀝青，仍然會出現以車轍、水損害等為主的不同程度的早期破壞現象[1]。近年來，為緩解瀝青路面早期破壞現象，專家學者對摻鋼渣的瀝青混合料開展了大量的試驗研究。肖光書[2]用鋼渣作為集料對AC-16型改性瀝青混凝土進行路用性能研究，同時與用砂岩集料作對比，結果表明，與砂岩相比，鋼渣瀝青混凝土最佳油石比比砂岩高出0.5%，其高溫性能和水穩定性良好，低溫抗裂性和抗滑性能較砂岩表現更為優異。趙彥飛[3]通過研究不同礦料與不同鋼渣摻加量對瀝青路面性能的影響，發現鋼渣瀝青混凝土路面比石灰岩瀝青混凝土路面高溫穩定性和水穩定性能更好，但鋼渣摻加量過多會導致瀝青路面體積膨脹。孫吉書等[4]對摻鋼渣SBS改性瀝青混凝土自修復性能進行試驗研究，試驗結果表明粒徑1.0mm、摻6%的鋼渣具有較好的力學性能和修復效率。
山西蟒河至陽城高速公路於2018年開始路面施工，由於山西重載煤碳運輸的特殊性，路面設計右幅（山西至外省方向）為特重交通，具體為4cm SMA-13超重載瀝青混合料上面層+6cm AC-20改性瀝青混凝土（摻抗車轍劑）中面層+10cm 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。本文以此工程為例，採用GTM法對鋼渣瀝青混凝土路用性能進行研究，旨在為類似工程提供借鑒與參考。
2 試驗原材料性能分析
採用GTM方法進行SMA-13型改性瀝青混合料目標配合比設計。採用的原材料為：山西省太原鋼鐵集團鋼渣作為9.5mm～16mm、4.75mm～9.5mm粗集料，石灰岩作為0～1.18mm、1.18mm～2.36mm細集料，石灰岩礦粉，瀝青為SBS改性瀝青，木質素纖維摻量為0.39%。
2.1 鋼渣理化性能與路用性能分析
2.1.1 鋼渣化學成分及礦物組成
鋼渣在1500℃～1700℃的高溫下表現出液體狀態，通過高溫水淬等一系列生產工藝，凝結硬化後形成了固體鋼渣。主要成分見表1。
表1 鋼渣的化學組成 下載原圖
2.1.2 鋼渣重金屬浸出濃度
經重金屬溶出實驗，鋼渣的重金屬完全滿足工業污水綜合排放標準，鋼渣作為公路集料不會造成二次污染，其重金屬浸出濃度見表2。
表2 鋼渣的重金屬元素浸出濃度 下載原圖
2.1.3 鋼渣物理特性及膨脹性試驗
鋼渣物理特性及膨脹性試驗結果見表3。
表3 鋼渣集料物理性能指標 下載原圖
2.1.4 鋼渣路用性能分析
通過表1、表2和表3可以看出，鋼渣可以作為瀝青混凝土中碎石的代替材料，同時也要注意，鋼渣中含有遊離氧化鈣，可能緩慢產生一定的破壞性膨脹，故而，本項目採用陳化時間長的山西省太原鋼鐵集團的舊渣，通過水洗破碎降低曝露膨脹位點；對鋼渣分級利用，將4.75mm以上粗鋼渣用作瀝青路面耐磨集料，按《公路工程集料試驗規程》（JYG E42-2005)T0348進行鋼渣浸水膨脹率試驗，對在山西蟒河至陽城高速公路瀝青路面施工作業的路面上面層不會產生不良作用。高振鑫等[5]認為鋼渣複雜的內部孔隙結構增大了瀝青、鋼渣集料間的有效接觸面積，提高了瀝青、鋼渣集料間的粘結性，顯著地改善了瀝青混合料水穩定性能。
2.2 其他原材料性能分析
2.2.1 改性瀝青
SBS改性瀝青所檢測項目符合關於SBS類I-D級改性瀝青技術要求，檢測結果見表4。
表4 SBS改性瀝青檢測結果 下載原圖
2.2.2 粗細集料、填料、纖維
鋼渣作為9.5mm～16mm、4.75mm～9.5mm粗集料，石灰岩作為0～1.18mm、1.18mm～2.36mm細集料。礦粉為石灰岩礦粉，礦料質量的0.39%為纖維摻量。細集料、礦粉及纖維性能檢測結果分別見表5、表6和表7。
3 試驗方法及設計
3.1 試驗設計方法比選
在實際工程中，瀝青混合料配合比設計方法主要有馬歇爾法、Superpave法和GTM法。本文通過對比馬歇爾法和GTM法，選出最優的設計方法對鋼渣瀝青混凝土進行試驗研究。
表5 細集料檢測結果 下載原圖
表6 礦粉檢測結果 下載原圖
表7 纖維性能檢測結果 下載原圖
馬歇爾法是以體積指標控制設計過程，操作簡單，配套儀器價格相對低廉，但採用該方法時，試件成型的錘擊次數和路面碾壓的壓實功不存在內在聯繫，其壓實度標準較低，極易產生壓密型車轍[6,7]。GTM法是以力學指標進行混合料配合比設計，採用極限平衡狀態成型試件，以此設計的瀝青混合料具有壓實度要求高、空隙率小、油石比低等特點[8,9,10]，同時瀝青路面抗車轍能力、路面病害等都有所改進提高[11]。柴金玲等[12]研究發現GTM法對低溫抗凍損能力、高溫穩定性能的改善效果突出，隨溫度升高，GTM法設計的高溫抗車轍能力更高，具有更低的高溫敏感性。最新試驗數據顯示，以AC-13為例，與馬歇爾設計方法相比，GTM方法瀝青用量降低到6%±0.3%，礦料間隙率（VMA）降低到12.0%±0.3%，空隙率（VV）降低到2.5%±0.3%，穩定度增大了12.0%以上，毛體積相對密度增大到2.73%±0.03%,60℃動穩定度增大了27.0%±0.3%，殘留穩定度增大了5.0%±0.3%，凍融劈裂強度比增大了9.0%±0.3%，低溫彎曲破壞應變提高了5.0%±0.3%。
基於以上分析比較，本文採用GTM設計方法對鋼渣瀝青混凝土進行試驗研究。
3.2 配合比級配設計
3.2.1 三組不同粗細的礦料級配
SMA-13型瀝青混合料各組初試級配的礦料組成級配見表8。
表8 各組初試級配（VCADRC）試驗結果 下載原圖
3.2.2 礦料級配的最終確定
根據SMA-13型改性瀝青混合料初試瀝青用量的相關資料確定SMA-13型瀝青混合料的初試油石比為6.1%。在該初試油石比條件下根據《公路瀝青路面施工技術規範》（JTG F40-2004）附錄C.3.8、B.5.10計算，各初試級配下SMA-13型試件體積參數見表9。
表9 各初試級配下SMA-13型改性瀝青混合料馬歇爾試件體積參數 下載原圖
圖1 SMA-13型瀝青混合料礦料級配圖 下載原圖
由表9和圖1可知，級配2混合料馬歇爾試件的各項參數指標均滿足規範要求；級配1混合料馬歇爾試件的空隙率和瀝青飽和度不滿足規範要求；級配3混合料馬歇爾試件的礦料間隙率和空隙率不滿足規範要求。綜合考慮，選擇級配2作為設計級配。
3.3 最佳油石比的確定
根據所確定的設計級配及其在初試油石比下的馬歇爾成型試件的空隙率結果，選擇油石比為5.8%、6.1%和6.4%，按上述條件成型GTM試件。試驗結果見表10、表11和圖2、圖3。
表10 SMA-13型GTM試件試驗結果 下載原圖
表11 SMA-13型GTM試件試驗結果 下載原圖
圖2 GSF隨油石比變化曲線圖 下載原圖
圖3 GSI隨油石比變化曲線 下載原圖
由表10、表11及圖2、圖3可知，判定瀝青混合料這種粒狀塑性材料是否會出現塑性變形過大現象的指標GSI（穩定係數）隨油石比的增加而增加；當油石比值大於6.10%後，GSI大幅度增大，曲線已呈急劇增加趨勢，表明混合料中的改性瀝青已過量，試件的塑性變形過大；從反映改性瀝青混合料抗剪強度參數GSF（安全係數）隨油石比值的變化情況來看，油石比值等於6.10%時，GSF值最大，而當油石比值大於6.10%時，隨油石比值增加，GSF值減小。綜合考慮GTM試驗結果和體積參數的大小及變化趨勢，SMA-13型最佳油石比值確定為6.10%。考慮到該工程所處的地區氣候特點、高速公路渠化交通的特點以及便於施工控制，建議此瀝青混合料的油石比值控制範圍為5.90%～6.30%。綜上所述，確定SMA-13型目標配合比設計結果為：9.5mm～16mm:4.75mm～9.5mm:1.18mm～2.36mm:0～1.18mm：礦粉=28.0:46.0:6.0:10.0:10.0，纖維摻量為瀝青混合料總質量的0.39%，最佳油石比值為6.10%。
4 GTM方法設計SMA-13型改性瀝青混合料性能檢驗
4.1 謝倫堡瀝青析漏試驗
GTM方法設計的SMA-13型改性瀝青混合料在最佳油石比6.10%下，謝倫堡瀝青析漏（185℃，1h）為0.05%，滿足技術要求（≤0.1%）。
4.2 肯塔堡飛散試驗
肯塔堡飛散試驗結果表明，GTM方法設計的SMA-13型改性瀝青混合料在最佳油石比6.10%下，肯塔堡磨耗率為0，滿足技術要求（≤15.0%）。
4.3 水穩定性、車轍檢驗
GTM方法設計的SMA-13型改性瀝青混合料經水穩定性和車轍檢驗，殘留穩定度90.3%≥85.0%；凍融劈裂試驗殘留強度比86.2%≥85.0%；動穩定度6150次/mm≥5000次/mm；變異係數8.7%≤20%。
4.4 目標配合比設計結果
SMA-13型鋼渣混合料目標配合比設計結果見表12。
表12 SMA-13型鋼渣混合料目標配合比設計結果 下載原圖
5 現場實測驗證
山西蟒河至陽城高速公路瀝青路面的成功鋪築，是鋼渣瀝青混凝土在山西省的首次成功應用，現場實測結果見表13。
6 結語
在對試驗用原材料性能尤其是鋼渣路用性能分析的基礎上，通過GTM設計方法的優勢分析，提出了SMA-13的優化級配，進而對SMA-13型改性瀝青混合料進行性能檢驗，最後工程實例的現場實測驗證了GTM設計方法的優勢所在，得到以下結論：
①採用GTM方法試驗的SMA-13型鋼渣瀝青混凝土穩定度高，抗滲性好、粘附性好。通過室內試驗、室外檢測，油石比為6.1%、構造深度為1.2mm、動穩定度達6000次/mm以上，具有很好的路用性能。
②與馬歇爾設計方法相比，GTM方法確定的最佳油石比明顯下降，瀝青飽和度（VFA）和毛體積相對密度偏高，礦料間隙率（VMA）和空隙率（VV）偏低，所以不適合採用馬歇爾方法來進行指標控制。同時，在此條件下，試驗得出的體積參數還需對室外現場路用性能進行相應驗證。
表13 現場實測項目 下載原圖
參考文獻
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