钢渣SAC-10沥青混合料路用性能研究

牟存玉， 凌天清， 陆亚， 王雅婷(.重庆交通大学 材料科学与工程学院， 重庆市 0007；.重庆交通大学 建筑与城市规划学院；

3.重庆交通大学 土木工程学院； 4.中交第二公路勘察设计研究院有限公司)

近年来，随着人们环保意识越来越强，如何实现钢渣等工业废渣的二次利用已经成为国内外研究的重点。大量研究结果表明：将钢渣应用于沥青混合料中部分或全部替代天然集料是可行的。用于沥青路面面层作为磨耗层的SAC-10沥青混合料，不仅起到路面抗滑与抗磨耗的作用，而且受自然环境因素影响较大，因此对沥青混合料各项路用性能技术指标要求较高。钢渣作为工业废渣，若处理不当将会污染环境且不利于资源的有效利用。但由于其良好的材料特性，可作为集料用于沥青混合料中，用适当级配的钢渣等比例替换SAC-10沥青混合料中的集料，能够改进SAC-10沥青混合料各项路用性能，与此同时，也能够实现资源的循环利用。

该文首先运用标准马歇尔试验研究方法，获得SAC-10沥青混合料在不同钢渣等比例替换掺量下的最佳沥青用量。再通过车辙试验确定出钢渣的最佳掺量，最后采用间接拉伸试验以及浸水马歇尔试验等室内试验，对其余各项路用性能指标进行较为系统的研究，并对各项试验结果加以分析，以便更好地指导钢渣代替天然集料在SAC-10沥青混合料中的推广应用。

1 试验材料及技术指标

1.1 钢渣矿物组成及化学组分

试验采用重庆钢铁(集团)有限责任公司(简称“重钢”)转炉钢渣，化学组分及含量见表1。

表1 钢渣的化学组分及含量 %

由常用碱度计算公式，计算得到该文采用的重钢钢渣碱度值为3.55，属于高碱度渣(>2.5为高碱度渣)。具有强碱性的钢渣集料能够与具有弱酸性的沥青发生化学反应，使得集料与胶结料的黏结力变大，钢渣沥青混合料的力学强度随之增大。

1.2 钢渣体积稳定性

高碱度钢渣组分中存有不稳定状态的游离氧化钙，这种不稳定成分遇水时会发生水解，造成钢渣表观体积变大。为了避免因钢渣体积膨胀造成沥青混合料的黏结失效甚至发生强度破坏，对试验采用的重钢钢渣进行膨胀性检测，观察重钢钢渣经过10 d浸水处理后膨胀率变化情况，观测结果见表2。

由表2可知：3种样品的10 d浸水膨胀率均值为1.25%。满足YB/T 4184-2009《钢渣混合料路面基层施工技术规范》规定的路用钢渣浸水过后的膨胀率小于等于2.0%的要求。

表2 钢渣10 d膨胀变化情况

1.3 钢渣的物理力学特性

通过不同试验方法测定钢渣物理力学指标，并与JTG F40-2004《沥青路面施工技术规范》对各种用于集料的路面材料技术标准进行比较，结果见表3。

由表3可知：除吸水率不满足规定标准值外，其余各项力学技术指标都满足JTG F40-2004《沥青路面施工技术规范》要求。分析钢渣吸水率偏大的原因，很大程度上是由于其表面粗糙多孔的构造特征。这种多孔结构对水的物理吸附作用增强，导致钢渣吸水率偏大。导致在进行混合料的配合比设计时，沥青胶结料用量增多，但对于混合料路用性能的影响并不十分显著。

1.4 钢渣的筛分结果

为了保证回收重钢钢渣用于沥青混合料集料的可行性，根据JTG E42-2005《公路工程集料试验规程》T0302-2005粗集料及集料混合料的筛分试验方法对重钢钢渣进行筛分，结果见表4。

表3 钢渣物理力学性能指标

表4 重钢钢渣筛分结果

由表4可以看出：重钢钢渣的大粒径颗粒的含量较少，粒径主要分布在0.3～13.2 mm之间，这为钢渣等比例替换SAC-10沥青混合料中的各档集料提供了良好的条件。

1.5 其他材料

胶结料选用SBS改性沥青，粗集料选用玄武岩，细集料选用石灰岩石屑，填料选用石灰岩矿粉，材料的技术指标测试结果见表5～8。

表5 SBS改性沥青技术指标测定结果

表6 粗集料技术指标测定结果

表7 细集料技术指标测定结果

表8 石灰岩矿粉技术指标测定结果

2 钢渣沥青混合料配合比设计

2.1 级配设计

采用文献[6]中提出的多碎石沥青混凝土SAC系列标准对SAC-10沥青混合料的推荐级配，级配值见表9。

2.2 最佳油石比确定

按照级配设计结果的矿料级配进行配料，将玄武岩、石灰岩按照级配设计值以及不同钢渣掺量值进行称量，分别取不同油石比的SBS改性沥青胶结料，并按照JTG F-2004《公路沥青路面施工技术规范实施手册》标准制备标准马歇尔试件，确定最佳油石比。试验结果见表10。

表9 SAC-10沥青混合料级配设计值

由表10可知：随着钢渣等比例替换掺量的不断增多，钢渣SAC-10沥青混合料的油石比含量持续增大，分析造成这种趋势的原因，主要是钢渣表面粗糙而且多孔的结构造成的。钢渣掺量越多，集料的总体表观密度越大，矿料间隙率也随之增大，需要的沥青用量也就越多，最终造成混合料的油石比增大。

表10 SAC-10沥青混合料油石比试验结果 %

注：a1为视密度最大值的油石比；a2为稳定度最大值的油石比；a3为规范建议空隙率范围中值的油石比；a4为沥青饱和度范围中值的油石比；OAC1为由a1、a2、a3、a4确定的沥青用量；OAC2为由沥青混合料技术标注规定的OACmin及OACmax确定的沥青用量；OAC为由OAC1及OAC2确定的最佳沥青用量。

2.3 钢渣SAC-10沥青混合料吸水率试验

钢渣集料的吸水率较大，在测定最佳油石比的基础上，根据JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0705-2011压实沥青混合料密度试验(表干法)，测定等比例替换天然集料不同钢渣掺量下，SAC-10沥青混合料最佳油石比成型马歇尔试件的吸水率，试验结果见表11。

表11 钢渣SAC-10沥青混合料吸水率试验结果

由表11可知：随着钢渣掺量的增加，SAC-10沥青混合料的吸水率呈现出持续增大的趋势，钢渣掺量为100%时相比于未掺加钢渣时的SAC-10沥青混合料的吸水率增加了0.9%，虽然钢渣的吸水率较大，但由于沥青对于钢渣集料的裹附作用，钢渣沥青混合料的吸水率受钢渣掺量的影响并不显著。

3 混合料路用性能研究

3.1 高温稳定性

相比于马歇尔试验，车辙试验能够更加全面地考虑到沥青混合料在高温条件下发生变形的力学环境，能够比较真实地反映沥青路面的实际荷载作用情况。因此，运用车辙试验的方法检测沥青混合料的高温性能结果会更加可靠。对于SAC-10沥青混合料，按照每档集料的等比例替换方式，将钢渣掺量从0%以20%等间距加到100%，采用表10中的最佳油石比称取各档集料和SBS沥青胶结料的质量并制成标准车辙板试件，以动稳定度(DS)作为评价指标进行车辙试验，最终结果见图1。

图1 SAC-10沥青混合料动稳定度试验结果

由图1可以看出：随着钢渣等比例替换掺量的增加，SAC-10沥青混合料的动稳定度值表现为先上升后下降的走势，当钢渣等比例替换掺量为60%时，动稳定度值高达7 700次/mm，相对于未替换集料时的动稳定度值3 706次/mm增加了1倍多，说明钢渣的掺入在很大程度上改善了SAC-10沥青混合料的高温性能，但钢渣掺量与混合料的高温性能变优不成正比。对于SAC-10沥青混合料来说，高温性能最好时钢渣的最佳掺入量为每档等比例替换60%。

钢渣作为集料明显地改善了SAC-10沥青混合料的高温性能，分析其主要原因如下：① 具有弱酸性的沥青与碱度较高的重钢钢渣，产生一系列化学耦合作用，使得SAC-10沥青混合料的力学性能变好，进而使得沥青路面经受高温变形的能力变大；② 重钢钢渣表面粗糙且为多孔结构，孔的吸附作用使得集料表面有效沥青的物理吸附力增大，路面在高温季节条件下的泛油几率减小，延缓了行车作用下路面产生较大车辙变形的时间，最终使得沥青路面的整体寿命周期加以延长。

3.2 低温抗裂性

通常沥青路面的抗拉强度受不利季节条件下低温环境的影响较大，温度过低造成路面温缩裂缝是沥青混合料常见的病害之一。该文选用间接拉伸试验对钢渣代替天然集料每档等比例掺量分别为0%和60%时的SAC-10沥青混合料低温抗裂性能进行试验对比分析，施加荷载速度为50 mm/min，最终试验结果见表12。

表12 劈裂抗拉强度试验结果

由表12可知：钢渣SAC-10沥青混合料的劈裂强度和劲度模量随着温度的下降表现为先增加后减少的趋势，破坏拉伸应变持续增大。钢渣每档等比例代替掺量分别为0%和60%时，对于低温抗裂性能没有太大差别，掺入钢渣后的劲度模量略有减小，说明钢渣对SAC-10沥青混合料低温路用性能技术指标并无不利影响，且在很大程度上对混合料的低温性能有所改善。

3.3 水稳定性

3.3.1 浸水马歇尔试验

浸水马歇尔试验可用来检测SAC-10沥青混合料在水的作用之后，混合料的结构抵抗剥落的能力。首先制备两组标准马歇尔试件，取两个相同条件的(60±0.5) ℃水浴试验箱，将各组试件放置在编号不同的水浴试验箱中保温处理30 min和48 h，然后测定各组的马歇尔稳定度，结果见表13。

表13 沥青混合料SAC-10(60%钢渣掺量)

由表13可知：SAC-10沥青混合料水浴之后的残留稳定度值为95.1%，满足技术指标大于等于75%的规范要求，说明钢渣每档等比例替换天然集料的比例为60%后明显提高了SAC-10沥青混合料抵抗浸水破坏的能力。

3.3.2 冻融劈裂试验

冻融劈裂试验通过检测SAC-10沥青混合料在不同温度的水浴中经受冻融循环之后劈裂破坏的强度比，从而判定混合料的水稳定性。对SAC-10沥青混合料进行冻融劈裂试验，首先制备两组标准马歇尔试件，将其中一组试件进行真空保水处理后，依次进行(-18±1) ℃和(60±1) ℃温度的冻融循环处理，进行劈裂试验；另一组试件直接进行劈裂试验。劈裂试验条件参照JTJ 052-2000《冻融劈裂试验规程》标准选取，劈裂试验温度为(25±0.5) ℃，加载速率设定为50 mm/min。分别计算未进行冻融和经过冻融后试件的劈裂抗拉强度值，最后进行比值计算，得出劈裂强度比，试验数据见表14。

表14 沥青混合料SAC-10(60%)冻融劈裂试验结果

由表14可知：钢渣每档等比例替换天然集料的比例为60%后，SAC-10沥青混合料的劈裂抗拉强度比值为85.1%，满足SAC-10沥青混合料对于水稳定性的技术标准大于等于80%规范值的要求。

3.4 膨胀性

虽然该文在试验材料及技术指标部分已经对钢渣的浸水膨胀率进行测试，结果也满足规范要求。但为了保证钢渣SAC-10沥青路面的使用寿命，路面不致发生膨胀而损坏，现对钢渣SAC-10沥青混合料进行膨胀性试验。成型标准马歇尔试件，首先测定其体积V1，然后把测定后的试件放置在(60±0.5) ℃温度的水浴箱里进行保温处理72 h，并测定水浴处理后的体积V2，膨胀性试验结果见表15。

表15 沥青混合料SAC-10(60%)膨胀率试验结果

由表15可知：SAC-10沥青混合料的浸水膨胀率为0.87%，远小于SAC-10沥青混合料膨胀率小于等于1.5%的技术要求。此外，由表2可以看出：钢渣的10 d体积变化均值为1.25%，说明沥青胶结料将钢渣包裹后，对钢渣的膨胀有抑制作用，这对于混合料的长期稳定性是非常有利的，可提高沥青路面的使用寿命。

3.5 抗滑性

利用摆式仪检测SAC-10沥青混合料的抗滑性能。成型标准车辙板试件进行试验，并将测得的摆值换算为横向力系数，试验结果见表16。

表16 沥青混合料SAC-10(60%)抗滑性能试验结果

试验结果表明，钢渣SAC-10沥青混合料的摆值BNP为95.2，大于标准值92.7，横向力系数SFC60值为139，远远大于规范对于高等级路面横向力系数大于等于54的技术标准要求，说明钢渣等比例替换SAC-10沥青混合料的天然集料后在很大程度上能够提高SAC-10沥青混合料的抗滑性。

4 经济效益分析

钢渣每档等比例掺量为60%(0%)时，混合料的最佳油石比为6.12%(4.80%)，测定最佳沥青用量为5.77%(4.58%)，毛体积密度为2.469 2 g/cm3(2.519 9 g/cm3)。通过对材料单价的市场调查，得知成品SBS改性沥青的价格约为5 600元/t，钢渣为20元/t，石灰岩碎石为35元/t，玄武岩价格为55元/t，矿粉为165元/t。测算出未掺加钢渣的SAC-10沥青混合料的成本为625元/m3，钢渣掺量为60%的SAC-10沥青混合料的成本为706元/m3，钢渣SAC-10沥青混合料的成本稍有增加。但从长远来看，钢渣SAC-10沥青混合料良好的路用性能能够延长路面使用寿命，可以最大限度地减少路面运营期间的养护成本。此外，将钢渣应用于公路建设，既减少堆放节约空间资源，又可节约天然石材。因此，钢渣集料用于沥青混合料经济社会效益良好。

5 结论

对用于沥青路面磨耗层的SAC-10沥青混合料，集料的表面纹理和构造特性对混合料的结构强度及其耐磨性能的影响较大，这是由于沥青胶结料更容易与表面多孔而且粗糙的集料黏结。钢渣表面粗糙多孔的构造特征，能够对沥青形成较强的物理吸附作用，使得集料与沥青的整体黏结性能增强。将钢渣掺入SAC-10沥青混合料中，通过理论分析与试验验证得到以下结论：

(1) 钢渣等比例替换掺入后明显地改善了SAC-10沥青混合料的路用性能，这是因为钢渣表面粗糙的物理特性及高碱度的化学特征，使得掺入钢渣的SAC-10沥青混合料中集料与沥青胶结料的物理化学耦合作用增强，改善了混合料的结构强度，当钢渣每档等比例替换天然集料比例为60%时SAC-10沥青混合料的高温性能最佳。

(2) 钢渣每档等比例替换天然集料比例为60%时，进行其他路用性能技术指标的试验研究，试验结果分析表明：SAC-10沥青混合料的低温抗裂性、水稳定性、体积稳定性及抗滑性能较好且均满足技术要求。

(3) 该文只针对钢渣等比例替换天然集料的SAC-10沥青混合料的路用性能进行了室内试验研究，并未进行工程实践验证，对于钢渣SAC-10沥青混合料的工程应用及施工工艺等有待进一步研究。