趙 剛

(山西省交通科學(xué)研究院 太原 030006)

0 引 言

瀝青混凝土由于具有優(yōu)良的抗滑、耐磨、行車(chē)舒適等使用性能，而被廣泛用于高等級(jí)路面的建設(shè)中.在瀝青混凝土中，礦物材料(骨料和填料)占總瀝青混合料質(zhì)量的90%以上[1]，因此，瀝青路面的鋪筑需要消耗大量的天然礦物集料，這種供需間的不平衡導(dǎo)致了自然資源面臨巨大的供應(yīng)壓力[2].自然資源保護(hù)和資源綜合利用是瀝青路面的未來(lái)發(fā)展方向，因此，研究人員嘗試在瀝青混合料中加入煙氣脫硫渣、鋼渣等工業(yè)廢渣，以減少對(duì)自然資源的開(kāi)采[3].

鋼渣是煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的一種典型工業(yè)廢物，其產(chǎn)量為粗鋼產(chǎn)量的12%～20%[4].主要的礦物相為硅酸二鈣、硅酸三鈣及硅、鎂、鐵、錳、磷的氧化物形成的固熔體.鋼渣雖然是伴隨煉鋼產(chǎn)生的廢渣，但其具有優(yōu)良的耐磨、抗壓、抗滑等材料性能，滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)瀝青路面用集料提出的要求[5-6].

國(guó)外許多發(fā)達(dá)國(guó)家很早就將鋼渣利用到道路建設(shè)中，歐洲國(guó)家鋼渣的應(yīng)用范圍很廣，且利用率很高，僅有13%的鋼渣廢棄.道路建設(shè)作為利用最有效的一個(gè)方面，消耗了近50%的鋼渣總量[7].而我國(guó)目前鋼渣總利用率不超過(guò)20%，將其作為路用集料使用的部分更是低于2%.目前我國(guó)積存的鋼渣在1億t以上，且每年仍以數(shù)百萬(wàn)t的排渣量在增加，若不及時(shí)對(duì)其進(jìn)行處理，將會(huì)造成不可估量的后果[8].

用鋼渣制備瀝青混合料的可行性在實(shí)驗(yàn)室得到了很好的評(píng)估：研究結(jié)果表明，鋼渣粗集料可以提高瀝青混合料的水分穩(wěn)定性、抗疲勞性、高溫抗變形性以及防滑性能，但將鋼渣作為填料替代礦粉應(yīng)用在瀝青混凝土中的研究還較少，因此，為了促進(jìn)鋼渣的高效利用，本文首先研究了鋼渣粉和礦粉在表面形貌、化學(xué)組成、粒度分布上的差異，然后將鋼渣粉作為填料制備得到鋼渣粉瀝青混合料，并將其與石灰石礦粉制備得到的石灰石粉瀝青混合料對(duì)比，通過(guò)間接拉伸強(qiáng)度、斷裂能等技術(shù)指標(biāo)研究了兩者對(duì)瀝青混凝土抗裂性的影響.

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本研究中兩種瀝青混合料所用的瀝青均為70#基質(zhì)瀝青，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，粗集料和細(xì)集料均為石灰石，礦粉為石灰石磨細(xì)的礦粉，鋼渣粉由上海寶鋼提供的鋼渣顆粒(粒徑16～31.5 mm)磨細(xì)而成.兩種礦粉的性能均滿(mǎn)足規(guī)范要求，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2.

表1 70#基質(zhì)瀝青基本技術(shù)指標(biāo)

表2 集料和填料的基本技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

兩種礦粉的表面形貌由日本某公司的JSM-5610LV掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)得，化學(xué)成分由荷蘭某公司的X射線(xiàn)衍射儀(XRF)測(cè)得.本研究中兩種瀝青混凝土均采用Superpave方法設(shè)計(jì)，最大公稱(chēng)粒徑為12.5 mm.設(shè)計(jì)當(dāng)量單軸荷載系數(shù)(ESALs)為300萬(wàn)～1 000萬(wàn)次，設(shè)計(jì)環(huán)境溫度為41～43 ℃.級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖1，集料占瀝青混合料總體積的95%，填料占瀝青混合料總體積的5%，Superpave法測(cè)定兩種瀝青混合料的最佳瀝青含量均為5.0%.

圖1 瀝青混合料的級(jí)配曲線(xiàn)

樣品按照如下過(guò)程制備得到：首先在Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀(SGC)中制備高度為100 mm、直徑為150 mm的圓柱形試樣，然后使用取芯機(jī)鉆取高度為100 mm、直徑為100 mm的圓柱形芯樣，最后通過(guò)切割機(jī)進(jìn)一步處理，得到高度為50 mm、直徑為100 mm的樣品.兩種瀝青混合料各含有四個(gè)樣品，使用材料試驗(yàn)機(jī)(MTS)對(duì)樣品進(jìn)行加載破壞試驗(yàn)，加載恒定變形速率為50 mm/min，測(cè)試溫度為14 ℃.

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌

鋼渣粉和石灰石粉的表面形貌見(jiàn)圖2.由圖2可知，兩種礦粉的粒徑分布在0～40 μm，完全滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的小于75 μm的要求，鋼渣粉和石灰石顆粒都具有明顯的邊緣、拐角，以及粗糙的表面紋理，這有助于礦粉和瀝青間的黏結(jié).石灰石顆粒分布較為均勻，而鋼渣粉顆粒聚集較少，這可能與鋼渣中含有較多硅酸鹽礦物有關(guān).

圖2 SEM圖像

2.2 化學(xué)組成

表3總結(jié)了兩種礦粉的化學(xué)組成.由表3可見(jiàn)石灰石粉XRF結(jié)果中主要含有CaO和一定量的SiO2，這表明石灰石粉為一種堿性填料.堿性填料可以加強(qiáng)瀝青膠漿內(nèi)部的黏結(jié)力和集料與瀝青膠漿之間的黏結(jié)力，因此，石灰石粉被廣泛用作瀝青填料.因?yàn)槭沂鄣闹饕V物相為CaCO3，所以XRF測(cè)試期間會(huì)釋放大量的CO2，導(dǎo)致其燒失量較高.此外石灰石礦粉XRF數(shù)據(jù)中CaO含量與燒失量的比例約為1.24，與CaCO3中CaO與CO2的相對(duì)分子質(zhì)量比(1.27)相近，驗(yàn)證了石灰石礦粉中的主要成分為CaCO3.

表3 兩種礦粉的XRF測(cè)試結(jié)果

已有研究表明鋼渣也是一種堿性物質(zhì)，而其堿性程度可以用堿度M評(píng)價(jià)，堿度的計(jì)算為

M=w(CaO)/[w(SiO2)+w(P2O5)]

(1)

式中：M為堿度；w(CaO)，w(SiO2)和w(P2O5)分別為XRF測(cè)試結(jié)果中CaO，SiO2和P2O5的質(zhì)量分?jǐn)?shù).按照堿度的大小，鋼渣的分類(lèi)主要有三種：當(dāng)M<1.8時(shí)為低堿度鋼渣；1.82.5時(shí)為高堿度鋼渣.

結(jié)果表明，本研究中使用的鋼渣粉堿度為2.8，根據(jù)堿度標(biāo)準(zhǔn)劃分為高堿度鋼渣，高堿度也使得鋼渣粉成為一種潛在的瀝青填料.除CaO外，鋼渣粉XRF結(jié)果還顯示其中含有29.22%的Fe2O3，這主要與原始鋼渣中所含的游離單質(zhì)鐵、氧化鐵以及鐵固溶體有關(guān).

2.3 粒度分布

鋼渣粉和礦粉SSP和LP的粒度分布見(jiàn)圖3，規(guī)范規(guī)定以0.6 mm的篩分尺寸作為分界點(diǎn)，填料在該篩分尺寸下的通過(guò)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要小于100%.測(cè)試結(jié)果表明，鋼渣粉和石灰石粉的粒度分布均符合規(guī)范要求.在粒度分布控制范圍內(nèi)，鋼渣粉的通過(guò)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要高于石灰石粉通過(guò)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中鋼渣粉的通過(guò)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.075，0.15 mm篩分尺寸下比石灰石粉的通過(guò)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高10%左右，而在0.3 mm篩分尺寸下比石灰石粉的通過(guò)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高5%左右，這表明鋼渣粉的粒度分布更加復(fù)雜，顆粒略顯粗糙.以前研究中更細(xì)的鋼渣粉也是在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)研磨大顆粒鋼渣而獲得的，這表明碾磨過(guò)程直接影響了鋼渣粉的粒度分布.

圖3 鋼渣粉和石灰石粉的粒度分布

2.4 間接拉伸強(qiáng)度和斷裂能

兩種瀝青混合料的間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4.由圖4可知，即使同一種瀝青混合料制備得到的測(cè)試樣品，不同樣品的應(yīng)變-間接拉伸強(qiáng)度曲線(xiàn)仍然存在一定的波動(dòng)差異.為了量化波動(dòng)的變化情況，表4統(tǒng)計(jì)了兩種瀝青混凝土不同試樣的應(yīng)變和間接拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果.由表4可知，鋼渣粉瀝青混合料的平均間接拉伸強(qiáng)度比石灰石粉瀝青混合料的平均間接拉伸強(qiáng)度低3.0%，而鋼渣粉瀝青混合料的平均破壞應(yīng)變比石灰石粉瀝青混合料的平均破壞應(yīng)變高19.2%.此外四個(gè)鋼渣粉瀝青混合料試樣測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差更大，因此，鋼渣粉瀝青混合料的波動(dòng)水平比石灰石粉瀝青混合料更明顯.

圖4 兩種瀝青混合料間接拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

表4 兩種瀝青混合料間接拉伸強(qiáng)度和應(yīng)變統(tǒng)計(jì)結(jié)果

間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)獲得的間接拉伸強(qiáng)度和應(yīng)變不足以評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗裂性，這是因?yàn)殇撛酆偷V粉瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度相差不大，而且僅采用間接拉伸強(qiáng)度或者應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)，方法單一，無(wú)法全面反映瀝青的抗裂性能.因此本文綜合間接拉伸強(qiáng)度和應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)，采用斷裂能評(píng)價(jià)兩種瀝青混合料的抗裂性能，計(jì)算公式為

(2)

式中：FE為斷裂能，kJ/m3；S(ε)和ε分別為瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度和應(yīng)變；εf為破壞應(yīng)變.表5為兩種瀝青混合料斷裂能計(jì)算結(jié)果，由表5可知，鋼渣粉瀝青混合料的平均斷裂能較大，比石灰石粉瀝青混合料的斷裂能高13%.這表明鋼渣粉的加入提高了瀝青混合料的抗裂性能.同時(shí)鋼渣粉瀝青混合料斷裂能的標(biāo)準(zhǔn)差大于石灰石粉瀝青混合料，表明鋼渣粉復(fù)雜的成分和結(jié)構(gòu)組成影響了結(jié)果的波動(dòng)性.

表5 兩種瀝青混合料斷裂能計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

1) 鋼渣粉和礦粉顆粒棱角分明，均具有粗糙的表面形貌；化學(xué)組成表明鋼渣粉是高堿度礦渣填料.粗糙的表面形貌和高堿度有助于填料與瀝青之間的粘結(jié).

2) 鋼渣瀝青混合料的斷裂能比石灰石粉瀝青混合料的斷裂能高13%，因此摻加鋼渣粉后提高了瀝青混合料的抗裂性能，同時(shí)由于成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的原因，鋼渣粉瀝青混合料對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)水平更為明顯.