钢渣残留含水率对其沥青混合料水稳定性影响研究*

2018-07-04尹亚东彭爱红杨俊霖

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2018年3期

尹亚东尚宇彭爱红杨俊霖侯强罗蓉

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (湖北省公路工程技术研究中心2) 武汉 430063) (江西省交通工程集团公司3) 南昌 330038) (江西省公路桥梁工程有限公司4) 南昌 330029)

0 引言

钢渣作为冶金工业中产生的废渣，其产生量为粗钢产量的12%～15%，2012年全世界排钢渣量约为1.8亿t[1].中国的钢渣产生量也随着工业的高速发展而迅速增长，因此，钢铁企业废渣和资源化利用也越来越受到重视.在国家“十一五”发展规划中明确指出，钢渣的综合利用率应达86%以上，基本上实现“零排放”.然而，目前综合利用的现状与该规划还相去甚远，国内钢铁企业产生的钢渣不能及时处理，致使大量钢渣占用土地，污染环境[2]，因此，将钢渣作为筑路材料不仅可以缓解目前优质石料短缺的问题，还可以达到废物再利用的绿色环保目的[3].钢渣具有强度高、表面粗糙、耐久和耐磨性好、容重大、稳定性好、与沥青结合牢固等优点，相对于普通的碎石还有耐低温开裂的特性，因而可以广泛用于道路工程当中[4].

由于钢渣的吸水性较好，所以主要考虑的是钢渣的残留含水率对沥青混合料水稳定性的影响[5-6].本文选取多孔钢渣及50#基质沥青制备AC-20连续密级配钢渣沥青混合料，选取5.1%的油石比，分别制作不同残留含水率钢渣下沥青混合料试件并对其水稳定性进行研究，最终通过对比实验结果来确定钢渣残留含水率与其水稳定性之间的关系.

1 原材料性能

1.1 集料

沥青混合料的粗细集料均采用多孔钢渣，钢渣来自江西省九江市萍钢钢铁有限公司.钢渣的外表为灰黑色，棱角性明显且孔隙较多.其性能见表1.

表1 钢渣性能试验结果

1.2 沥青

试验所采用的沥青为50#基质沥青，产于南京炼油厂有限责任公司，且各项指标都满足试验要求，其性能指标见表2.

表2 沥青基本性能指标

1.3 填料

以矿物质为原料，经粉碎细化或添加剂等进行活化处理，其性能见表3.

表3 矿粉基本性能指标

2 钢渣残留含水率的测量

针对钢渣材料因吸水率较大，在烘干过程中水分残留较多从而降低与沥青黏附性和增加施工难度等问题，设计试验模拟拌和站对集料烘干的环境温度，建立加热时间与含水率之间的关系，并且得到不同含水率下的钢渣，用以进行后续的钢渣沥青混合料水稳定性能研究工作[7-8].

首先得到钢渣含水率随加热时间的变化规律，试验设备由烘箱、台秤、集料盘等装置进行组合得到，试验设备示意图见图1.试验装置可以模拟集料在烘箱模拟拌和站烘干的环境下，集料的质量损失变化，损失的质量为水分散失的质量.然后设定钢渣初始加热的状态，并将取样的钢渣在浸水条件下保持24 h，使钢渣处于饱水状态，浸水时间达到后将钢渣取出并擦拭至表干，此时的钢渣含水率作为试验初始的含水率.

图1 实验设备示意图

将试验准备好的钢渣放入加热保温称量系统后，调整烘箱温度，模拟拌和站对集料烘干的加热温度与加热环境，每间隔一定时间观测并记录台秤称量的示数变化，开始加热的时间段质量变化会稍快，记录间隔时间应做出相应调整，保证得到所需要的数据.通过记录数据就可计算得到钢渣残留含水率w，见式(1)，根据计算得到钢渣残留含水率数据后，可以绘制其与加热时间的图像，直观的反映钢渣残留含水率随加热时间变化规律.

(1)

式中：mi为任一加热时间所对应的钢渣与集料盘的质量之和；m0为钢渣与集料盘完全烘干的质量；m为干燥状态下集料盘的质量；w为钢渣残留含水率.

用于试验的钢渣级配范围和AC-20沥青混合料的设计级配一致，一次试验所用的钢渣质量为5 kg，钢渣残留含水率的测量按照上述步骤进行，试验加热使用的烘箱温度控制在为160 ℃左右，通过多次试验调整后，逐渐确定试验数据记录的间隔时间.试验开始的前10 min，由于水分散失较快，每隔2 min记录一次试验数据，加热时间在10～40 min时间段，质量损失的速率逐渐下降，因此，每间隔5 min记录一次试验数据，而加热时间超过40 min后，水分散失的速率较慢，所以试验数据记录的间隔时间改为10 min.将试验数据绘制成折线图后可以较为清楚地得出钢渣残留含水率的变化规律，见图2.

图2 高温条件下钢渣残留含水率随时间变化趋势

由图2可知，在初始的短暂时间内，钢渣残留含水率下降的速率较慢，原因是钢渣及其内部的水分已经开始吸收热量，而其表面水分只是处于加热的状态，为液体，所以只有少量的水分散失；在随后的十几分钟内，钢渣残留含水率的下降速度变快，因为钢渣在不断地吸收热量且达到了水分蒸发所需要的温度，大量残留水分变为气态；最后的时间段内，钢渣残留含水率降低的速率变缓，因为钢渣中大部分水分已经被烘干，只剩残留的一些细小空隙中的少量水分，随着加热的持续也渐渐蒸发，直至钢渣被全部烘干.

3 钢渣沥青混合料水稳定性研究

沥青混合料的水稳定性的影响因素有很多，包括集料性能影响、沥青性能影响、混合料类型的影响和施工操作方面的影响等等.钢渣作为吸水率大的集料，若能充分干燥，部分沥青会被吸入集料内部，对水稳定性能有一定程度上的帮助.但是不能说吸水率大的集料对于水稳定性一定好，由于集料吸水率较大，会使施工难度加大，沥青用量增加，实际施工中也很难保证集料干燥充分，使得其水稳定性受到影响.由于钢渣的孔隙分布较多，吸水率大于现有规范要求的上限2%，是一种典型的吸水率大的材料，因此，考虑到钢渣无法充分干燥的实际情况，以下为研究钢渣在有水的情况下所成型的试件将表现出的抗水损害能力.

3.1 浸水马歇尔试验研究

试验采用的是AC-20全级配的沥青混合料来进行浸水马歇尔试验，沥青混合料的最佳油石比5.1%，孔隙率为4.5%，试验按照击实法成型马歇尔试件，击实次数为双面各75次，在60 ℃的恒温水槽中的保温48 h.通过稳定度测试仪得到马歇尔残留稳定度和真空饱水浸水马歇尔残留稳定度来评价沥青混合料的水稳定性能.本试验分别选取钢渣的残留含水率为0.4%，0.8%，1.2%，1.6%这四个具有代表性的点作为试验组，钢渣残留含水率为0%的作为对照组，经测量得到稳定度的相关参数，按照规范要求计算出浸水残留稳定度的指标，计算方法为

(2)

式中：MS为试件的稳定度，kN；MS1为试件浸水48 h稳定度，kN；MS0为试件的浸水残留稳定度，%.

计算得结果见表4.

表4 钢渣残留稳定度

根据计算结果，绘制沥青混合料残留稳定度与钢渣的残留含水率的曲线，见图3.当钢渣完全干燥时，成型的沥青混合料的残留稳定度值达到88.7%，表明钢渣沥青混合料具有较好的抗水损害性能；当钢渣未充分干燥时，孔隙中的水分影响了钢渣对沥青的吸附，减少了沥青与钢渣黏附作用面积；同时水分的存在导致钢渣内部温度有所下降，这也在一定程度上影响了钢渣与沥青的黏附效果.并且随着残留含水率的增大，试件的残留稳定度不断降低.当残留含水率为1.2%时，其残留稳定度指标已不满足要求.

图3 沥青混合料残留稳定度与钢渣的残留含水率关系图

3.2 冻融劈裂试验研究

冻融劈裂试验在试件进行劈裂之前要通过真空饱水、低温和高温三个步骤，目的是增加沥青混合料的水损害程度，使其贴近实际路面使用情况，更准确的反映沥青混合料真实的水稳定性.试验采用马歇尔击实仪成型两组试件，每组四个，击实次数为正反面各50次，目的是为了使试件孔隙率变大，更容易使水侵入试件.试件需要满足的其余要求与浸水马歇尔试验的试件相同.试件同样分为试验组和对照组，试验组试件需要放入水槽中，打开泵吸装置使槽内气压保持在97.3～98.7 kPa，持续15 min，目的是为了使水加速并充分进入试件内部，之后在让试件在常压下浸水30 min.将试件放入密封塑料袋中，注入10 mL水，扎紧后将试件放入冰箱中冷冻16 h，冰箱温度为-18 ℃.时间到达后取出试件并放入60 ℃恒温水箱中保温24 h.对照组的试件只需在常温下保存相同的时间.待试验组试件保温24 h后，两组试件同时在温度为25 ℃的恒温水箱中保温2 h.完成上述所有操作后，使用稳定度仪对两组试件逐个施加荷载，测试其劈裂状态下的荷载值，并通过下列公式计算得到冻融劈裂强度比.

(3)

将不同残留含水率与对应的冻融劈裂强度比之间的关系见图4.由图4可知，当钢渣完全干燥时，成型的沥青混合料的冻融劈裂强度比达到88.6%，表明钢渣沥青混合料此时的冻融劈裂强度比很好的符合规范要求；而随着残留含水率的增大，试件的冻融劈裂强度比不断降低.当残留含水率为1.2%时，其冻融劈裂强度比指标已不满足要求.