钢渣透水沥青混合料性能的影响因素研究

徐帅，朱绘美，2，刘文欢，2，李辉，2，王凯炜

（1.西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西 西安 710055；2.陕西省建筑科技重点实验室，陕西 西安 710055）

钢渣透水沥青混合料性能的影响因素研究

徐帅1，朱绘美1，2，刘文欢1，2，李辉1，2，王凯炜1

（1.西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西 西安 710055；2.陕西省建筑科技重点实验室，陕西 西安 710055）

通过正交试验分析了钢渣集料粒径、油石比、填料3个因素对钢渣透水沥青混合料路用性能的影响。试验结果表明：钢渣集料粒径对马歇尔空隙率、稳定度和流值综合影响最显著，油石比次之，填料影响最小；最佳组合为钢渣集料粒径4.75～9.5 mm，油石比为6.7%，填料为钢渣微粉。与相同集料粒径的石灰岩透水沥青混合料相比，钢渣透水沥青混合料具有更好的水稳定性、马歇尔稳定度、高温稳定性和更小的体积膨胀率。

正交试验；集料粒径；油石比；填料；钢渣透水沥青混合料

0 前言

随着我国道路交通建设的发展，截止到2015年底，我国公路总里程近457.73万km，高速公路已达12.35万km[1]。高速公路中沥青路面的应用越来越广泛，目前已建成的沥青路面中90%左右按密级配原理设计，这种路面强度高，低温抗裂性、耐久性较好，但密实、不透水，致使行车噪音大[2-3]。而空隙率较大的透水沥青路面不仅能够有效地降低路表积水，而且能够提供足够的表面粗糙度，并可降低沿线行车噪音，其集料骨架结构增强了抵抗车辙变形的能力[4]。目前透水沥青混合料主要使用玄武岩、石灰岩等天然石料为主骨料，但我国石灰岩总储量约为750亿t，按目前的消耗速度仅能维持15年左右[5]。钢渣集料具有高硬度和高耐磨性，与沥青有良好的粘附性[6-7]，将其应用于透水沥青路面能解决了天然集料的不足，保护资源和环境[8]。本研究采用正交试验法，研究钢渣集料粒径、油石比、填料种类对透水沥青混合料路用性能的影响[9]。

1 试验

1.1 原材料

（1）集料：陕西龙钢钢渣，经过高压辊式立磨分选得到，通过筛分获得2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm共4种粒径范围的钢渣集料。钢渣集料的化学成分见表1，按照GB/T 24766—2009《透水沥青路面用钢渣》对钢渣的物理力学性能进行测试，结果见表2，钢渣集料的表面形貌见图1。

表1 钢渣集料的化学成分%

表2 钢渣集料的物理力学性能指标

图1 50倍和400倍下钢渣集料的微观表面形貌

由表1、表2和图1可知，钢渣集料的物理、力学性能满足GB/T 24766—2009的要求，其f-CaO含量较低，具有较高的稳定度。同时，钢渣集料表面粗糙、多孔，与沥青粘附性能好。所以钢渣作为集料制作透水沥青混合料能够满足沥青混合料经济性的要求。

（2）沥青：采用橡胶沥青，按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对其技术指标进行检测，针入度（25℃，100 g，5 s）为5 mm，软化点64℃，延度（5℃，5 cm/min）为130 cm。

（3）填料：采用矿渣、钢渣微粉、水泥和粉煤灰4种填料。其中矿渣和钢渣微粉均为陕西龙钢经高压辊式立磨分选得到的超细粉，水泥由硅酸盐水泥熟料、15%的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，粉煤灰为山西朔州的Ⅱ级灰。4种填料的化学成分如表3所示，按照JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》对填料的各项质量技术指标进行测试，结果如表4所示。

表3 4种填料的化学成分%

表4 4种填料的质量技术指标

1.2 测试方法

采用正交试验，研究单一集料颗粒粒径（以下简称粒径）、油石比和填料种类3个因素对钢渣透水沥青混合料性能的影响。控制单一集料颗粒粒径分别为2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm；油石比为6.4%～7.3%，按0.3%间隔变化；填料有矿渣、钢渣微粉、水泥和粉煤灰4种。正交试验因素水平见表5。每组制备5个试件，并按标准方法双面各击实75次成型。

按照JTG E20—2011，在60℃恒温水浴箱中保温30～40 min，采用自动马歇尔试验仪测试钢渣透水沥青混合料的马歇尔稳定度和流值。

表5 正交试验因素水平

2 正交试验设计及结果分析

正交试验设计及马歇尔试验结果见表6，正交试验极差分析见表7。

表6 正交试验设计及马歇尔试验结果

表7 正交试验极差分析

由表6、表7可以看出：

（1）钢渣集料粒径对钢渣透水沥青混合料空隙率、稳定度和流值的影响最大。随着钢渣集料粒径由2.36～4.75 mm增大到13.2～16 mm，钢渣透水沥青混合料的空隙率逐渐增大，由11.53%增大到17.86%；稳定度先增大后减小，在粒径为4.75～ 9.5 mm时达到最大，为11.62 kN，后又降至7.66 kN；流值先降低后增大，在钢渣集料粒径为4.75～9.5 mm时达最小值，为2.83 mm。钢渣集料粒径为4.75～9.5 mm时，混合料的稳定度最大且流值最小，说明该粒径大小的混合料抗压强度高并且形变量小。

（2）油石比对钢渣沥青透水混合料性能的影响较显著。随着油石比由6.4%增大到7.3%，钢渣透水沥青混合料的空隙率和稳定度均先增大后减小，在油石比为6.7%时达到最大值，分别为14.83%、9.25 kN；流值逐渐增大，由3.56 mm逐渐增大至3.76 mm。在油石比为6.7%时，空隙率和稳定度最大且流值较小，说明该油石比的混合料抗压强度大并且形变量小。

（3）填料种类对钢渣透水沥青混合料性能的影响不显著。填料为钢渣微粉时混合料的空隙率和稳定度均最大，为粉煤灰时均最小；填料为钢渣微粉时混合料的流值最小，为水泥时最小。填料为钢渣微粉时，钢渣透水沥青混合料的空隙率和稳定度最大且流值较小，说明填料为钢渣微粉时混合料的抗压强度高并且形变量小。

综上所述：钢渣集料粒径对马歇尔空隙率、稳定度和流值综合影响最显著，油石比次之，填料种类最弱。最优方案为钢渣集料粒径为4.75～9.5 mm，油石比为6.7%，填料为钢渣微粉。

3 钢渣透水沥青混合料性能分析

根据最优组合方案配制钢渣透水沥青混合料，并采用相同集料粒径的石灰岩透水沥青混合料作对比试验。

3.1 水稳定性分析

沥青混合料的水稳定性是受到水的浸入后，抵抗沥青膜脱离的能力。GB 50092—96《沥青路面施工及验收规范》规定Ⅱ型混合料的残留稳定度不低于70%，试验结果表明，钢渣透水沥青混合料的残留稳定度为94.63%，高于石灰岩透水沥青混合料的91.66%。钢渣透水沥青混合料具有较高的水稳定性，主要因为钢渣集料与沥青有良好的粘附性。钢渣属于碱性集料，能与沥青中的酸酐反应，增强沥青与集料间的粘结力。其次，钢渣表面粗糙，具有较大的孔隙率，有助于吸附沥青，使钢渣与沥青的粘附性强于石灰岩。

3.2 马歇尔稳定度分析

马歇尔试验结果如表8所示。

表8 钢渣透水沥青混合料的马歇尔试验结果

由表8可以看出，钢渣透水沥青混合料的马歇尔试验结果符合GB 50092—96的要求，并且其各项性能均优于石灰岩透水沥青混合料。

3.3 高温稳定性分析

高温稳定性指沥青混合料在高温条件下，能够抵抗车辆荷载的反复作用，不发生显著永久变形的特性。根据JTG E20—2011，改性沥青混合料动稳定度不小于3000次/mm。试验测得钢渣透水沥青混合料动稳定度为6350次/mm，高于石灰岩透水沥青混合料的5280次/mm。沥青混合料高温稳定性的形成主要来源于集料间的嵌锁作用和集料与沥青的粘结作用。钢渣表面粗糙，棱角丰富且接近立方体，颗粒间易形成紧密的嵌锁结构，增大沥青混合料的内摩阻力，有利于增强沥青混合料的高温稳定性。

3.4 钢渣透水沥青混合料的膨胀率分析

钢渣的主要化学成分是SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3，相比于天然岩石f-CaO的比例较高。低价金属离子遇水后会生成氢氧化物，使钢渣体积增大发生膨胀。如果膨胀时应力过大，就会造成钢渣碎裂，影响沥青混合料的强度。根据JTG E20—2011进行钢渣透水沥青混合料膨胀性测试，结果表明，钢渣透水沥青混合料体积膨胀率为0.49%，低于石灰岩透水沥青混合料的0.66%。可以看出混合料的膨胀率较低，说明试验用钢渣集料在长期的堆放过程中已发生崩解，使膨胀性减弱，具有较高的稳定度。

4 结论

采用正交试验法分析了钢渣集料粒径、油石比和填料种类3个因素对钢渣透水沥青混合料的路用性能的影响，并用石灰岩集料作对比试验。

（1）经过高压辊式立磨分选出的钢渣集料物理、力学性能均符合GB/T 24766—2009的要求，是一种可用于公路的优良集料。

（2）正交试验结果表明，钢渣集料粒径对马歇尔空隙率、稳定度和流值综合影响最显著，油石比次之，填料最弱。最优方案为钢渣集料粒径为4.75～9.5 mm，油石比为6.7%，填料为钢渣微粉。

（3）钢渣透水沥青混合料的水稳定性试验残留稳定度为94.63%，马歇尔稳定度为12.10 kN，动稳定度为6350次/mm，体积膨胀率为0.49%，均符合JTG E20—2011的要求。

（4）与石灰岩透水沥青混合料相比，钢渣透水沥青混合料具有更好的水稳定性、马歇尔稳定度、高温稳定性和更小的体积膨胀率。

[1]赵儒玉.我国公路建设发展展望[J].建设机械技术与管理，2015（12）：36.

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Study of influencing factors on the properties of permeable steel slag asphalt mixture

XU Shuai1，ZHU Huimei1，2，LIU Wenhuan1，2，LI Hui1，2，WANG Kaiwei1
（1.School of Material and Mineral Resources，Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China；2.Shaanxi Key Laboratory of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China）

The influence of particle size of steel slag，asphalt aggregate ratio，and filler on the pavement performance of permeable steel slag asphalt mixture was studied by using the orthogonal experiment method.The results showed that：the particle size of steel slag had the most significant influence on Marshall porosity，stability and flow value，followed by the asphalt aggregate ratio，and the influence of filler was the weakest.The best combinations are the particle size distribution of steel slag as 4.75～9.5 mm，the asphalt aggregate ratio as 6.7%，and the filler as steel slag powder.Compared with limestone permeable asphalt mixture of the same particle size，permeable steel slag asphalt mixture had better water stability，Marshall stability，high temperature stability and a smaller volume expansion.

orthogonal experiment，particle size of aggregate，asphalt aggregate ratio，filler，permeable steel slag asphalt mixture

TU528.42

A

1001-702X（2016）12-0053-04

陕西省教育厅重点实验室科研计划项目（15JS051）；

陕西省交通建设集团科技项目（2016—2016013）；

陕西省教育厅专项科研计划项目（16JK1433）

2016-05-06；

2016-06-10

徐帅，男，1992年生，陕西咸阳人，硕士研究生，主要从事工业固体废弃物资源化研究及建筑材料研究。