钢渣沥青混合料路用性能及粗集料棱角性分析研究

王恩波 王小冬 侯博元

摘 要：为了研究钢渣对沥青混合料路用性能的影响，本文通过试验对比分析了以玄武岩和钢渣为粗集料时，AC-13和SMA-13两种沥青混合料的高温稳定性﹑低温抗裂性﹑水稳定性﹑抗滑性和动态流变性能，并由数字图像分析技术对比了SMA-13中玄武岩和钢渣颗粒的棱角性。试验结果显示：钢渣对AC-13的高温稳定性起弱化作用，对SMA-13的高温稳定性起增强作用;钢渣对AC-13和SMA-13的低温抗裂性﹑水稳定性和抗滑性都起到明显的增强作用，且能提高两种沥青混合料在高温和低温时的车辙因子，改变沥青混合料的动态流变属性;相比于玄武岩颗粒，钢渣颗粒的棱角性更明显。

关键词：道路工程;钢渣沥青混合料;路用性能;动态流变性能;棱角性

中图分类号：U414 文献标识码：A     文章编号：1001-5922（2021）10-0178-04

Analysis and Research on Pavement Performance and Rough Aggregate Angularity of Steel Slag Asphalt Mixture

Wang Enbo1， Wang Xiaodong2， Hou Boyuan3

（1. Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China; 2. China United Northwest Institute for Engineering Design & Research Co.， Ltd.， Xi an 710082， China ; 3. Beijing Anjie Engineering Consulting Co.， Ltd.， Beijing 100037， China）

Abstract：In order to study the influence of steel slag on the pavement performance of asphalt mixture， this paper compares and analyzes the high temperature stability， low temperature crack resistance， water stability， skid resistance and dynamic rheological properties of AC-13 and SMA-13 asphalt mixtures when basalt and steel slag are used as coarse aggregates through experiments， and by digital image analysis technology compared SMA-13 basalt and steel slag particles angularity. The results show that steel slag weakens the high temperature stability of AC-13 and enhances the high temperature stability of SMA-13， and steel slag enhances the low temperature anti-crack water stability and anti-slide property of AC-13 and SMA-13， the rutting factor of two kinds of asphalt mixture at high and low temperature can be improved， and the dynamic rheological property of asphalt mixture can be changed， compared with basalt particles， the angularity of steel slag particles is more obvious.

Key words：road engineering; slag asphalt mixture; road performance; dynamic rheological performance; angularity

0 前言

鋼渣是炼钢时产生的副产物，在我国每年的产量都维持在一亿吨作用，但其利用率仅为25%左右[1～3]，大量的废弃钢渣不仅占用了大量的土地，而且对环境造成了极大的污染[4～5]，因此如何合理利用钢渣对经济社会至关重要。另一方面随着我国道路交通事业的迅速发展，且对环境保护的要求越来越高，传统的路面碎石集料来源受到越来越多的限制[6～8]，因此寻求优质稳定的新型道路材料具有重要的现实意义。而钢渣具有良好的棱角性，较高的硬度和强度，耐磨性能好，力学性质与天然石料较接近[9～10]，将其应用在道路工程中，不仅能实现废弃材料的再利用，而且能对节省工程造价和保护环境产生良好的效应。然而将钢渣掺入沥青混合料中，沥青混合料路用性能会发生怎样的改变，值得深入研究。基于此，文章选用AC-13和SMA-13两种沥青混合料，测定钢渣掺入后两种沥青混合料路用性能和动态流变性能的变化规律，分析钢渣在道路工程中利用的可行性，为钢渣的循环再利用提高理论参考。

1 原材料

沥青选用AS70#基质沥青，基质沥青主要技术指标如表1所示;钢渣采用北京某公司生产的陈伏钢渣，经过筛分后取4.75～16mm为试验所用，经测定钢渣的各项物理力学性能指标均能满足《公路工程集料试验规程》（JTGE 42—2005）的要求，钢渣主要化学成分如表2所示。AC-13和SMA-13的合成级配如表3所示。经马歇尔试验确定的玄武岩AC-13﹑钢渣AC-13﹑玄武岩SMA-13和钢渣SMA-13四种沥青混合料的最佳油石比分别为4.9%、5.2%、4.0%和4.3%。

2 钢渣沥青混合料路用性能

对4种沥青混合料分别进行车辙试验﹑小梁低温弯曲试验﹑浸水马歇尔试验和抗滑性能试验，对比分析4种沥青混合料的路用性能指标，研究钢渣对沥青混合料路用性能的影响，试验结果如表4所示。

从表4可以看出，钢渣AC-13沥青混合料的动稳定度小于玄武岩AC-13，而钢渣SMA-13沥青混合料的动稳定度大于玄武岩SMA-13，表明沥青混合料级配类型不同，钢渣对高温稳定性的影响不同。解释其原因主要为，在骨架密实结构中，粗集料颗粒相互嵌挤，相比于玄武岩颗粒，钢渣骨料颗粒相互接触时具有更高的内摩阻力，因此对沥青混合料高温稳定性起到改善作用;而在悬浮密实结构中，钢渣颗粒与细集料的物理属性不同，在外力作用下更容易随细集料发生流动变形，因此反而对沥青混合料高温稳定性起弱化作用。钢渣AC-13沥青混合料和玄武岩AC-13沥青混合料的弯拉应变值差别较小，而在SMA-13沥青混合料中，钢渣的掺入明显提高了弯拉应变;AC-13和SMA-13两种沥青混合料中，钢渣的掺入都能明显提高沥青混合料的断裂能，表明钢渣能改善沥青混合料的低温抗裂性，且对SMA-13的改善效果更明顯。这是因为钢渣沥青混合料沥青用量更大，低温荷载作用下沥青混合料的变形能力更好，因此低温抗裂性更佳。

AC-13和SMA-13两种沥青混合料，用钢渣代替玄武岩粗集料后，两种沥青混合料的马歇尔残留稳定度均有所提高，表明钢渣能提高沥青混合料的水稳定性。解释其原因主要为，钢渣本身在高温水环境下的膨胀率较小，且钢渣呈碱性，与酸性的沥青有更强的粘结力，在水作用下发生剥落的可能性较小，因此沥青混合料水稳定性更佳。AC-13和SMA-13两种沥青混合料中，以钢渣替代玄武岩粗集料都会使路面的动态摩擦系数增大，抗滑性能得到改善，这主要是因为钢渣自身的磨耗值大于玄武岩集料，钢渣表面更佳的纹理结构能为路面提供更好的摩擦力，因此提高了抗滑性。

3 钢渣沥青混合料动态流变性能

为了研究钢渣对沥青混合料动态流变性能的影响，利用动态模量试验，测定4种沥青混合料复数模量E*和相位角δ 随加载频率的变化规律，并得到10℃和45℃时沥青混合料的车辙因子E*/sin δ，评价低温和高温时4种沥青混合料的动态流变性能，试验结果如图1所示。

从图1可以看出，在低温条件下，同种集料的AC-13和SMA-13沥青混合料的车辙因子相差很小，而当沥青混合料级配相同时，以钢渣为粗集料的沥青混合料的车辙因子明显大于以玄武岩集料为粗集料的沥青混合料，表明低温时沥青混合料的动态流变性主要取决于粗集料种类，受混合料级配类型的影响较小。这主要是因为低温时沥青模量和粘聚力较大，对沥青混合料整体的承载力贡献较多，因此级配类型对动态流变性能的影响较小。而集料不同，沥青混合料低温受力时整体的骨架承载力不同，相比于玄武岩集料，钢渣具有更高的力学强度，因此钢渣沥青混合料的车辙因子更大。

高温时相同集料的沥青混合料，SMA-13的车辙因子明显大于AC-13，当沥青混合料级配类型一致时，钢渣沥青混合料高温时的车辙因子明显大于玄武岩沥青混合料。这主要是因为高温时，沥青粘度降低，粘性成分比例增大。此时SMA-13良好的骨架结构有利于抵抗荷载作用下沥青混合料的变形的能力较好，因此车辙因子大于AC-13。沥青混合料级配类型相同时，钢渣较好的力学强度为沥青混合料提供了更好的承载力，因此比玄武岩沥青混合料的车辙因子大。

4 粗集料棱角性分析

为了探究钢渣对沥青混合料性能的改善机理，选用SMA-13沥青混合料，利用数字图像技术对沥青混合料中两种集料的棱角性进行对比分析。

分析时将粗集料颗粒看成是与图形区域拥有相同二阶中心矩的椭圆，等效椭圆表征了图形整体的轮廓形状。选取的评价集料棱角性的的二维参数指标有：

（1）表征集料宏观形状的等效椭圆的偏心率：对应在图形上即为椭圆的离心率，偏心率的大小代表了集料形状偏圆或是细长。

（2）棱角性指标J：表征集料轮廓的复杂程度，计算公式如下：

式中：P为颗粒轮廓周长;Pe为等效椭圆周长。

表征集料轮廓饱满程度的填充系数：对应到图形中即为图形面积与外接盒面积的比值。

表征集料细观棱角个数的Harris角点个数。

图2为两种粗集料对应的SMA-13时间界面的拍摄照片，将其通过MATLAB软件进行灰度化、图像增强和图像分割之后，滤去4.75mm及以下的颗粒和沥青胶浆，得到粗集料的二值图，如图3所示。

将图3对应的图像在MATLAB中计算等效椭圆的偏心率、棱角性指标和填充系数。将二值图压缩至283×283像素（如图4所示），搜索两种沥青混合料中粗集料的角点数，其中玄武岩SMA-13中搜索到265个角点，钢渣SMA-13中搜索到326个角点。利用MATLAB对harris函数公开代码计算得到平均每个集料拥有的角点个数。图像分析的结果如表5所示。

从表5可以看出，玄武岩粗集料的等效椭圆偏心率和棱角性指标小于钢渣，表明钢渣集料表面的边缘复杂程度较高;玄武岩的填充系数大于钢渣，平均角点个数小于钢渣，表明钢渣的棱角性较强。这就解释了钢渣沥青混合料比玄武岩沥青混合料路用性能较佳的原因。

5 结论

钢渣对沥青混合料高温稳定性的影响与集料级配类型有关，对AC-13起弱化作用，对SMA-13起增强作用;钢渣能明显改善AC-13和SMA-13沥青混合料的低温抗裂性﹑水稳定性和抗滑性。

低温时沥青混合料的车辙因子受集料级配类型的影响较小，而高温时SMA-13的车辙因子明显大于AC-13，这主要与高低温时沥青的粘弹性变化有关;高低温状态时，钢渣的掺入都能明显提高沥青混合料的车辙因子，改变沥青混合料的动态流变性能。

由数字图像分析可知，相比于玄武岩颗粒，钢渣颗粒的棱角性更明显，颗粒表面的边缘复杂程度更高。

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