掺钢渣胶粉改性沥青混合料制备及性能研究

2021-05-04屈莲花

内蒙古公路与运输 2021年2期

屈莲花

（乌海市公路工程质量监督站，内蒙古乌海 016000）

1 引言

随着钢铁需求的增加，钢渣占用了大量的土地资源，同时长期堆放还会增加重金属离子析出的潜在危害性，而我国现阶段钢渣利用率为42%左右[1，2]。目前我国废旧轮胎回收利用率也只有约60%[3]，钢渣、废旧轮胎给生态环境等带来新的挑战[4]。如何对钢渣和废旧轮胎进行资源化再利用，成为业届研究热点。

目前，欧美、日本等国外国家将钢渣作为道路建筑材料广泛应用于道路路基路面建设，据悉国外钢渣利用率可以高达60%～80%，说明钢渣是一种性能相对稳定的钢渣集料[5，6]。国内针对钢渣在道路工程中的应用也开展了深入的研究，但是多数局限于室内试验和试验路段的铺筑，并没有大规模的应用。主要原因是钢渣中存在大量的游离氧化钙和游离氧化镁，导致混凝土体积膨胀存在潜在的安全隐患；同时由于钢渣中存在部分重金属离子，在长期服役过程中容易发生重金属离子析出事故，限制了钢渣的大面积推广应用[7]。

胶粉改性沥青由于具有优异路用性能、环保性能受到全世界道路基础建设的青睐[8]。我国于1978 年前后开始针对胶粉改性沥青及沥青混合料进行了大量的研究及应用。有研究表明，胶粉的添加可以有效增加沥青的粘聚力、进而使得沥青与集料的黏附性能增加[9]，同时胶粉的添加使得混合料比表面积增加，沥青与胶粉颗粒裹敷于集料表面可提高混合料中沥青膜的厚度，有效提高应力分散和吸取能力、提高高、低温性能和水稳性能并降低沥青路面的噪音[10]。

综上，钢渣、胶粉改性沥青混凝土都有人研究，但是对于掺钢渣胶粉改性沥青混凝土的研究比较少。基于此，本文利用胶粉改性沥青可以有效增加沥青混合料沥青膜厚度的原理[11]，设计制备掺钢渣胶粉改性沥青混合料并进行路用性能验证，以期解决钢渣因体积膨胀限制替代天然粗集料应用到沥青路面的问题，为钢渣和废旧轮胎协同循环利用提供有效途径。

2 材料与方法

2.1 沥青

本课题采用的胶粉改性沥青由20%（外掺）的40目橡胶粉加入到180℃的90 号基质沥青搅拌30min，然后利用高速剪切仪以5000r/min 的转速剪切搅拌30min后自制而成。制备的胶粉改性沥青及成品SBS 改性技术指标见表1。

表1 改性沥青技术指标

2.2 集料

由于钢渣特殊的理化特性，多数钢渣沥青混合料的制备是将钢渣用做大于4.75mm 的粗集料而非细集料[12]。所以本文采用的细集料及填料分别为0～3mm 机制砂、3mm～5mm石屑以及石灰岩研磨的矿粉，且经检测其技术指标均满足公路沥青路面施工技术规范的要求。粗集料分别选用钢渣、玄武岩和石灰岩三种类型。其中钢渣为包钢生产并经过陈化检测合格的样品，玄武岩及石灰岩为常用粗集料，具体试验测试结果见表2。

表2 粗集料技术指标

由表2所知，钢渣的主要理化指标均满足现行规范要求。且钢渣具有优异的耐磨性能，同时针片状含量远小于内蒙古常用玄武岩针片状含量，降低了在施工中的难度，是生态环境贫瘠优质集料匮乏地区粗集料的优良替代品。

2.3 配合比设计及试验方案

本次掺钢渣胶粉改性沥青混合料路用性能研究，采用内蒙古地区路面上面层常用AC-16型密集配。为方便对比分析，不同岩性的粗集料采用相近的合成级配，最终合成的矿料级配如图1所示。试验采用马歇尔击实试验，利用体积参数进行最佳油石比设计。不同岩性粗集料的最佳油石比及其体积参数见表3。

图1 不同岩性粗集料AC-16型矿料合成级配曲线

表3 不同岩性粗集料最佳油石比及技术指标

由表3所知，无论是钢渣的添加还是胶粉的添加都会提高沥青混合料的油石比，是由于胶粉本身颗粒细小，其比表面积增加进而提高了沥青的用量；同时已有研究成果显示钢渣具有多孔特性，在沥青混合料的拌合过程中只有沥青进入钢渣孔洞形成结构沥青，提高油石比的同时还增加了混合料的强度。

表4 不同岩性改性沥青混合料高温稳定性

3 试验结果分析

3.1 高温性能

利用60℃车辙试验验证两种胶结料三种不同岩性粗集料的沥青混合料高温稳定性，具体试验结果见表4。

从表4中数据可以看出，各类型改性沥青混合料的动稳定度均满足改性沥青动稳定度大于3000次/mm的规定；胶粉改性沥青混合料的高温性能较SBS改性沥青混合料好；不同岩性混合料高温稳定性排列顺序为：钢渣＞玄武岩＞石灰岩，主要是由于沥青含量的影响，粗集料对沥青的吸附导致结构沥青与自由沥青比例重组，结构沥青增加则高温稳定性好。

3.2 低温性能

本文采用小梁弯曲试验对两种胶结料三种不同岩性粗集料的沥青混合料进行低温抗裂性能验证。具体试验结果见表5。

表5 不同岩性改性沥青混合料低温性能

如表5 所示，按照现行规范依据，破坏应变作为评定指标，以上各类型低温弯曲都符合低温性能要求，同时各类型低温抗裂性能的排列顺序为钢渣+胶粉＞玄武岩+胶粉＞玄武岩+SBS＞石灰岩+胶粉＞石灰岩+SBS＞钢渣+SBS。出现这种情况的原因是钢渣的多孔特性增加了SBS改性沥青的用量、使得SBS改性沥青混合料沥青膜降低了破坏应变能，增加了强度（弯拉强度和弯曲劲度模量都比较大），钢渣胶粉改性沥青同样增加了强度，但是由于胶粉颗粒增加了沥青黏弹性，使得在发生弯曲破坏过程中抵消了部分弯曲破坏能，需要更多的破坏应变能力、进而提高了低温抗裂性能。

3.3 水稳性能

利用冻融劈裂和浸水马歇尔试验验证两种胶结料三种不同岩性粗集料的沥青混合料水稳性能，具体试验结果见表6。

表6 不同岩性改性沥青混合料水稳性能

如表6所示，比较各类型沥青混合料的水稳定性技术指标发现：残留稳定度均大于80%，冻融劈裂强度比均大于75%，设计的沥青混合料水稳性能满足规范要求。掺钢渣类沥青混合料水稳性能稍弱于石灰岩，但是较玄武岩类改性沥青混合料有所提高。主要原因是，钢渣与石灰岩均属于偏碱性材料，与沥青胶结料有较好的粘附性能，而玄武岩属于中性类；掺钢渣胶粉改性沥青混合料水稳性能较强于SBS改性沥青混合料的水稳性能强，是因为钢渣的多孔特性使得混合料中自由沥青减少，而胶粉改性沥青油石比的增加对此进行了补充。而SBS缺少补充机制，导致在长时间高温浸泡和冻融循环下产生的微裂纹扩散发生水毁侵蚀。同时胶粉改性沥青由于胶粉颗粒的存在，使得微裂纹在扩散过程中受到阻隔，有效抑制了裂纹贯穿，进一步起到了防水和重金属离子析出。由此表明钢渣和胶粉改性沥青配伍性能良好。