钢渣沥青混合料的路用性能研究

2021-11-08李瑞娇农纪源李益小

西部交通科技 2021年8期

李瑞娇，农纪源，谭毅，李益小

(1.广西北部湾投资集团有限公司钦北高速公路改扩建工程建设指挥部，广西北海 536000；2.广西交科集团有限公司，广西南宁 530007)

0 引言

近年来，随着人们环保意识的增强，废料的处理逐步进入人们视野。目前废料大致可分为以下几类：(1)工业废料，如纤维素废料、木质素、炉渣、粉煤灰等；(2)城市/生活垃圾，如焚烧炉残渣、废橡胶、废玻璃和屋顶瓦等；(3)采矿废料，如煤矿垃圾。传统掩埋方式，对环境影响较大，同时现有很多新型处理方式处理量较小，因此需要寻找一种可以大量利用废料的处理方法。目前土木工程师正探索可在土木与公路工程领域应用的一种技术合理、成本效益好及环保的利用方式。

钢渣是炼钢过程的副产物，其产量约为粗钢产量的8%～15%[1]。通过一定的工艺，可使钢渣的外观几何形状与力学性能达到所需要求，并使其具有表面粗糙和耐磨的特点，有望成为沥青混合料中天然石料的替代品。而我国道路工程领域的钢渣利用率不足2%[2]。因此，将钢渣用到沥青混合料中，有望提高沥青路面使用质量，并且也可能达到较好的社会、经济和环境等效益。

目前大量道路工作中已对钢渣在沥青混合料中的应用进行了深入研究。如薛永杰[3]研究了钢渣在沥青路面面层中的适用性。周启伟[4]研究了三种钢渣沥青混合料，得到钢渣沥青混合料的体积膨胀率和水稳定性较好，均满足规范要求，且高温稳定性也较好。庹峻玮[5]研究了AC-13与ATB-25沥青混合料的高温、低温、水稳定性、抗滑性能和体积安定性。谢勇等[6]测试了三种钢渣沥青混合料(SMA-10、AC-20、ATB-25)的低温抗裂性、高温稳定性、水稳定性以及体积膨胀性能，均符合工程要求。Asi I M[7]研究了Superpave钢渣沥青混合料的抗滑性能，并得到30%的掺加量可提高其抗滑性能。Kavussi等[8]研究了钢渣沥青混合料的疲劳性能，结果表明钢渣可提升沥青混合料的疲劳性能。可见，钢渣对沥青混合料的各项路用性能具有一定影响，且这些影响与多种因素有关，如钢渣掺入方式、级配类型、沥青类型、钢渣的性质等，而目前缺乏对钢渣沥青混合料的系统研究。因此，本文选取两种不同骨架结构的沥青混合料(AC-13和SMA-13)来进行钢渣沥青混合料配合比设计及路用性能分析。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验采用的母体沥青为SBS改性沥青。根据JTE E20-2011[9]，测定的SBS改性沥青技术指标如表1所示。

表1 沥青技术指标表

集料选用玄武岩，矿粉选用石灰岩，相关技术指标满足《公路沥青路面施工技术规范》的要求[10]。根据《公路工程集料试验规程》[11]，测定了钢渣的相关性质。本文所用钢渣的级配如表2所示，可见粒径主要分布在2.36～13.2 mm之间。采用网篮法测得的各档料的密度和吸水率如表3所示。表3表明钢渣的相对密度及吸水率均满足《道路用钢渣》规范的要求[12]。钢渣的压碎值及洛杉矶磨耗值分别为15.50%和14.34%，均满足规范要求。其他相关技术指标也满足规范要求。

表2 钢渣的级配表

表3 钢渣的密度及吸水率表

钢渣的组成成分会受到炼钢原材料及工艺影响，因此不同来源的钢渣可能化学成分变化较大，但经过对已有钢渣的统计及测试表明，其主要化学成分基本相同。采用X射线荧光光谱仪测定了其化学成分，如表4所示。钢渣的碱度值M可通过化学组分来计算，MasonB提出了碱度值计算公式，即

表4 钢渣的化学成分表

(1)

式中，w(CaO)、w(SiO 2)、w(P2O 5)分别为CaO、SiO2及P2O5的含量。根据碱度值，钢渣可分为低碱度渣(M<1.8)、中碱度渣(1.82.5)。因此，本研究所用钢渣为高碱度渣，活性很好。另外，矿物材料也可根据SiO2的含量来划分：酸性(w(SiO 2)>65%)、中性(52%

1.2 混合料制备

本文制备AC-13和SMA-13两种混合料，其矿料组合方式分两种：(1)玄武岩(粒径>13.2 mm的粗集料)+钢渣(粒径处于2.36～13.2 mm之间的粗集料)+石灰岩(2.36 mm以下的细集料+矿粉)；(2)玄武岩(粒径处于2.36～13.2 mm的粗集料)+石灰岩(2.36 mm以下的细集料+矿粉)。

两种混合料的设计级配取级配范围中值，如图1和图2所示。通常集料所采用的级配理论是体积设计理论。实际工程中，通常采用的是质量法来制备沥青混合料，《公路沥青路面施工技术规范》中，将通过率看作质量百分率。这对于密度一致或相差不大的集料是可行的，所产生的误差忽略不计，但当所用集料的密度相差较大时，就应该进行相应的体积-质量换算得到不同集料的实际掺入质量的配合比。考虑到钢渣的密度比玄武岩大很多，因此本文所用钢渣是基于体积法对玄武岩的替代。图1和图2中的累计通过率为体积通过率。

图2 SMA-13沥青混合料的设计级配图

由于钢渣为多孔材料，其吸水率较高。可能导致表面吸收的沥青较多，从而影响沥青吸收系数的计算。国内规范《公路工程沥青路面施工技术规范》中沥青吸收系数C与吸水率的关系，仅适用于吸水率在0.5%～1.7%范围内的集料。因此，钢渣的沥青吸收系数不能采用规范中的沥青吸收系数公式。同时考虑到本文所用沥青为SBS改性沥青，最大理论密度的计算必须采用计算法求取，因此，为回避沥青吸收系数所带来的问题，本文利用廖玉春改进的沥青浸渍法[13]来实测钢渣的有效相对密度。获得有效相对密度后，可根据下式计算最大理论相对密度：

(2)

式中，γ1、γ2…、γn——各档料的有效相对密度(无量纲)；

P1、P2…、Pn——各档料占矿料总质量的百分比(%)；

Pa——沥青混合料的油石比(%)；

γa——沥青的25 ℃相对密度(无量纲)。

根据马歇尔试验及计算的体积参数，得到沥青混合料的油石比如表5所示。

表5 不同沥青混合料的油石比表(%)

2 钢渣沥青混合料的路用性能研究

2.1 高温稳定性分析

本文以车辙试验评价钢渣沥青混合料的高温稳定性。根据确定的配合比，制备300 mm×300 mm×50 mm的车辙试件，在60 ℃和0.7 MPa的条件下，以42次/min的碾压速度下，对试件进行车辙碾压。车辙试验结果如图3所示。

图3 不同沥青混合料的动稳定度柱状图

由图3可知，AC-13钢渣沥青混合料的动稳定度较低，SMA-13钢渣沥青混合料的动稳定度则较高。这表明不同级配的混合料，钢渣在其中发挥不同的作用，导致高温稳定性的变化效果具有很大差异。AC-13作为一种悬浮型结构，此时沥青用量可能发挥较大作用，骨料嵌挤作用次之，而钢渣沥青混合料的沥青用量稍大，导致钢渣沥青混合料更易发生变形；而SMA-13为骨架结构，其抗变形能力更取决于集料间的嵌挤，而钢渣多孔、内摩阻力更大，导致钢渣沥青混合料的动稳定度更大。

2.2 低温抗裂性能分析

本文以低温弯曲试验评价钢渣沥青混合料的高温稳定性。根据确定的配合比，制备300 mm×300 mm×50 mm的车辙试件，并切割成250 mm×30 mm×35 mmde小梁试件，每种混合料均设置4个平行试件，然后在-10 ℃的环境箱中保温5 h以上，采用UTM-15系统以50 mm/min的加载速率进行弯曲试验。图4给出了不同沥青混合料的低温弯曲试验结果。

由图4可知，AC-13钢渣沥青混合料与AC-13玄武岩混合料的弯拉强度、最大弯拉应变及蠕变劲度模量接近，而对于SMA-13混合料，钢渣的加入增强了混合料的弯拉强度和最大弯拉应变，却降低了混合料的蠕变劲度模量，且钢渣沥青混合料的断裂能较大。因此，经综合考虑，钢渣对玄武岩的体积替代改善了沥青混合料的低温抗裂性能。这可能是由于钢渣具有更多表面孔隙，可吸附更多沥青，沥青膜更厚，钢渣与沥青的粘附性更好。同时，钢渣对SMA混合料的低温性能改善更加明显。

(a)弯拉强度

2.3 水稳定性分析

本文采用冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验来评价水稳定性。冻融劈裂试验主要采用劈裂抗拉强度比评价混合料的水稳定性。本文首先成型马歇尔试件，击实次数为50次。每种混合料8个试件，其中4个为非冻融状态，在室温保存；其他4个进行冻融处理，先真空保存，再在-18 ℃的冰箱中冷冻16 h，然后在60 ℃恒温水浴箱中保温24 h，最终，将8个试件在25 ℃的恒温水浴箱中保温2 h。根据规范进行劈裂试验，并计算劈裂抗拉强度比(TSR)，结果如表6所示。

表6 不同沥青混合料的劈裂强度比表(TSR)

表6表明，在这两种级配中，钢渣对玄武岩的体积替代，对劈裂强度比影响极小，替代前后劈裂强度比非常接近，这说明钢渣与沥青具有较好的粘附性，冻融处理对粘结状态的影响较小，水分难以进入集料内部。另外，SMA级配混合料的劈裂强度比小于AC-13，这说明与悬浮型沥青混合料相比，水分更易侵入骨架型沥青混合料。钢渣沥青混合料的冻融劈裂强度比TSR满足规范要求。

浸水马歇尔试验根据JTG E20-2011中的试验方法进行。平行试件个数为3个。表7给出了不同沥青混合料的残留马歇尔稳定度。两种钢渣沥青混合料的残留马歇尔稳定度有所增加，且满足规范要求。

表7 不同沥青混合料的残留马歇尔稳定度表(%)

由于钢渣中存在CaO，钢渣沥青混合料易产生膨胀破坏，因此，有必要对其膨胀率进行检验。同样成型马歇尔试件，总共8个，每组4个平行试件，在60 ℃恒温水浴中保温72 h，测定试件的体积膨胀率。试验结果表明：两种钢渣沥青混合料的体积膨胀率均<1.5%，且无明显鼓包现象。

2.4 抗滑性能分析

足够的沥青路面抗滑性能对沥青路面行车安全至关重要。通常，抗滑性能与集料的外观形貌、尺寸、表面构造深度等有关。本文采用JTG E60-2008中的摆式摩擦仪法和手工铺沙法，来测定沥青混合料的抗滑性能。首先，按确定的配合比成型300 mm×300 mm×50 mm车辙试件，每种混合料4个平行试件。测定结果如表8所示。