钢渣集料半柔性路面材料的制备与性能研究*

袁高明 刘全涛 杨天元

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070)

0 引 言

半柔性路面是指在大孔径(空隙率为20%～25%)沥青混合料基体路面中，灌入水泥胶浆并养护一段时间后形成的路面[1-2]，它同时具备高于水泥混凝土的柔性和高于沥青混凝土的刚性[3].有关研究表明，半柔性路面能够很好地避免早期破坏、局部拥包、路面唧浆和路面边缘碎裂等路面损坏现象，同时具有优良的高温稳定性能、低温抗裂性能、抗疲劳性能和抗滑性能[4].

利用固体废弃物钢渣作为集料制备半柔性路面材料，不仅能够做到废物利用、节约大量石料资源，而且可以赋予沥青路面更好的路用性能，对于保障公路的安全畅通、交通领域的节能减排以及经济社会的可持续发展都具有重要的战略意义.

1 原材料及实验方法

1.1 集料

本研究使用的石料包括钢渣和玄武岩.钢渣是一种工业固体废物，其成分波动很大，主要包含钙、铁、硅、镁等的氧化物，其内部还含有少量的碱性物质，使其在长期敞口放置时表面出现白色粉末.由于钢渣在温度1 500～1 700 ℃下形成，冷却后呈块状，经过工业加工(用水淬冷)后成为颗粒状物质，一般呈深灰、深褐色，内部有很多小孔.钢渣根据炼钢方法可分为三种：平炉钢渣、转炉钢渣和电炉钢渣，本文采用其中的转炉钢渣，转炉钢渣通常情况下的化学组成见表1.

表1 转炉钢渣化学成分

玄武岩具有较好的抗压性能、抗腐蚀性能和耐蚀性能，而且具有耐磨、压碎值低、与沥青的粘附性强等优点.本研究使用的玄武岩的主要成份是二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙、氧化铁等，其中二氧化硅含量最高，约占50%.

采用SBS改性沥青，其技术指标见表2.采用普通石灰矿粉，其技术指标见表3.选用普通硅酸盐42.5#水泥，其技术指标见表4.

1.2 高粘改性剂

表2 SBS改性沥青技术指标

表3 矿粉技术指标

表4 水泥技术指标

通过添加高粘沥青改性剂制备空隙率大、性能良好的沥青混合料.所用高粘改性剂外观呈浅黄色，可在沥青混合料拌合时与沥青一起加入拌锅，高粘改性剂与沥青的质量比为8∶92.沥青加入高粘改性剂之后，它的粘度会大幅度增加，60 ℃时其粘度一般不小于20 000 Pa·s，这样就可以保证沥青混合料在较高的空隙率的情况下骨料之间的连接性能较好，而且可以提高沥青混合料的高温稳定性、水稳定性、耐疲劳性等.高粘沥青技术指标见表5.

表5 高粘沥青技术指标

1.3 半柔性沥青混合料制备与实验方法

1.3.1试样的制备

分别采用钢渣和玄武岩作为集料(质量比)(0～2.36∶2.36～4.75∶4.75～9.5∶9.5～13.2∶13.2～19=0∶14∶45∶20∶16)，结合SBS改性沥青(油石比为4.5%)和普通石灰矿粉(含量为5%)等制备开机配沥青混合料试样，再使用普通硅酸盐水泥42.5#、水、普通河沙(质量分数为50.2%，39.8%，10%)混合制备水泥砂浆，参照文献[5-7]的半柔性路面材料制备方法，采用振动灌入式的方法使得水泥胶浆填充母体沥青混合料的空隙，制备半柔性沥青混合料马歇尔试件和车辙试件，灌浆后试件在室内(温度为20～25 ℃)放置24 h，水泥胶浆基本凝固，再将试件转移到养护室中进行养护.养护室的温度为(20±1) ℃，相对湿度大于或等于95%，在养护7 d之后对试件编号后再进行性能测试.图1分别为灌浆前后的试件以及灌浆后试件的内部结构图.

图1c)中深色的部分是沥青，浅色的部分是水泥浆料，具有金属光泽的部分是钢渣里面残留的金属成分.通过灌浆试样内部解结构图可以发现，在马歇尔试样灌浆饱和养护7d之后，其内部仍然存在一些小孔.

图1 内部结构图

1.3.2实验方法

1) 主要通过车辙实验(0.7 MPa，60 ℃)表征沥青混凝土的高温稳定性能，采用间接拉伸实验方法测试沥青路面材料的回弹模量和疲劳寿命，对比分析钢渣半柔性沥青混合料、母体沥青混合料和玄武岩半柔性沥青混合料的性能[8-9].

2) 根据美国国有公路运输管理员协会规定的实验方法，采用UTM-25实验系统进行间接拉伸回弹模量实验[10-11].实验温度分别为5,10,15 ℃，施加载荷的频率分别为0.5，1，1.5，2 Hz，载荷为正弦波的形式，实验加载次数为20次，加载结束时系统会自动保存最后五次加载数据，取其平均值确定试件变形与载荷的关系，通过设置的泊松比0.35来计算试件的间接拉伸回弹模量.混合料的间接拉伸模量为

(1)

式中：Esp为间接拉伸模量，MP；PT为重复荷载，N；h为试件直径，mm；μ为泊松比；XT为瞬时可恢复水平形变，mm，按式(2)计算.

(2)

式中：YT为可恢复垂直变形，mm.

同时采用UTM-25进行间接拉伸疲劳试验[12]，试验温度为15 ℃，施加载荷为半正弦波，加载时间为0.1 s，间歇时间为0.9 s，泊松比为0.35，应力分别比为0.35，0.4，0.45和0.5p.首先通过间接拉伸强度测试获得试件的间接拉伸强度p，再测试对应应力比下的疲劳寿命，根据得到的疲劳寿命和加载应力回归出相应的疲劳寿命方程，进而分析对应的路面材料的疲劳性能.疲劳方程为

(3)

式中：Nf为试件破坏时的载荷重复作用次数；δ为施加的应力，MPa；K，n为试件确定的回归系数.

2 结果与分析

2.1 高温稳定性

通过车辙实验的动稳定度来表征沥青混合料的高温稳定性，结果见表6.

表6 四种沥青混合料车辙实验结果

由表6可知：

1) 动稳定度越大，沥青混合料高温性能越好，根据文献[7]，添加高粘改性剂的沥青混合料的动稳定度需达到3 000次/mm以上，而表中半柔性沥青混合料的动稳定度都在15 000次/mm以上，远大于规定值，说明半柔性路面材料的高温性能十分优秀.

2) 半柔性路面材料的车辙深度很小，60 min后均小于1 mm，说明半柔性沥青混合料在具备母体沥青混合料的粘弹塑性的同时还具有水泥材料的刚性.

3) 玄武岩半柔性沥青混合料的车辙深度大约是母体沥青混合料的1/12，而前者的动稳定度大约是后者的50倍；钢渣半柔性沥青混合料的车辙深度大约是母体沥青混合料的1/5，而前者的动稳定度大约是后者的18倍.可见在母体沥青混合料中加入水泥浆料形成半柔性沥青混合料可大幅度提高混合料的高温性能.

4) 同种配合比下的钢渣集料和玄武岩集料制备的母体沥青混合料相比，后者的车辙深度前者的1.5倍左右，而前者的动稳定度约是后者的两倍，可将相同配合比下的两种混合料，利用钢渣集料制备的母体沥青混合料的高温稳定性更优异.

2.2 间接拉伸回弹模量

试样回弹模量测试结果见图2.

图2 不同温度下的沥青混合料的回弹模量

由图2可知，无论是玄武岩集料还是钢渣集料，半柔性路面材料的回弹模量均高于母体沥青混合料.回弹模量越大，相同应力下的应变较小，则表明向母体沥青混合料中灌入水泥浆制备的半柔性沥青混合料能够提高路面材料的抗变形性能.

2.3 间接拉伸疲劳性能

试样的间接拉伸疲劳实验数据见表7.对应的疲劳曲线见图3.

表7 四种类型沥青混合料的最大劈裂强度对比

由表7可知，相同集料的情况下，半柔性路面材料的最大劈裂强度较大.半柔性路面材料相比于其母体沥青混合料，其最大劈裂强度更大.

图3 四种沥青混合料的疲劳曲线

由图3可知，相同应力下四种试样的疲劳寿命相差很大，玄武岩未灌浆、玄武岩灌浆、钢渣未灌浆、钢渣灌浆的疲劳寿命依次增大；同种集料，母体沥青混合料比半柔性沥青混合料的疲劳寿命都小一些.四种试样的疲劳寿命随着应力的增大而减小.另外，试样在较大的应力下循环次数很低，在较小的应力下循环次数大大的增加了，说明当路面材料所受载荷过重时会大大缩小沥青路面的使用寿命，加快路面的损坏.

此外，对比两种集料，发现在相同应力条件下，钢渣集料的疲劳寿命约是玄武岩集料的十倍，单看此项，钢渣集料替代传统集料应用与半柔性路面是可行的；而且半柔性沥青混合料的疲劳寿命都要大于母体沥青混合料，表明用半柔性路面替代传统路面可以延长路面的使用年限.

四种沥青混合料的疲劳方程及对应的回归系数见表8.

表8 四种沥青混合料的经典疲劳方程和回归系数

由表8可知，玄武岩集料半柔性沥青混合料疲劳方程的回归系数K值远大于其母体沥青混合料，大约是其22倍，K值越大，其疲劳性能越好，使用年限越长，而且它们的n值基本相同，则它们的疲劳寿命受应力水平影响基本一致；另外，钢渣集料半柔性沥青混合料疲劳方程的回归系数K值是其母体沥青混合料的12倍以上，说明前者的疲劳性能较好，使用寿命更长，但是前者的回归系数n值略大于后者，说明前者更容易受到应力水平的影响.

3 结 论

1) 在开级配沥青混合料母体中灌入了水泥浆料可制备出半柔性沥青路面材料，其中水泥浆料填充了沥青混合料内部大部分的孔隙，并与沥青混合料骨架之间形成挤压作用，使得半柔性沥青混凝土的抗车辙性能大大的增加；相同条件下，钢渣集料制备的路面材料与玄武岩集料制备的路面材料的高温性能相差不大.

2) 半柔性路面材料的抗压性能远高于母体沥青混合料，相比于玄武岩集料制备的半柔性沥青混合料，钢渣制备的半柔性沥青混合料的抗压性能更好.

3) 半柔性沥青混合料的疲劳寿命远高于母体沥青混合料，前者对应力水平的敏感性略高于后者，因此半柔性路面材料的服役年限更长，路用性能更优秀.钢渣集料制备的沥青混合料的疲劳寿命要高于相同条件下玄武岩集料制备的路面材料.

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