鋼渣瀝青混合料的路用性能研究

李瑞嬌，農(nóng)紀(jì)源，譚 毅，李益小

(1.廣西北部灣投資集團(tuán)有限公司欽北高速公路改擴(kuò)建工程建設(shè)指揮部，廣西 北海 536000；2.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

近年來，隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，廢料的處理逐步進(jìn)入人們視野。目前廢料大致可分為以下幾類：(1)工業(yè)廢料，如纖維素廢料、木質(zhì)素、爐渣、粉煤灰等；(2)城市/生活垃圾，如焚燒爐殘?jiān)?、廢橡膠、廢玻璃和屋頂瓦等；(3)采礦廢料，如煤礦垃圾。傳統(tǒng)掩埋方式，對環(huán)境影響較大，同時(shí)現(xiàn)有很多新型處理方式處理量較小，因此需要尋找一種可以大量利用廢料的處理方法。目前土木工程師正探索可在土木與公路工程領(lǐng)域應(yīng)用的一種技術(shù)合理、成本效益好及環(huán)保的利用方式。

鋼渣是煉鋼過程的副產(chǎn)物，其產(chǎn)量約為粗鋼產(chǎn)量的8%～15%[1]。通過一定的工藝，可使鋼渣的外觀幾何形狀與力學(xué)性能達(dá)到所需要求，并使其具有表面粗糙和耐磨的特點(diǎn)，有望成為瀝青混合料中天然石料的替代品。而我國道路工程領(lǐng)域的鋼渣利用率不足2%[2]。因此，將鋼渣用到瀝青混合料中，有望提高瀝青路面使用質(zhì)量，并且也可能達(dá)到較好的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等效益。

目前大量道路工作中已對鋼渣在瀝青混合料中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。如薛永杰[3]研究了鋼渣在瀝青路面面層中的適用性。周啟偉[4]研究了三種鋼渣瀝青混合料，得到鋼渣瀝青混合料的體積膨脹率和水穩(wěn)定性較好，均滿足規(guī)范要求，且高溫穩(wěn)定性也較好。庹峻瑋[5]研究了AC-13與ATB-25瀝青混合料的高溫、低溫、水穩(wěn)定性、抗滑性能和體積安定性。謝勇等[6]測試了三種鋼渣瀝青混合料(SMA-10、AC-20、ATB-25)的低溫抗裂性、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性以及體積膨脹性能，均符合工程要求。Asi I M[7]研究了Superpave鋼渣瀝青混合料的抗滑性能，并得到30%的摻加量可提高其抗滑性能。Kavussi等[8]研究了鋼渣瀝青混合料的疲勞性能，結(jié)果表明鋼渣可提升瀝青混合料的疲勞性能?？梢姡撛鼘r青混合料的各項(xiàng)路用性能具有一定影響，且這些影響與多種因素有關(guān)，如鋼渣摻入方式、級配類型、瀝青類型、鋼渣的性質(zhì)等，而目前缺乏對鋼渣瀝青混合料的系統(tǒng)研究。因此，本文選取兩種不同骨架結(jié)構(gòu)的瀝青混合料(AC-13和SMA-13)來進(jìn)行鋼渣瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及路用性能分析。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)采用的母體瀝青為SBS改性瀝青。根據(jù)JTE E20-2011[9]，測定的SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)表

集料選用玄武巖，礦粉選用石灰?guī)r，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求[10]。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[11]，測定了鋼渣的相關(guān)性質(zhì)。本文所用鋼渣的級配如表2所示，可見粒徑主要分布在2.36～13.2 mm之間。采用網(wǎng)籃法測得的各檔料的密度和吸水率如表3所示。表3表明鋼渣的相對密度及吸水率均滿足《道路用鋼渣》規(guī)范的要求[12]。鋼渣的壓碎值及洛杉磯磨耗值分別為15.50%和14.34%，均滿足規(guī)范要求。其他相關(guān)技術(shù)指標(biāo)也滿足規(guī)范要求。

表2 鋼渣的級配表

表3 鋼渣的密度及吸水率表

鋼渣的組成成分會受到煉鋼原材料及工藝影響，因此不同來源的鋼渣可能化學(xué)成分變化較大，但經(jīng)過對已有鋼渣的統(tǒng)計(jì)及測試表明，其主要化學(xué)成分基本相同。采用X射線熒光光譜儀測定了其化學(xué)成分，如表4所示。鋼渣的堿度值M可通過化學(xué)組分來計(jì)算，MasonB提出了堿度值計(jì)算公式，即

表4 鋼渣的化學(xué)成分表

(1)

式中，w(CaO)、w(SiO 2)、w(P2O 5)分別為CaO、SiO2及P2O5的含量。根據(jù)堿度值，鋼渣可分為低堿度渣(M<1.8)、中堿度渣(1.82.5)。因此，本研究所用鋼渣為高堿度渣，活性很好。另外，礦物材料也可根據(jù)SiO2的含量來劃分：酸性(w(SiO 2)>65%)、中性(52%

1.2 混合料制備

本文制備AC-13和SMA-13兩種混合料，其礦料組合方式分兩種：(1)玄武巖(粒徑>13.2 mm的粗集料)+鋼渣(粒徑處于2.36～13.2 mm之間的粗集料)+石灰?guī)r(2.36 mm以下的細(xì)集料+礦粉)；(2)玄武巖(粒徑處于2.36～13.2 mm的粗集料)+石灰?guī)r(2.36 mm以下的細(xì)集料+礦粉)。

兩種混合料的設(shè)計(jì)級配取級配范圍中值，如圖1和圖2所示。通常集料所采用的級配理論是體積設(shè)計(jì)理論。實(shí)際工程中，通常采用的是質(zhì)量法來制備瀝青混合料，《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中，將通過率看作質(zhì)量百分率。這對于密度一致或相差不大的集料是可行的，所產(chǎn)生的誤差忽略不計(jì)，但當(dāng)所用集料的密度相差較大時(shí)，就應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的體積-質(zhì)量換算得到不同集料的實(shí)際摻入質(zhì)量的配合比?？紤]到鋼渣的密度比玄武巖大很多，因此本文所用鋼渣是基于體積法對玄武巖的替代。圖1和圖2中的累計(jì)通過率為體積通過率。

圖2 SMA-13瀝青混合料的設(shè)計(jì)級配圖

由于鋼渣為多孔材料，其吸水率較高?？赡軐?dǎo)致表面吸收的瀝青較多，從而影響瀝青吸收系數(shù)的計(jì)算。國內(nèi)規(guī)范《公路工程瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中瀝青吸收系數(shù)C與吸水率的關(guān)系，僅適用于吸水率在0.5%～1.7%范圍內(nèi)的集料。因此，鋼渣的瀝青吸收系數(shù)不能采用規(guī)范中的瀝青吸收系數(shù)公式。同時(shí)考慮到本文所用瀝青為SBS改性瀝青，最大理論密度的計(jì)算必須采用計(jì)算法求取，因此，為回避瀝青吸收系數(shù)所帶來的問題，本文利用廖玉春改進(jìn)的瀝青浸漬法[13]來實(shí)測鋼渣的有效相對密度。獲得有效相對密度后，可根據(jù)下式計(jì)算最大理論相對密度：

(2)

式中，γ1、γ2…、γn——各檔料的有效相對密度(無量綱)；

P1、P2…、Pn——各檔料占礦料總質(zhì)量的百分比(%)；

Pa——瀝青混合料的油石比(%)；

γa——瀝青的25 ℃相對密度(無量綱)。

根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)及計(jì)算的體積參數(shù)，得到瀝青混合料的油石比如表5所示。

表5 不同瀝青混合料的油石比表(%)

2 鋼渣瀝青混合料的路用性能研究

2.1 高溫穩(wěn)定性分析

本文以車轍試驗(yàn)評價(jià)鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。根據(jù)確定的配合比，制備300 mm×300 mm×50 mm的車轍試件，在60 ℃和0.7 MPa的條件下，以42次/min的碾壓速度下，對試件進(jìn)行車轍碾壓。車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同瀝青混合料的動穩(wěn)定度柱狀圖

由圖3可知，AC-13鋼渣瀝青混合料的動穩(wěn)定度較低，SMA-13鋼渣瀝青混合料的動穩(wěn)定度則較高。這表明不同級配的混合料，鋼渣在其中發(fā)揮不同的作用，導(dǎo)致高溫穩(wěn)定性的變化效果具有很大差異。AC-13作為一種懸浮型結(jié)構(gòu)，此時(shí)瀝青用量可能發(fā)揮較大作用，骨料嵌擠作用次之，而鋼渣瀝青混合料的瀝青用量稍大，導(dǎo)致鋼渣瀝青混合料更易發(fā)生變形；而SMA-13為骨架結(jié)構(gòu)，其抗變形能力更取決于集料間的嵌擠，而鋼渣多孔、內(nèi)摩阻力更大，導(dǎo)致鋼渣瀝青混合料的動穩(wěn)定度更大。

2.2 低溫抗裂性能分析

本文以低溫彎曲試驗(yàn)評價(jià)鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。根據(jù)確定的配合比，制備300 mm×300 mm×50 mm的車轍試件，并切割成250 mm×30 mm×35 mmde小梁試件，每種混合料均設(shè)置4個平行試件，然后在-10 ℃的環(huán)境箱中保溫5 h以上，采用UTM-15系統(tǒng)以50 mm/min的加載速率進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。圖4給出了不同瀝青混合料的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果。

由圖4可知，AC-13鋼渣瀝青混合料與AC-13玄武巖混合料的彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變及蠕變勁度模量接近，而對于SMA-13混合料，鋼渣的加入增強(qiáng)了混合料的彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變，卻降低了混合料的蠕變勁度模量，且鋼渣瀝青混合料的斷裂能較大。因此，經(jīng)綜合考慮，鋼渣對玄武巖的體積替代改善了瀝青混合料的低溫抗裂性能。這可能是由于鋼渣具有更多表面孔隙，可吸附更多瀝青，瀝青膜更厚，鋼渣與瀝青的粘附性更好。同時(shí)，鋼渣對SMA混合料的低溫性能改善更加明顯。

(a)彎拉強(qiáng)度

2.3 水穩(wěn)定性分析

本文采用凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)來評價(jià)水穩(wěn)定性。凍融劈裂試驗(yàn)主要采用劈裂抗拉強(qiáng)度比評價(jià)混合料的水穩(wěn)定性。本文首先成型馬歇爾試件，擊實(shí)次數(shù)為50次。每種混合料8個試件，其中4個為非凍融狀態(tài)，在室溫保存；其他4個進(jìn)行凍融處理，先真空保存，再在-18 ℃的冰箱中冷凍16 h，然后在60 ℃恒溫水浴箱中保溫24 h，最終，將8個試件在25 ℃的恒溫水浴箱中保溫2 h。根據(jù)規(guī)范進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，并計(jì)算劈裂抗拉強(qiáng)度比(TSR)，結(jié)果如表6所示。

表6 不同瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比表(TSR)

表6表明，在這兩種級配中，鋼渣對玄武巖的體積替代，對劈裂強(qiáng)度比影響極小，替代前后劈裂強(qiáng)度比非常接近，這說明鋼渣與瀝青具有較好的粘附性，凍融處理對粘結(jié)狀態(tài)的影響較小，水分難以進(jìn)入集料內(nèi)部。另外，SMA級配混合料的劈裂強(qiáng)度比小于AC-13，這說明與懸浮型瀝青混合料相比，水分更易侵入骨架型瀝青混合料。鋼渣瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比TSR滿足規(guī)范要求。

浸水馬歇爾試驗(yàn)根據(jù)JTG E20-2011中的試驗(yàn)方法進(jìn)行。平行試件個數(shù)為3個。表7給出了不同瀝青混合料的殘留馬歇爾穩(wěn)定度。兩種鋼渣瀝青混合料的殘留馬歇爾穩(wěn)定度有所增加，且滿足規(guī)范要求。

表7 不同瀝青混合料的殘留馬歇爾穩(wěn)定度表(%)

由于鋼渣中存在CaO，鋼渣瀝青混合料易產(chǎn)生膨脹破壞，因此，有必要對其膨脹率進(jìn)行檢驗(yàn)。同樣成型馬歇爾試件，總共8個，每組4個平行試件，在60 ℃恒溫水浴中保溫72 h，測定試件的體積膨脹率。試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種鋼渣瀝青混合料的體積膨脹率均<1.5%，且無明顯鼓包現(xiàn)象。

2.4 抗滑性能分析

足夠的瀝青路面抗滑性能對瀝青路面行車安全至關(guān)重要。通常，抗滑性能與集料的外觀形貌、尺寸、表面構(gòu)造深度等有關(guān)。本文采用JTG E60-2008中的擺式摩擦儀法和手工鋪沙法，來測定瀝青混合料的抗滑性能。首先，按確定的配合比成型300 mm×300 mm×50 mm車轍試件，每種混合料4個平行試件。測定結(jié)果如表8所示。

表8 不同瀝青混合料的抗滑性能測試結(jié)果表(%)

由表8可知，鋼渣瀝青混合料具有良好的抗滑性能，且構(gòu)造深度與擺值均比較接近，鋼渣混合料稍高于玄武巖混合料；另外，AC-13瀝青混合料抗滑性能弱于SMA-13瀝青混合料。

3 結(jié)語

(1)鋼渣對懸浮型瀝青混合料的高溫性能有削弱作用，而對于骨架型瀝青混合料則有增強(qiáng)作用。

(2)鋼渣對玄武巖的體積替代改善了瀝青混合料的低溫抗裂性能。且對SMA混合料的低溫性能改善更加明顯。

(3)鋼渣對玄武巖的體積替代，對劈裂強(qiáng)度比、殘留馬歇爾穩(wěn)定度及體積膨脹率影響較小，鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性指標(biāo)可滿足規(guī)范要求。

(4)鋼渣瀝青混合料具有良好的抗滑性能，且構(gòu)造深度與擺值均比較接近，鋼渣混合料稍高于玄武巖混合料。

(5)雖然鋼渣瀝青混合料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足使用要求，但目前仍有一些問題有待進(jìn)一步研究，如鋼渣與瀝青作用的微觀機(jī)理、各路用指標(biāo)改善的主要原因、鋼渣膨脹、鋼渣混合料級配的進(jìn)一步優(yōu)化等。