鋼渣對(duì)瀝青混凝土性能提升研究

寧黎磊

(湖南省白南高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410016)

交通量的增加導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)加速出現(xiàn)車轍、開裂等病害[1]，為了防治這些路面病害，可以在進(jìn)行路面設(shè)計(jì)時(shí)改變集料的類型和尺寸[2]、使用改性瀝青[3]等。鋼鐵是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的重要基礎(chǔ)原材料，我國每年產(chǎn)生鋼渣超過1億t，但有效利用率不到30%[4]，造成了極大的浪費(fèi)與環(huán)境污染。鋼渣的化學(xué)成分主要包括CaO、SiO2、Al2O3、MgO和Fe2O3等，具有道路鋪裝應(yīng)用所需的高強(qiáng)度和高耐久性[5]。在瀝青混合料中使用鋼渣作為粗集料，可以改善路面在穩(wěn)定性、抗滑性、永久變形和抗裂性等方面的性能[6]。在民用基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目中使用鋼渣作為建筑材料將大大減少這種廢棄物的填埋。近年來，鋼渣開始廣泛應(yīng)用于土木工程建設(shè)中，如用作路堤填料、路面基層和基底填料等[7]。在瀝青路面中，鋼渣的使用可提高路面的耐久性和穩(wěn)定性。

瀝青混凝土的性能本質(zhì)上取決于集料、瀝青和級(jí)配的類型。大多數(shù)瀝青混凝土使用石灰石(L)和花崗巖(G)作為集料，在交通量較大的高速公路上，常使用成本較高的聚合物改性瀝青作為膠結(jié)料。為了最大限度降低成本，可在70#基質(zhì)瀝青混凝土中，選用堅(jiān)固耐用的鋼渣作骨料，以得到石灰石-SBS(L-SBS)或花崗巖-SBS(L-G-SBS)瀝青混凝土的高性能路面?，F(xiàn)有對(duì)鋼渣混凝土的研究集中在鋼渣粉末填料對(duì)瀝青混凝土性能的影響[8]以及采用鋼渣完全代替碎石的瀝青混凝土[9-10]等方面，很少分析不同粒徑的鋼渣對(duì)瀝青混凝土性能提升的差異。

基于此，本研究對(duì)鋼渣瀝青混凝土(L-S型)、石灰石瀝青混凝土(L型)和花崗巖瀝青混凝土(L-G型)的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并與同類別的SBS混凝土進(jìn)行了比較。 通過間接抗拉強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)劈裂回彈模量、動(dòng)態(tài)蠕變、間接拉伸疲勞和車轍試驗(yàn)等性能試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了鋼渣作為瀝青混凝土集料的優(yōu)勢(shì)。本研究可促進(jìn)鋼渣在瀝青路面中的使用，進(jìn)而促進(jìn)瀝青混凝土路面系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，節(jié)約自然資源，減少能源使用，減少溫室氣體排放。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本研究使用石灰石、花崗巖、鋼渣作為集料。其主要力學(xué)性能指標(biāo)見表1，測(cè)試值均符合我國公路施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。選用70#基質(zhì)瀝青以及SBS改性瀝青作為膠結(jié)料，其三大指標(biāo)見表2。

表1 集料的基本性質(zhì)%集料類型洛杉磯磨耗值堅(jiān)固性沖擊值壓碎值磨光值石灰石22.901.6013.6018.9045.80花崗巖19.701.7018.2018.3050.50鋼渣17.100.6013.9018.4050.60

1.2 配合比與試樣制備

為了研究瀝青種類、集料類型、鋼渣對(duì)瀝青混合料性能的影響，將3種集料按粒徑分別分成了4檔：a檔(<4.75 mm)、b檔(<9.5 mm)、c檔(<19 mm)、d檔(<26.5 mm)。根據(jù)馬歇爾混合料設(shè)計(jì)方法制備了10種不同類型的瀝青混凝土試件，如表3所示。由于石灰石更容易銑削，因此a檔集料均由石灰石組成。為了避免級(jí)配的影響，所有類型的混合料都采用相同的級(jí)配，級(jí)配設(shè)計(jì)曲線如圖1所示。

表2 瀝青性能指標(biāo)類別項(xiàng)目針入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm延度[15 ℃(基質(zhì)瀝青)/5 ℃(SBS瀝青),5 cm/min]/cm軟化點(diǎn)(環(huán)球法)/℃動(dòng)力黏度/(Pa·s)60 ℃135 ℃蠟含量/%70#基質(zhì)瀝青試驗(yàn)結(jié)果67>10049.5197.1—2.0技術(shù)要求60～80≥100≥46≥180—2.2SBS改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果6445.364.2—2.4—技術(shù)要求60～80≥30≥55—≤3—

表3 瀝青混凝土試件類型試件類型集料類型a檔b檔c檔d檔瀝青種類最佳瀝青用量/%L型LLLL70#基質(zhì)瀝青4.5L-G型LGGG70#基質(zhì)瀝青4.6LS3型LSSS70#基質(zhì)瀝青5.0LS2型LLSS70#基質(zhì)瀝青4.8LS1型LLLS70#基質(zhì)瀝青4.7L-SBS型LLLLSBS改性瀝青4.5L-G-SBS型LGGGSBS改性瀝青4.6LS3-SBS型LSSSSBS改性瀝青5.0LS2-SBS型LLSSSBS改性瀝青4.8LS1-SBS型LLLSSBS改性瀝青4.7

圖1 瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)曲線

車轍試驗(yàn)采用RCENLD-II氣動(dòng)型振動(dòng)壓實(shí)機(jī),成型尺寸為400 mm×300 mm×50 mm的車轍板試件，其余試驗(yàn)用馬歇爾擊實(shí)儀成型63.5 mm高、直徑101.6 mm的圓柱形試件。本研究的所有瀝青混凝土的空隙率均為4%，試驗(yàn)確定瀝青最佳用量為5%，馬歇爾試驗(yàn)所測(cè)得穩(wěn)定度以及流值見表4。

1.3 性能測(cè)試

為了研究瀝青混凝土的抗裂性能，根據(jù)規(guī)范開展了劈裂拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為25 ℃，加載速率為50.80 mm/min，記錄試樣破壞時(shí)的荷載峰值。為了研究瀝青混凝土的疲勞特性，根據(jù)規(guī)范開展了劈裂拉伸疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度25 ℃，對(duì)試樣施加加載周期為120 ms、峰值為400 kPa的半正交循環(huán)荷載，繪制試樣豎向變形累計(jì)曲線圖。

動(dòng)態(tài)回彈模量試驗(yàn)是瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)過程中確定瀝青混凝土路用性能的重要手段，動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)用動(dòng)應(yīng)力和相應(yīng)的應(yīng)變來衡量瀝青混凝土的路面響應(yīng)，可用于評(píng)價(jià)瀝青混凝土的彈性性能。本研究通過動(dòng)態(tài)劈裂拉伸試驗(yàn)測(cè)定瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)回彈模量，試驗(yàn)應(yīng)力為劈裂拉伸強(qiáng)度的15%，頻率為1 Hz(加載時(shí)間0.1 s、卸載時(shí)間0.9 s)，加載次數(shù)為200次。本試驗(yàn)取最后5次加載循環(huán)中荷載的平均幅值、回彈變形平均幅值來計(jì)算回彈模量。

表4 馬歇爾設(shè)計(jì)參數(shù)試件類型瀝青含量/%穩(wěn)定度/kN流值/mm密度/(g·cm-3)VV/%VMA/%VFA/%L型5.010.214.822.424.0014.6973.17L-G型5.110.374.792.364.0014.4271.73LS3型5.514.934.432.724.0015.3474.16LS2型5.313.964.672.634.0015.3473.91LS1型5.210.744.732.634.0015.3474.27L-SBS型5.014.423.682.434.0014.6672.75L-G-SBS型5.114.613.732.384.0014.3772.19LS3-SBS型5.522.063.062.714.0015.2573.48LS2-SBS型5.317.543.432.614.0015.3174.06LS1-SBS型5.214.383.602.574.0014.9273.23

動(dòng)態(tài)蠕變和車轍試驗(yàn)通常用于評(píng)價(jià)瀝青混凝土抵抗永久變形的能力[8-9]。動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)是通過對(duì)樣品施加動(dòng)態(tài)載荷，然后用線性位移傳感器(LVDT)測(cè)量樣品卸載后的永久變形。根據(jù)規(guī)范選擇加載條件，對(duì)不同瀝青混凝土的相對(duì)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定其抗永久變形能力。

車轍試驗(yàn)結(jié)果可以預(yù)測(cè)車轍特性，與瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)性能有很好的相關(guān)性。根據(jù)規(guī)范要求，采用輪轍試驗(yàn)機(jī)評(píng)定瀝青混凝土的車轍性能，試驗(yàn)溫度為40 ℃，胎壓為0.7 MPa。試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)輪保持以(26.5±1)個(gè)/min荷載循環(huán)的恒定頻率進(jìn)行加載。記錄加載次數(shù)分別為1000、3000、4000、14000、34000次時(shí)試件表面的變形量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過馬歇爾試驗(yàn)及性能試驗(yàn)對(duì)各瀝青混凝土進(jìn)行了評(píng)價(jià)，探討瀝青混凝土中摻入鋼渣(S)集料的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)研究基質(zhì)瀝青和SBS瀝青對(duì)瀝青混凝土的影響。

2.1 馬歇爾穩(wěn)定度

根據(jù)表4可知，所有類型瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)定度均超過了10 kN，且SBS瀝青混凝土的穩(wěn)定度比相同集料類型的基質(zhì)瀝青高25.6%～47.8%。瀝青膠結(jié)料相同時(shí)，L型瀝青混凝土與L-G型瀝青混凝土的穩(wěn)定度幾乎相同。LS3型、LS2型、LS1型瀝青混凝土的穩(wěn)定度分別比L型瀝青混凝土高46.2%、36.7%、5.2%；LS3-SBS型、LS2-SBS型改性瀝青混凝土的穩(wěn)定度分別比L-SBS型改性瀝青混凝土高53.0%、21.6%。結(jié)果表明混合料中摻入鋼渣可顯著提高馬歇爾穩(wěn)定性，此外，LS3型瀝青混凝土穩(wěn)定度與L-SBS型和L-G-SBS型改性瀝青混凝土相當(dāng)，而后兩者的成本更高，所消耗的自然資源也更多。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

圖2為25 ℃時(shí)集料類型與劈裂抗拉強(qiáng)度(ITS)的關(guān)系。瀝青膠結(jié)料相同時(shí)，L型瀝青混凝土的ITS最高，而L-G型瀝青混凝土最低；SBS改性瀝青混凝土比基質(zhì)瀝青混凝土的ITS值高20.4%～51.3%，具體增加的ITS值取決于集料的種類與比例。LS3型、LS2型、LS1型瀝青混凝土的ITS分別比L型低22.6%、15.4%和24.0%；LS3-SBS型、LS2-SBS型、LS1-SBS型瀝青混凝土的ITS值分別比L-SBS型瀝青混凝土低26.6%、7.6%和12.7%。雖然使用鋼渣作為骨料降低了瀝青混凝土的ITS值，但仍能符合使用要求。

圖2 集料類型與劈裂強(qiáng)度的關(guān)系

2.3 劈裂拉伸疲勞壽命

各類瀝青混凝土的劈裂拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖可以看出，集料類型相同時(shí)，SBS瀝青混凝土疲勞壽命比70#基質(zhì)瀝青混凝土高；未加入鋼渣時(shí)，石灰石瀝青混凝土的疲勞壽命值均高于花崗巖瀝青混凝土，這與石灰石瀝青混凝土的ITS值較高有關(guān)；對(duì)于同一種瀝青，使用鋼渣的瀝青混凝土疲勞壽命高于石灰石和花崗巖瀝青混凝土，且疲勞壽命隨著鋼渣含量的增多而增高；其中，LS3型、LS3-SBS型瀝青混凝土疲勞壽命分別是L型、L-SBS型的1.61、5.19倍，很明顯，鋼渣可以大幅提升瀝青混凝土的疲勞壽命，對(duì)SBS瀝青混凝土而言尤為明顯。

圖3 10種瀝青混凝土的疲勞壽命

2.4 動(dòng)態(tài)回彈模量

圖4為回彈模量與集料類型的關(guān)系。集料類型與比例相同的情況下，SBS瀝青混凝土的模量比基質(zhì)瀝青混凝土高26.5%～39.7%；L-G型、L-G-SBS型瀝青混凝土的模量分別比L型、L-SBS型瀝青混凝土高，這表明加入花崗巖比單純使用石灰石作為集料的瀝青混凝土有著更高的抗車轍能力，但瀝青種類相同時(shí)，L-G型瀝青混凝土的回彈模量仍比LS3-瀝青混凝土低。

基質(zhì)瀝青作為膠結(jié)料時(shí)，LS3、LS2、LS1型3種瀝青混凝土的模量分別比L型瀝青混凝土高43.6%、21.9%、5.6%； SBS瀝青作為膠結(jié)料時(shí)，LS3、LS2、LS1型3種瀝青混凝土的模量分別比L型瀝青混凝土高35.7%、10.4%、4.0%。從圖4可以看出，使用鋼渣作為集料提高了瀝青混凝土的礦料間隙率(VMA)，而高VMA使得混合料具有更高的抵抗變形能力以及強(qiáng)度[11]，因此，模量隨著鋼渣替換率的增加而增加，LS3型瀝青混凝土模量達(dá)到3672.67MPa，高于L-SBS型瀝青混凝土的3571.33MPa以及L-G型瀝青混凝土3159.75MPa。這表明，與成本較高的L-SBS型瀝青混凝土相比，摻入鋼渣的基質(zhì)瀝青混凝土具有更高的模量。

圖4 集料類型與動(dòng)態(tài)回彈模量的關(guān)系

2.5 動(dòng)態(tài)蠕變

動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)是預(yù)測(cè)瀝青混凝土永久變形的高可靠性試驗(yàn)。圖5為加入鋼渣前后動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果對(duì)比。圖5a表明LS3型瀝青混凝土的永久軸向應(yīng)變比L型瀝青混凝土低約1.57倍，這與LS3型瀝青混凝土具有較高的模量是相符的。圖5b給出了L型瀝青混凝土和LS3型瀝青混凝土的累積永久變形與荷載循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。雖然瀝青混凝土的累積永久應(yīng)變隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加而增加，但在相同的荷載循環(huán)次數(shù)下，LS3型基質(zhì)瀝青混凝土的永久變形低于L型基質(zhì)瀝青混凝土。

2.6 車轍

車轍深度很大程度上取決于瀝青混凝土性能，圖6為車轍試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，相同輪載次數(shù)作用下，LS3型瀝青混凝土的車轍深度比L型瀝青混凝土小，在1000、4000、14000、34000次車輪荷載作用下，LS3型瀝青混凝土的車轍深度分別為0.59、0.82、1.25、1.64mm，而L型瀝青混凝土車轍深度分別為0.93、1.14、1.67、2.19mm。

a) 混合料軸向應(yīng)變

b) 混合料不同加載次數(shù)下的永久變形

車轍試驗(yàn)與蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明，回彈模量與車轍阻力直接相關(guān)，LS3型瀝青混凝土的模量比L型瀝青混凝土高43.6%(見圖4)，在各車輪荷載加載次數(shù)下，L型瀝青混凝土車轍深度比LS3型瀝青混凝土平均高40.9%。車轍深度與集料表面瀝青剝離引起的粘結(jié)損傷直接相關(guān)，石灰石集料很容易被磨光，而鋼渣的使用可以改善這一不利特性，表明鋼渣可以改善瀝青和集料之間的黏附性能。性能試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼渣提高了混合料的抗疲勞性能，其原因可能與鋼渣的高粗糙度、高硬度和高承載力有關(guān)。

圖6 車轍試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本研究對(duì)以石灰石、花崗巖和鋼渣為集料的瀝青混凝土進(jìn)行了性能試驗(yàn)，以確定鋼渣作為集料的優(yōu)勢(shì)。通過研究可得出以下結(jié)論：

1) 鋼渣置換顯著提高了瀝青混凝土的穩(wěn)定性。 其中LS3型瀝青混凝土的穩(wěn)定性比L型瀝青混凝土高46.2%，LS3-SBS型改性瀝青混凝土的穩(wěn)定性比L-SBS型改性瀝青混凝土高50.3%。 此外，LS3型瀝青混凝土的穩(wěn)定性與L-SBS型和L-G-SBS型瀝青混凝土一樣高，而后者價(jià)格更高，消耗更多的自然資源。

2) LS3型瀝青混凝土與LS3-SBS瀝青混凝土ITS值分別比L型瀝青混凝土與L-SBS瀝青混凝土低22.6%、26.6%。鋼渣作為集料降低了混合料的ITS值，但是LS3、LS2、LS1型瀝青混凝土的ITS值仍高于使用相同膠結(jié)料的L-G型瀝青混凝土。

3) L型瀝青混凝土與SBS瀝青混凝土的疲勞壽命分別比L-G-基質(zhì)瀝青混凝土與SBS瀝青混凝土高；LS3型基質(zhì)瀝青混凝土與SBS瀝青混凝土的疲勞壽命分別是L型基質(zhì)瀝青混凝土與SBS瀝青混凝土的1.61倍、5.19倍。鋼渣作為集料顯著提高了瀝青混凝土的使用壽命。

4) 瀝青膠結(jié)料相同時(shí)，LS3型瀝青混凝土的回彈模量最大，L-G型瀝青混凝土次之，L型瀝青混凝土最小。這與LS3型瀝青混凝土具有較高的VMA有關(guān)，其使混凝土有著更高的強(qiáng)度以及抵抗變形性能。

5) 由于鋼渣具有粗糙的棱角，混合料間的嵌擠力隨鋼渣的增加而變大，因而具有更好的抗蠕變性能。在相同循環(huán)荷載次數(shù)作用下，LS3型瀝青混凝土的永久變形比L型瀝青混凝土低1.57倍。

6) 使用鋼渣作為集料提高了瀝青混凝土的性能。LS3型瀝青混凝土的疲勞壽命、回彈模量、抗車轍性能分別是L型瀝青混凝土的1.61、1.44、1.41倍。換而言之，LS3型瀝青混凝土的使用壽命

比相同厚度的L型瀝青混凝土更長(zhǎng)。因此，鋼渣可被認(rèn)為是瀝青混凝土中的一種可持續(xù)集料，具有重大的工程、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境應(yīng)用價(jià)值。