高炉炉渣作为骨料对沥青道路低温性能的影响研究

覃 琳，李江华，马耀宗，闫 强

(1.广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530022；2.广西交投科技有限公司，广西 南宁 530001)

0 引言

出于环境保护和降低成本的考虑，越来越多的废弃物被应用于新建道路中。在过去数十年间，国内外许多道路管理部门和科研机构对废弃物在沥青道路中的应用进行了广泛而大量的研究。这些废弃物主要包括：旧沥青路面回收料、建筑垃圾、高炉矿渣和废旧轮胎等。研究表明，近年来使用量较大的是旧沥青路面回收料和高炉矿渣。

高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣，是一种易熔混合物。由于炼铁原料品种和成分的变化以及操作工艺因素的影响，矿渣的组成和性质也不同。

炼钢的副产品一般可被分为三种：即林茨-多纳维茨矿渣(Linz-Donawitz Slag)、电弧炉钢渣(Electric Arc Furnace Steel Slag)和高炉炉渣(Blast Furnace slag)。本文的研究对象为高炉矿渣，其主要成分为钙、铁、铝、镁和硅的氧化物，它们的平均重量约占高炉炉渣总重的90%。

国内外学者对高炉炉渣在道路建设应用方面均进行了大量研究。在现场测试的基础上，Liapis等认为利用高炉炉渣作为骨料的沥青混合料抗滑性能与传统热拌沥青混合料相当。Ameri等利用扫描电子显微镜和力学实验，研究高炉炉渣在温拌沥青中的应用，研究结果表明高炉炉渣制备的沥青混合料在弹性模量和拉伸强度方面有所增强，抗水损坏性能有所减弱。王高峰等利用实验，验证了重矿渣代替天然砂石用于回填、道路基层、混凝土集料等的可行性；陈亮对废旧材料在道路工程中的应用进行了回顾，认为高炉炉渣能被应用于道路建设中。李灿华等分析现有的路用钢渣标准体系，提出了新的钢渣标准体系和钢渣应用于道路建设时可能存在的危害。

尽管有大量研究都论证了高炉矿渣作为骨料应用于沥青混合料和道路建设的可行性，但是很少有研究涉及到沥青材料的低温性能。本文就高炉炉渣作为骨料对沥青道路低温性能的影响进行了实验研究：(1)用弯曲梁流变仪(BBR)测量了添加不同比例高炉矿渣对沥青混合料的低温性能的影响；(2)计算诸如蠕变刚度S(t)、m值、热应力、临界开裂温度、断裂能和断裂韧性等性质；(3)基于图形比较来评估高炉炉渣对沥青混合料低温性能的影响。

1 试验材料和方法

本研究选取国产非改性沥青70#，其25 ℃针入度、延度和15 ℃软化点指标分别为77.2，47.2 ℃和123 cm。利用传统骨料和高炉炉渣分别以不同比例制备沥青混合料，所有沥青混合料均采用相同的级配和最大公称粒径(NMAS=12.5 mm)(见表1)。本文研究中所使用的实验材料试验标准均满足我国现有《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求。

表1 沥青混合料参数表

本研究中，弯曲梁流变仪(BBR)被用于实现沥青混合料试件的低温蠕变实验。沥青混合料试件被切割成与传统沥青结合料试件相同的大小，即长宽高分别为102 mm、12.5 mm和6.25 mm。试验流程依据Marasteanu在2009年提出的方法进行，相比于传统沥青结合料的BBR实验，本研究采用更高的恒定荷载P=4 N和更长的实验时间1 000 s。BBR实验通过低温条件下的三点弯曲试验，测量沥青混合料在蠕变荷载作用下的劲度，并计算相应的劲度模量S和劲度模量变化率m值。实验加载总时长240 s，实验温度选取低温PG+10 ℃，即-18 ℃。上述试验的每种试验样本至少进行三组平行试验，以确保实验结果可靠。相关的沥青材料蠕变劲度S(t)和蠕变速率m的计算公式为：

(1)

(2)

其中，D——蠕变柔量；

P——施加的恒定荷载，大小约为4 N；

l——试样长度(102 mm)；

b——试样宽度(12.7 mm)；

h——试样厚度(6.25 mm)；

δ(t)——沥青试件随时间的形变；

t——时间。

基于上述公式，松弛模量E(t)可以通过下列公式进行计算：

(3)

(4)

其中

f(t0)=0

E(t0)=0

E(t1)=t1/f(t1)

最后，通过公式(5)计算热应力：

(5)

其中，ξ=t/aT——缩减时间；

α——沥青混合料的热收缩系数，

其值假定为30.28×10-6/℃。

2 实验结果分析

2.1 低温蠕变性能

根据BBR实验计算结果，利用公式(1)和(2)分别计算加载时间60 s时的蠕变劲度S(60 s)和蠕变速率m(60 s)。计算结果见表2，绘制成柱状对比图，见图1。

表2 -18 ℃时沥青混合料的低温蠕变性能S(60 s)和m(60 s)表

图1 -18 ℃时沥青混合料的低温蠕变性能S(60 s)和m(60 s)柱状对比图

从图1可以看出，随着高炉炉渣比例的增加，沥青混合料的蠕变劲度S(60 s)经历了一个先增后减的过程，在高炉炉渣含量为75%时达到最高值，而100%高炉炉渣作为骨料的沥青混合料表现出与传统骨料相当的蠕变劲度。蠕变速率m(60 s)则表现出先减后增的趋势，同样在高炉炉渣含量为75%时达到最低值，且100%高炉炉渣作为骨料时与传统骨料的蠕变速率相当。有研究显示，更高的蠕变劲度和较低的蠕变速率表明，空气会导致沥青材料在低温条件下变得更硬更脆，这会进一步导致沥青混合料的整体硬化程度增加；从工程实际角度出发，则可能会直接降低沥青路面的低温抗开裂性能。上述蠕变劲度S(60 s)和蠕变速率m(60 s)值的变化范围都集中在一个较小区间内，根据表2进行计算，S(60 s)和m(60 s)最大的变化幅度分别为8%和24%，均在可接受范围内，因此利用高炉炉渣代替传统骨料的沥青混合料具有良好的低温性能。

2.2 热应力结果

热应力的计算结果如图2所示。

图2 不同比例高炉炉渣制备沥青混合料的热应力曲线图

从图2可以看出，热应力表现出与蠕变劲度S(60 s)类似的趋势，75%掺量的沥青混合料显示最高的热应力，而当骨料完全替换为高炉炉渣时，其热应力曲线与传统骨料制备的混合物非常接近。这可能是由于相比传统骨料，高炉炉渣的孔隙率更高而导致的。这证明了之前研究的成果，即高炉炉渣可作为替代骨料进行沥青混合料的制备工作，且呈现出较好的低温性能。

3 结语

本文基于BBR的混合料蠕变试验，研究了高炉炉渣作为骨料对沥青混合料低温性能的影响。实验结果表明，高炉炉渣可作为沥青混合料生产过程的替代骨料来源。但是，本文仅研究了五种不同高炉炉渣比例的沥青混合料低温性能。进一步的实验方案应该被采纳，以便更好评估高炉炉渣对沥青混合料低温性能的影响。