AC-20全钢渣集料沥青混凝土路用性能试验研究

2022-01-07林志平肖光书杨斌杨黎宏袁燕刘勇

南昌大学学报（工科版） 2021年4期

林志平，肖光书,杨斌，杨黎宏,袁燕,刘勇

(1.福建省高速公路集团有限公司，福建福州 350001；2.福建路桥建设有限公司，福建福州 350009；3.漳州通广云平高速公路有限公司，福建漳州363305；4.福州大学土木工程学院，福建福州 350102)

改革开放以来，我国的公路建设取得了举世瞩目的成就。在这个过程中，公路高速的建设消耗了大量石料，大量开采石料导致环境破坏，这与“绿水青山就是金山银山”的发展理念背道而驰，寻找新集料替代品迫在眉睫。另一方面，炼钢过程中产生大量钢渣，数量约占粗钢产量的12%～15%[1]。而现阶段我国钢渣的综合利用率仅为22%[2]，进而导致大量钢渣堆积，浪费土地，甚至造成严重的环境污染问题。因此将钢渣用于沥青混合料具有重要的现实意义，不仅解决道路建设材料不足的问题，而且将钢渣变废为宝，减少环境污染。

国内外对钢渣在路面中的应用进行了大量的研究。Wang等[3-4]对钢渣的膨胀特性进行了研究，得出以下结论：可以通过游离氧化钙的含量估算钢渣膨胀率；正常情况下，钢渣膨胀率远小于其内部孔隙率。Asi等[5]研究了钢渣在沥青混合料中的应用，结果表明，用钢渣代替部分石灰岩粗集料能显著提高沥青混合料的间接拉伸强度、蠕变模量、抗车辙能力、疲劳寿命和抗剥落性能。Chen等[6]对密级配钢渣沥青混合料和SMA钢渣沥青混合料的工程性能进行了研究，结果表明钢渣沥青混合料比普通石料沥青混合料具有更高的间接拉伸强度和弹性模量；钢渣在密级配混合料中对其抗车辙能力无明显影响，而在SMA级配中车辙量显著减少。蒋子杰等[7]对比研究了钢渣与玄武岩的特性及其相应沥青混合料的性能，研究表明，钢渣能大幅提高混合料的动稳定度和弯拉应变；钢渣对混合料的水稳定性无不利影响，认为钢渣粗集料可以用于沥青路面上面层。薛永杰[8]对SMA钢渣沥青混合料的材料基本性能和混合料路用性能进行了较为全面的研究，认为钢渣沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性以及疲劳性能都比玄武岩和石灰岩沥青混合料优异。Chen等[9]研究了钢渣细集料用于沥青混合料的可行性，提出了一套改良流程对钢渣细集料表面进行处理，发现其用油量提升较少，路用性能和体积稳定性良好。卢发亮等[10]研究了AC-20钢渣沥青混合料和石灰岩沥青混合料的路用性能，发现钢渣沥青混合料具有良好的高温稳定性，但水稳定性较石灰岩混合料差，建议将钢渣用于路面中下面层。李伟等[11]对钢渣沥青混凝土抗压强度进行研究，发现油石比对钢渣沥青混凝土抗压强度影响较大，相同级配下，油石比越大，抗压强度越低，应控制沥青用量。刘兴姚等[12]研究了粗细钢渣取代部分天然粗集料和细集料对沥青混凝土抗疲劳性能的影响，结果表明，加入钢渣能大幅提高沥青混凝土的抗疲劳性能，其中细钢渣代替细集料对性能提升最显著。沈凡等[13]研究了钢渣再生沥青混凝土的路用性能，结果表明，AC和SMA级配钢渣再生沥青混凝土的高温稳定性、水稳定性、劈裂强度均满足规范要求。赵小彦[14]研究不同钢渣的沥青混凝土高温稳定性，研究表明，较热泼钢渣和热闷钢渣，滚筒钢渣沥青混凝土高温稳定性较好。

综上可知，国内外对钢渣沥青混合料实际应用问题做了许多细致研究。钢渣在破碎时会产生不同粒径的颗粒，而各种粒径的颗粒都可能成为沥青混合料的集料，但国内对钢渣微粉替代矿粉制备沥青混合料的可行性研究较少。目前在实验中仅有钢渣代替沥青混合料中的粗骨料进行研究，而用钢渣和钢渣微粉代替沥青混合料中全部粗细骨料研究较少。因此本文通过钢渣沥青混合料和砂岩沥青混合料的对比，分析钢渣和钢渣微粉代替沥青混合料中粗细骨料的可能性。

1 原材料特性及试验方法

1.1 试验材料及集料级配

AC-20沥青混合料分为钢渣试验组和砂岩对比组，钢渣试验组的粗细集料均为某钢铁厂所产钢渣，砂岩对比组的粗细集料均使用砂岩，其余材料两者相同。填料为掺入20%消石灰的矿粉，沥青为70#道路石油沥青。原材料的技术指标如表1～表3所示，矿料级配见表4。根据配合比试验结果，钢渣试验组最佳油石比为4.9%，砂岩对比组最佳油石比为4.5%。

表1 70#道路石油沥青指标Tab.1 Properties of 70# road asphalt

表2 砂岩和钢渣性能指标Tab.2 Properties of sandstone and steel slag

表3 钢渣浸水膨胀率试验结果Tab.3 Test results of steel slag swelling rate by immersion in water

表4 AC-20沥青混合料集料合成级配Tab.4 Gradation of aggregate for asphalt mixture AC-20

1.2 试验方法

采用扫描电子显微镜进行钢渣微观表面观测。通过马歇尔稳定度试验和室内标准车辙试验测试高温稳定性，试验参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[15]进行。通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验测试其水稳定性，冻融劈裂试验参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》。通过间接拉伸试验评价低温抗裂性，试验参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》。通过摆式摩擦仪和手工铺砂法，测定路面抗滑性相关系数，试验参照JTG 3450—2019《公路路基路面现场测试规程》[16]。采用JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》[17]的方法测定沥青混合料的膨胀性。

2 试验结果与讨论

2.1 钢渣的显微结构

采用Quanta 250型扫描电子显微镜对钢渣和砂岩微观表面进行观测，两种集料的显微结构如图1、图2所示。

图1 放大10 000倍的钢渣表面Fig.1 10 000 times magnified steel slag surface

图2 放大10 000倍的砂岩表面Fig.2 10 000 times magnified sandstone surface

可知，钢渣内的晶体结构各不相同，呈网状连接在一起，在表面形成孔隙且孔隙大而密集。而砂岩呈块状和条索状纹理结构，块状和条索表面相比钢渣来说微构造较少。二者与道路石油沥青标准黏附性试验等级均达到4级，表面丰富的纹理构造发挥一定作用。

2.2 高温稳定性

目前国内外有多种评价沥青混合料高温稳定性的方法，主要包括室内车辙试验、力学指标试验和大型足尺试验三大类[18]。本试验采用马歇尔稳定度和室内标准车辙实验评价沥青混合料的高温稳定性，试验结果如表5、表6与图3所示。

表5 马歇尔稳定度试验结果Tab.5 Test result of Marshall stabilitys

由表5可知，钢渣试验组的马歇尔稳定度与流值试验结果与砂岩对比组相比，结果无明显差别，前者的两项指标结果较后者均提高11%左右。表6中，钢渣试验组的动稳定度计为>10 000次，而在实际的室内试验中，钢渣试验组的动稳定度计算值实际为无穷大，相应的砂岩对比组为3 032，从动稳定度的角度来说，可以认为本次试验配制的AC-20钢渣沥青混合料具有极好的抗车辙性能。但钢渣组的总车辙深度较砂岩对比组提高了58%。从图3中可以看出，钢渣试验组前20 min车辙深度增长很快，20 min后车辙深度曲线趋于稳定，几乎不再变化，几组平行试验的结果相当一致，图中给出的是其中有代表性的一组曲线。

表6 沥青混合料车辙试验结果Tab.6 Test results of asphalt aixture rutting

t/min图3 车辙深度随时间变化Fig.3 Rutting depth changes with time

综上可知，马歇尔试验结果和车辙试验结果总体一致。稳定度和动稳定度均表示混合料高温下能抵抗车轮荷载作用的能力，试验结果均是钢渣组优于砂岩组，只是程度不同；流值和车辙深度均表示高温下沥青混合料在荷载作用下的变形大小，结果均是钢渣组在试验条件下有较大变形。这应该是钢渣本身的特点造成的，即钢渣组有更高的沥青用量，会导致更大的初始变形，但是钢渣集料丰富的纹理和粗糙的表面，又让钢渣沥青混合料易于嵌挤，在初期被压密挤紧后具有良好的抵抗变形能力。砂岩对比组的变形曲线与常规沥青混凝土基本一致。

2.3 水稳定性

钢渣沥青混合料的抗水损害稳定性采用浸水马歇尔试验和劈裂冻融试验进行验证，结果如表7、表8所示。

浸水马歇尔试验的评价指标为马歇尔试件在浸水48 h后稳定度的降低程度，称为马歇尔残留稳定度。从表7中可以看出，钢渣试验组的残留稳定度小于砂岩对比组，但试件的稳定度绝对值，钢渣试验组大于砂岩对照组。而由表8可知，钢渣试验组劈裂抗拉强度比(TSR)比砂岩对比组略微下降，下降幅度为1.7%。而劈裂强度的绝对值，无论是否经过冻融，钢渣组均较后者大了20%。

表7 沥青混合料浸水马歇尔试验结果Tab.7 Immersing Marshall test results of asphalt mixtures

表8 沥青混合料冻融劈裂试验结果Tab.8 Freeze-thaw splitting test results of asphalt mixture

钢渣试验组残留稳定度和TSR值较砂岩组低，这可能是由于部分水分子经过冻融循环后，通过被削弱的沥青表面和钢渣多孔通道进入钢渣与沥青部分交界面上，与钢渣活性物质发生水化反应，生成物遇水膨胀，削弱了钢渣与沥青交界表面的黏附性。研究人员推测尽管水同样可以进到砂岩-沥青交界面上，但是砂岩表面没有活性物质，不会有膨胀效应来进一步破坏砂岩与沥青的黏结，故砂岩下降幅度较钢渣组小。而钢渣在浸水后的稳定度和冻融后劈裂强度的绝对值均高于砂岩，因此认为沥青与钢渣的黏附性较强，此效应削弱幅度较小，影响有限。且钢渣组的残留稳定度和劈裂抗拉强度比均远大于规范要求。由此可知，用钢渣全部代替砂岩集料配制沥青混凝土对水稳定性影响较小。

2.4 低温抗裂性

根据福建省气候特点，采用间接拉伸试验进行了-5，0，10 ℃的低温抗裂试验，试验结果如表9所示。图4为将表9处理后的结果呈现，竖坐标为钢渣砂岩差值比，该比值为同一温度下(钢渣试验值-砂岩试验值)/砂岩试验值。

表9 AC-20沥青混合料间接拉伸试验结果Tab.9 Test results of AC-20 asphalt mixture indirect tensile

可知，钢渣实验组与砂岩对比组的劈裂抗拉强度均随温度升高而降低，相同温度下，前者的劈裂抗拉强度值均高于后者；两种混凝土的破坏拉伸应变也随着温度升高而上升，在同一温度下，钢渣组的破坏拉伸应变值也高于砂岩对比组；相应地，钢渣试验组的破坏劲度模量在3个试验温度下均小于砂岩对比组。3个指标的对比均说明，在同等条件下，钢渣沥青混凝土的模量更柔、劈裂强度更大、能够承受的极限拉伸应变也更大，与砂岩沥青混凝土相比，具有更优的中低温性能。

温度/℃图4 两种沥青混合料低温指标差异曲线Fig.4 Difference curve of low temperature index of two asphalt mixtures

图4给出了3个试验温度下钢渣砂岩两种沥青混凝土3个指标的差值比随试验温度而变化的情况。从图中可以看出，两种沥青混凝土在3个指标上的差别在0 ℃附近均为最小，而更高与更低温度下，钢渣试验组的性能优势都会扩大，其中又以破坏拉伸应变最为显著，0 ℃为10%，而10 ℃时差值比达到30%左右。劈裂强度差值比的变化相对其他指标最小，0 ℃时差异仅为6.1%，在10 ℃时为10%左右，与破坏拉伸应变达到30%的差值比，有着显著区别。

研究者认为，在级配、沥青和试验温度相同的情况下，沥青混合料的破坏拉伸应变主要应该是受到两种混合料沥青含量、集料与沥青黏附能力的影响。表2中给出钢渣与砂岩与石油沥青的黏附性试验结果，二者在标准试验下黏附性相同，但是在水煮时间延长为6 min时，砂岩下降了一个等级，钢渣保持不变，说明钢渣与沥青具有更高的黏附能力。因此可以认为在拉伸时，钢渣沥青混凝土的破坏更多发生在沥青内部，而不是沥青-集料黏结界面上，加之更高的沥青含量，从而表现出更优异的拉伸破坏变形。而劈裂强度的影响因素，除了沥青类型、含量、级配和试验条件外，还受到空隙率、集料嵌挤能力、集料表面粗糙度等更多因素的影响，从而综合变化幅度较小。

2.5 抗滑性

表10给出了两种集料配制的沥青混凝土摆值试验和用铺砂法测构造深度试验的室内试验结果。摆值体现的是慢速行车时，道路的抗滑能力。由表10室内试验的结果可知，钢渣试验组摩擦摆值大于砂岩对比组，摆值提高了14.5%，而两组的构造深度基本无差别。这是由于摆值主要取决于材料表面粗糙程度，而钢渣表面孔隙众多，纹理丰富，改善了沥青混合料的表面结构，大幅提高沥青混合料摩擦系数。就本试验级配而言，不同集料对构造深度无明显影响，均远大于规范要求的标准。综上所述，钢渣沥青混合料有良好的抗滑性。

表10 沥青混合料抗滑性试验结果Tab.10 Test results of asphalt mixture anti-skid

2.6 膨胀性

由于钢渣内含有f-Cao等活性物质，可能在铺筑成沥青混凝土路面后，水分浸入混合料内部，生成氢氧化钙，产生体积膨胀，从而造成混凝土开裂。因此应进行钢渣沥青混凝土膨胀率试验，以检验体积安定性是否满足要求。试验对比进行了钢渣混合料和砂岩混合料的浸水试验，发现钢渣和砂岩配制成的沥青混合料在试验期内均产生膨胀现象，结果如图5所示。

浸水时间/h图5 沥青混合料膨胀率随时间变化关系Fig.5 Expansion rate of asphalt mixture over time

可知，钢渣试验组和砂岩对比组在前3 d，膨胀率增长均较快，随后趋于缓和。钢渣的膨胀率在每个阶段都要高于砂岩膨胀率。由于砂岩并不含有活性物质，因此砂岩沥青混凝土的体积膨胀并不是由于生成氢氧化钙造成的体积膨胀，而应该是水分进入沥青混合料内部，造成沥青与集料轻微松散剥离造成的。由此，可以认为钢渣沥青混凝土的体积膨胀则至少由两部分组成，即包括水分侵入沥青-钢渣界面后生成的氢氧化钙体积膨胀，以及水分进入沥青-钢渣界面后造成二者轻微剥离造成的体积膨胀。尽管钢渣沥青混凝土比砂岩类膨胀率大，但无出现鼓包等体积严重不安定情况，仅有微小的裂缝和细小白点。144 h膨胀率为0.9%，远小于标准要求，说明本文中的钢渣沥青混合料膨胀率较小，有良好的体积稳定性。