掺钢渣沥青混合料路用性能研究

2022-03-21李林峰

西部交通科技 2022年1期

作者简介：

李林峰（1989—），工程师，主要从事高速公路建设工程管理工作。

摘要：为了研究钢渣对沥青混合料路用性能的影响，文章采用扫描电镜（SEM）、X射线能谱分析仪（EDS）对钢渣进行表面形貌及元素组成分析，并采用不同掺量钢渣替代4.75～9.5 mm档集料，研究不同摻量沥青混合料路用性能的变化情况。结果显示：钢渣具有明显的孔隙结构，对沥青混合料的路用性能有重要影响;随着钢渣掺量增大，混合料高温稳定性先增大后减小，低温抗裂性及水稳定性逐渐减小，但当替代掺量<80%时，各项性能指标均满足规范要求;综合路用性能及经济性原则，采用钢渣代替4.75～9.5 mm集料时，钢渣最佳掺量宜为60%。

关键词：道路工程;钢渣;沥青混合料;路用性能;SEM

中国分类号：U416.217A100343

0 引言

沥青混合料长期以来被广泛应用于路面尤其是高等级公路路面工程，但由于沥青存在易老化的缺点，路面服役一定时间后将不可避免产生裂缝，然后发展扩大进而影响沥青路面使用寿命[1]。沥青作为典型的粘弹性材料，在黏度较低的情况下可以发生类似毛细运动，进而可以封闭微裂缝。由于沥青的黏度随着温度的升高而降低，且沥青的黏度与温度呈非线性关系，一般当温度超过50 ℃～70 ℃的某一临界温度时，可认为沥青是一种牛顿流体，可以有效流动。但一般沥青路面服役温度低于此临界温度，因此沥青路面服役时裂缝的自愈合能力较为有限[2]。

为了加速沥青混合料的自愈过程，道路工作者已采用多种技术促进自愈，以此来延长路面使用寿命。目前，微胶囊技术、感应加热技术和微波加热技术等得到了较多的研究和应用[3-6]。相较其他两种技术，微波自愈具有加热时间短、加热效率好、经济效益高等特点。有研究表明，加入微波诱导材料，如钢渣、碳纳米管和石墨烯等，可以大大提高沥青路面裂纹愈合性能。其中，钢渣作为最常见、最环保的诱导材料，应用最为广泛[7]。

世界钢铁协会报告显示，钢铁行业每年生产约1亿t钢渣，占全球原钢产量的10%以上。钢渣作为理想的二次资源，近年来已广泛应用于路面、混凝土砌筑和建筑材料等民用建筑领域。研究显示，钢渣沥青路面具有较高的模量、较好的耐磨性和抗疲劳性能。同时，钢渣中含有大量的MgO、CaO、Fe3O4等金属氧化物，被视为理想的沥青混合料微波加热诱导材料[8]。

为了研究钢渣应用于沥青混合料的作用机理及其对路用性能的影响，本文首先通过扫描电镜（SEM）观察钢渣的表面形貌，然后采用X射线能谱分析仪（EDS）进行钢渣元素组成分析，最后采用钢渣替代4.75～9.5 mm档集料，分别研究不同替代掺量对沥青混合料高温、低温及水稳性等路用性能的影响，并确定最佳钢渣掺量。

1 材料与方法

1.1 原材料

试验所用原材料包括沥青、集料、矿粉以及钢渣等。沥青采用70#基质沥青，技术指标如表1所示。

粗、细集料均采用石灰岩集料，各档集料分别为0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm。矿粉采用石灰岩研磨矿粉，各项性能指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）相关要求。钢渣采用某钢厂生产残留钢渣，将其加工后取4.75～9.5 mm档备用。本次试验沥青混合料采用AC-13沥青混合料，级配组成如表2所示。

1.2 试样制备

按照上述级配进行配合比设计，确定AC-13最佳油石比为4.2%。由于钢渣为多孔结构，且钢渣密度较石灰岩集料大，为研究不同掺量钢渣对沥青混合料性能的影响，采用等体积法替代4.75～9.5 mm集料进行试样制备。钢渣掺配比例分别为：0、20%、40%、60%、80%、100%。

2 钢渣形貌及元素分析

采用扫描电子显微镜（SEM）进行钢渣形貌特征观察，加速电压为5 kV，放大倍数为5 000 x、10 000 x。采用X射线能谱分析仪（EDS）进行钢渣元素组成分析。相关测试结果表3所示。

由图1 SEM扫描结果可看到，钢渣结构呈现多孔状态，一方面会对沥青混合料力学性能产生影响，另一方面代替集料使用时可能也会吸附过多沥青，进而对混合料最佳油石比产生一定影响。另外，钢渣作为微波加热诱导材料时，可能会导致微波在孔隙内部形成多次反射，可有效加热并促进微波能量的吸收。

由表3元素组成分析可知，钢渣主要元素为Ca、Fe、Si和Mg。其中Ca的比例超过60%，这可能是由于在钢的加工过程中，为了减少杂质而使用了较高掺量的含Ca助熔剂导致。而相对较高的Fe含量（17.19%）、Mg含量（4.66%）将使钢渣在微波辐射下具有较好的微波吸能传热性能。

3 路用性能

为了研究钢渣对沥青混合料路用性能的影响，按照上述材料组成设计进行混合料试样制备。为简化分析流程，首先进行无钢渣沥青混合料配合比设计，确定级配组成及最佳沥青用量后，采用等体积钢渣替代集料的方法制备不同掺量钢渣沥青混合料试件，分别进行不同掺量条件下混合料高温、低温及水稳定性能评价。

3.1 高温稳定性

采用车辙试验进行钢渣沥青混合料高温稳定性评价。试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，取3个试件平均值作为测试值。动稳定度（DS）测试结果如图1所示。

分析图2可知，随着钢渣掺量的增加，DS值逐渐增大，当掺量为60%时，DS值最大（5732次/mm），为不含钢渣混合料的1.45倍;但当掺量继续增大时，DS值逐渐减小，且当掺量为100%时DS值小于不含钢渣混合料。这可能是由于钢渣的密度较大，强度较高，与骨料的接触更近，增强了结构的整体性，从而可以有效抵抗高温变形。而钢渣掺量过高，其多孔结构会增大集料整体孔隙，吸附过多沥青，削弱沥青对集料的有效粘附，从而降低沥青混合料的强度和高温稳定性。车辙试验结果表明，钢渣替代量<60%时对沥青混合料的高温永久变形有较好的促进作用。

3.2 低温抗裂性

采用小梁低温弯曲试验进行钢渣沥青混合料低温抗裂性能评价。小梁试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mm。低温破坏应变值测试结果如图2所示。

图2结果显示，随着钢渣掺量的增加，破坏应变值呈下降趋势，且下降趋势符合线性规律（拟合关系如图3所示）。当掺量达到80%时，破坏应变降低至2 479 με，小于规范要求的最低标准2 500 με。这是由于钢渣的多孔结构特性使得混合料空隙率随着钢渣掺量的增加而增大，钢渣吸收了大量沥青，降低了对集料的粘附效果。同时，多孔结构在冰冻条件下使得水分分布于多孔结构中凝冻，降低了混合料的抗低温破坏能力。这表明掺入钢渣后，沥青混合料低温抗裂性能降低。

3.3 水稳定性

采用马歇尔稳定度试验与冻融劈裂试验进行钢渣沥青混合料低温水稳定性评价。残留稳定度与冻融劈裂强度比试验结果如图3所示。

图3结果显示，残留稳定度值和冻融劈裂强度比均随着钢渣掺量的增加而降低。从冻融劈裂强度试验结果来看，当钢渣替代率为100%时，劈裂强度比仍可达到82.5%，满足我国规范≥80%的要求。但当钢渣掺量>80%时，残留稳定度降低至79.2%，已不能满足我国规范≥85%的要求。这是由于钢渣掺入后沥青混合料空隙率增加，使得水分更容易进入沥青混合料结构。混合料内部与水接触面积增大，导致沥青与集料发生剥落可能性增大，从而降低了沥青混合料的水稳定性。另外，当钢渣替代率为60%时，与不含钢渣的沥青混合料相比，劈裂强度比和残留稳定度分别降低了5.25%和7.24%，但均符合规范要求。

基于上述分析可知，一定掺量的钢渣可以提高沥青混合料的高温稳定性，但由于钢渣的多孔结构特性，会对低温抗裂性和水稳定性产生负面影响。综合各项路用性能试验结果及经济性原则，采用钢渣代替4.75～9.5 mm集料时，钢渣最佳掺量宜为60%。

4 结语

通过SEM、EDS对钢渣进行表面形貌及元素组成分析，以及不同钢渣掺量下沥青混合料路用性能影响分析，得到如下结论：

（1）扫描电镜图像分析结果显示，钢渣具有疏松多孔结构，会对沥青混合料路用性能产生重要影响。元素分析表明，钢渣具有潜在的微波加热潜力，是较好的微波加热诱导材料。

（2）随着钢渣掺量增大，混合料高温稳定性先增大后减小，低温抗裂性及水稳定性逐渐减小，但当替代掺量<80%时，各项性能指标均满足规范要求。

（3）综合路用性能及经济性原则，采用钢渣代替4.75～9.5 mm集料时，钢渣最佳掺量宜为60%。

参考文献：

[1]袁凯.微波加热技术在沥青路面养护工程中的应用[J].交通世界，2020（32）：75-76.

[2]毕连居，朱浩然，焦生杰，等.微波辅助加热填料在沥青路面修补中的应用[J].筑路机械与施工机械化，2020，37（9）：55-58.

[3]周泽洪，杨自广，纪小平，等.微胶囊沥青混合料的裂缝自愈与路用性能研究[J].公路，2021，66（2）：45-51.

[4]纪括，熊锐，李科宏，等.感应加热沥青混合料融雪化冰性能研究进展[J].应用化工，2021，50（2）：450-454.

[5]彭文举，张瑶瑶，J.NorambuenaContreras，等.微波与感应加热对沥青混合料自愈特性影响研究[J].中外公路，2019，39（5）：215-221.