钢渣粉中f-CaO含量对沥青混合料的路用性能影响

林浩东 王 凤 陶关玉

(1.广东冠粤路桥有限公司 广州 511400； 2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070)

1 前言

沥青路面具有无接缝、噪声小、耐磨、平整、行车舒适等许多优点，因此，在我国公路建设中得到了广泛应用。而在沥青混凝土中集料的比重达到90%以上，由此引发我国的优质石料紧缺现状，其中较多使用的为玄武岩和石灰岩[1]。其中石灰岩储量巨大，且价格便宜、开采简单，但经过几十年破坏性的开采，我国多数地区的石灰石已成为稀缺资源。

钢渣是炼钢过程中排出的熔渣，约为粗钢产量的10%～15%，产量十分巨大[2]。我国大量堆积的钢渣已经造成了严重的环境问题。从发达国家对钢渣的利用经验来看，道路工程材料，包括水泥及沥青混凝土，是钢渣资源化利用的主要途径，且钢渣利用很好地解决了优质集料不足的问题，由此看来，加大对闲置钢渣的利用是必要的[3-4]。

徐国平等[5]测试分析了25家企业钢渣样品中f-CaO的含量以及钢渣的稳定性，结果表明，钢渣的f-CaO的质量分数大多在4%以上，且钢渣的稳定性与其f-CaO含量有显著的正相关性。孙家瑛等[6]在沥青混合料中掺加钢渣微粉，分析用钢渣微粉部分或全部替代矿粉对沥青混合料性能的影响，研究结果表明，掺加钢渣微粉可以使沥青混合料的水稳定性和高温稳定性有明显提高，而对沥青混合料的低温抗裂性影响不大。王强[7]研究了钢渣的胶凝性能及水化硬化过程，发现钢渣与水泥的水化过程相似，但钢渣的水化速率非常慢。

当前我国对钢渣的利用多作为集料应用于沥青混合料中，这种利用方式虽然对钢渣的消化能力很强，但是许多钢渣并不满足集料规范要求，钢渣中较大的f-CaO含量导致其压蒸粉化率过大，影响混合料的体积稳定性能。文中通过将不同f-CaO含量的钢渣粉加入到沥青混合料中，研究f-CaO含量对钢渣粉沥青混合料路用性能的影响，为钢渣的全组分资源化利用提供支撑。

2 原材料及实验方法

2.1 原材料

1) 沥青采用湖北鄂州生产的70号基质沥青，主要性能指标见表1。

表1 沥青主要指标

2) 集料采用玄武岩，本次试验采用热拌沥青混合料(HMA)的配合比设计理论和方法进行设计，即采用在我国应用广泛的马歇尔试验方法进行沥青混合料配合比设计。

3) 填料采用武钢热泼钢渣粉和常用石灰石矿粉，其中钢渣粉由实验室制备，2种填料基本性能指标见表2，并用乙二醇-EDTA法对经过风化处理的钢渣中f-CaO的含量进行测试，结果见表3，其微观形貌见图1。

表2 钢渣粉和石灰石矿粉主要技术指标

表3 钢渣粉的f-CaO含量

图1 扫描电镜图

2.2 试验方法

2种沥青混合料各种性能指标测试参照JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(以下简称《规程》)中T0724-2000制备AC-13密级配沥青混合料，并按照《规程》测试沥青混合料的高温稳定性能、低温拉伸性能、水稳定性能等路用性能。

3 试验结果与讨论

3.1 沥青混合料高温稳定性能

3.1.1马歇尔试验结果

根据AC-13的级配进行试配，成型4组试件，3组掺加不同f-CaO含量的钢渣粉，第4组掺加石灰石矿粉，测试其空隙率和稳定度，具体试验结果见表4。

表4 沥青混合料马歇尔试验结果

由试验结果可见，掺加了钢渣粉的沥青混合料的密度相对于掺加石灰石矿粉的常规沥青混合料更大，原因是钢渣中包含了大量的钙铁氧化物。而其空隙率较大的原因是钢渣粉孔隙较多，导致其对沥青的吸收量较大，使得沥青膜较薄，不足以涂覆集料。钢渣粉颗粒由于具有更尖锐的形状和更深的表面构造深度，导致其与沥青粘附后的沥青胶结料强度更大，从而得到了较强的稳定度。可以看出，钢渣粉的应用对沥青混合料马歇尔试件稳定度的提升具有一定效果。其中钢渣粉中f-CaO的含量对混合料马歇尔试件的密度与稳定度影响较小，但是对空隙率的降低有所作用。

3.1.2沥青混合料动稳定度

高温抗车辙性能是指混合料抵抗因为高温引起的永久变形的能力，本文采用车辙试验来测定沥青混合料的高温抗车辙能力。在试验中，试验温度设定为60 ℃，轮压为0.7 MPa，试件碾压成型后厚度50 mm，宽度300 mm，长度300 mm。成型后的试件在温度为(60±1)℃的恒温室保温5 h以上，保温完成后开始车轮碾压，车轮共计碾压1 h。计算机显示时间t1对应的形变量d1，t2时间对应的形变量d2，最后根据计算得到动稳定度DS的大小。

通过车辙试验测定不同混合料，其试验情况见表5，根据《公路沥青路面施工技术规范》动稳定度要求不低于800次/mm。

表5 沥青混合料车辙试验

由表5可见，与常规沥青混合料相比，钢渣粉沥青混合料在45 min与60 min的位移均有所下降，同时动稳定度有所增加，虽然增加幅度不大，但仍然可以看出钢渣粉代替石灰石矿粉应用于沥青混合料中对沥青混合料的高温抗车辙性能有所提升。这同马歇尔试件的结果一致，均证明了钢渣粉的加入有利于沥青混合料高温环境下的稳定性，且随着钢渣粉中f-CaO的含量减少，混合料的动稳定度呈增加趋势，但可变性较大。

3.2 沥青混合料低温拉伸性能

采用沥青混合料低温弯曲试验来评价沥青混合料的低温拉伸性能，参考《规程》T0715-2011，试件采用250 mm×30 mm×35 mm，跨径为200 mm的棱柱体小梁，试验时设置温度为-10 ℃，其中加载速率为50 mm/min，试验结果见表6。

表6 沥青混合料低温弯曲试验

一般来说，低温下应变越大，劲度模量越小，其低温拉伸性能越好。但是钢渣粉沥青混合料的应变更小，劲度模量更大，代表其在低温下对应力的抵抗更强，这增加了沥青混合料断裂的危险性。低温下常规沥青混合料对应力的响应更快，可以看出石灰石矿粉在低温下对沥青混合料的改善强于钢渣粉，一是由于石灰石矿粉的表面更加光滑，其与沥青的粘附性较钢渣粉弱，导致其沥青胶结料中的自由沥青含量较多，在低温环境下流变性更好；二是钢渣粉的多孔结构和粗糙表面吸收了较多的沥青，使得钢渣粉沥青胶结料的结构性更好，导致其劲度更大。可以看出，钢渣粉的加入降低了沥青混合料的低温性能，主要原因在于钢渣粉的多孔结构和相对于石灰石矿粉更崎岖的表面纹理特性，这不仅会对实际路面性能有所降低，还会增加建设过程中的沥青用量，导致建设成本提高[8-9]。3种不同f-CaO含量的钢渣粉沥青混合料的低温拉伸性优劣不一，可以看出f-CaO的含量对混合料低温性能影响不大。

3.3 沥青混合料水稳定性

沥青路面的水稳性是指沥青路面在有水存在的条件下，经受交通荷载和温度胀缩的反复作用，水分逐步浸入到沥青与集料的界面上，使沥青膜逐渐从集料表面剥离，并导致集料间粘结力丧失而发生的路面松散破坏，沥青混合料残留稳定度试验和冻融劈裂试验可反映水对沥青与集料间粘附效果的破坏作用[10]。

3.3.1沥青混合料残留稳定度试验

采用残留稳定度试验来检验沥青混合料受水损害时抵抗剥落的能力以及沥青的水稳定性。试验中评价沥青混合料水稳定性的指标为残留稳定度比MS0，残留稳定度比越大，表示沥青混合料的水稳定性能越好。按照《规程》中的T0709-2011规定，将双面击实各75次的马歇尔试件分为2组，第1组放在60 ℃的水箱里保温30 min，测出其稳定度MS1，第2组放在温度为60 ℃的水箱里保温48 h，测定其稳定度MS2，则残留稳定度比计算如式(1)，各沥青混合料测定结果见表7。

(1)表7 沥青混合料残留稳定度试验

由表7可见，钢渣粉沥青混合料的稳定度和浸水稳定度均大于同等条件下常规沥青混合料，残留稳定度比高于常规沥青混合料，代表其抗水损害的提升，且随着钢渣粉中f-CaO的含量减少，其残留稳定度比提升。究其原因主要是由于钢渣粉中大量的f-CaO在有水存在的环境下，会与水发生水化反应，机理同水泥的水化效应[11]。水泥的水化对水泥混凝土的凝结起到一定加强效果，但在沥青混凝土中，主要起粘结作用的是沥青胶结料，钢渣粉的水化反应会阻碍沥青与集料的粘附，导致沥青在动水冲刷下从集料表面脱落。钢渣粉中较少的f-CaO有助于沥青混合料的水稳定性能提升。

3.3.2沥青混合料冻融劈裂试验

采用马歇尔击实法成型的2组马歇尔试件，击实次数为双面各50次，一组试件经真空饱水后在-18℃下保温16 h，随后放入60 ℃的恒温水槽中24 h，最后按照《规程》T0729-2000用50 mm/min的加载速率在25 ℃下进行劈裂试验，并同常温保存的试件进行对比，计算出劈裂强度比，试验结果见表8。

表8 沥青混合料冻融劈裂试验

冻融劈裂试验同残留稳定度试验类似，都是为了研究沥青混合料在有水存在环境下的抗水损害性能，只是冻融劈裂试验经历了高低温的循环作用，使得水分对沥青混合料的作用更明显。由表8可见，钢渣粉沥青混合料的常温劈裂强度大于常规沥青混合料，经过冻融循环作用后，其劈裂强度下降的幅度明显低于常规沥青混合料，劈裂强度比高于常规沥青混合料。同残留稳定度试验结果一致，二者都表明钢渣粉加入沥青混合料中增加了混合料的稳定度和劈裂强度。其中钢渣粉中f-CaO的含量降低对混合料的劈裂强度起到了提升的作用，可以看出f-CaO的含量会明显影响混合料的冻融劈裂强度。

通过沥青混合料残留稳定度试验以及冻融劈裂试验可以看出，加入钢渣粉可明显提高沥青混合料稳定度、劈裂强度及抗水损害性能，其中钢渣粉的f-CaO含量是关键因素，会明显影响混合料的水稳定性能。

4 结论

通过将3种不同f-CaO含量的钢渣粉和石灰石矿粉应用于沥青混合料中来测试其路用性能，研究f-CaO含量这一因素对钢渣粉沥青混合料路用性能的影响，可得到以下结论：

1) 加入钢渣粉可提高混合料的高温稳定性，f-CaO的含量对混合料的高温稳定性影响不大。

2) 钢渣粉的加入降低了沥青混合料的低温性能，3种不同f-CaO含量的钢渣粉沥青混合料的低温拉伸性优劣不一，可以看出f-CaO的含量对混合料低温性能影响不大。

3) 加入钢渣粉可明显提高沥青混合料稳定度及劈裂强度，提升混合料的抗水损害性能，其中钢渣粉的f-CaO含量是一个关键因素，其含量增加会明显降低混合料的水稳定性能。

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