季冻区钢渣沥青混合料路用性能和冻融耐久性

杨泓全 ， 王龙林， 王祺顺， 王文盛

(1.广西新发展交通集团有限公司， 广西 南宁 530000； 2.广西交科集团有限公司， 广西 南宁 530007； 3.湖南省交通科学研究院有限公司, 湖南 长沙 410015； 4.吉林大学， 吉林 长春 130022)

随着交通运输业的发展，沥青混合料被广泛地应用于路面结构[1]，沥青混合料一般被认为是复杂的多孔材料，由沥青，骨料，填料和孔隙组成[2]。然而，由于大部分沥青路面结构暴露在自然环境中，冻融循环作用对沥青混合料的冻融耐久性产生了挑战，特别是在季节性冷冻区域[3]，冻融循环作用引起沥青混合料内部结构龟裂，从而衰减沥青混合料的路用性能。因此，提高沥青混合料的冻融耐久性是十分必要的。

钢渣是炼钢过程中的废渣，随着钢铁工业的快速发展，钢渣的产量迅速增加。然而仅有少部分钢渣得到有效地利用[4-5]，大部分的钢渣采用掩埋[6]等方式处理，占用了大量土地资源的同时污染环境。钢渣具有优异的机械性能，并且与天然骨料相比，钢渣具有较好的表面粗糙度和耐磨性[7-9]。因此，可以采用钢渣替代天然骨料制备沥青混合料，有助于解决天然骨料短缺和钢渣引起的环境污染问题。

近年来，关于钢渣对沥青混合料性能的影响已经得到了广泛的研究。杨俊霖[10]等采用钢渣作为粗骨料制备钢渣沥青混合料并与石灰岩沥青混合料进行对比，试验结果表明，钢渣沥青混合料的路用性能要优于石灰岩沥青混合料。ARABANI[11]等采用英安岩，再生骨料和钢渣制备沥青混合料，通过马歇尔稳定度、间接拉伸弹性模量和动态蠕变等参数评价沥青混合料的性能，结果表明，采用钢渣粗骨料和再生细骨料制备的沥青混合料性能最好。PHAN[12]等以钢渣取代部分天然骨料制备沥青混合料，以沥青混合料在微波加热下的愈合性能为评价指标，试验结果表明，30%钢渣取代率的沥青混合料具有最佳的裂缝修复性能。申爱琴[13]等研究了钢渣对沥青混合料疲劳性能的影响，当钢渣取代率达到30%时，沥青混合料的疲劳性能最佳。

沥青混合料的冻融耐久性能也获得了广泛的关注。马芹永[14]等研究了冻融循环对沥青混合料劈裂抗拉强度的影响，结果表明，随着冻融循环次数的增加，沥青混合料的劈裂强度出现大幅度下降。冯蕾[15]等报道了冻融循环对沥青混合料的空隙率、劈裂强度和马歇尔模数有较大的负面影响。XU[16]等研究了经冻融循环后的沥青混合料的渗透性。YAN[17]等通过冻融劈裂试验、车辙试验和马歇尔稳定度试验研究分析了冻融循环作用对实石质沥青混合料的影响。

虽然有学者对沥青混合料的路用性能和冻融耐久性能进行了研究，但很少关于钢渣沥青混合料(Steel Slag Asphalt Mixture，SAM0)的冻融耐久性的研究。本文采用等体积替代法，研究不同钢渣取代率(0%、25%、50%、75%和100%)对SAM的路用性能和冻融耐久性的影响，并得出最佳钢渣取代率，为SAM在季冻区的工程应用和后续研究提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料

粗骨料选用钢渣和玄武岩，其基本指标如表1所示，并符合《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)要求[18]。玄武岩粗骨料和钢渣粗骨料外观如图1所示。由于钢渣细骨料表面不洁净且膨胀性较大，细骨料采用玄武岩细骨料，其基本指标如表2所示。

表1 玄武岩和钢渣粗骨料基本指标Table 1 Basic indexes of basalt and steel slag coarse aggregate类别洛杉矶磨耗值/%针片状含量/%压碎值/%膨胀率/%黏附性/级不同骨料(mm)的表观相对密度/(g·cm-3)不同骨料(mm)的吸水率/%13.29.54.752.3613.29.54.752.36玄武岩 18.4 4.9 17 0.17 42.892.822.832.670.4 0.410.570.98钢渣 11.6 4.11 13.6 0.42 53.723.794.083.391.341.411.451.59规范≤28 ≤10 ≤26 ≤2.0 ≥4≥2.6 ≤2.0

(a)玄武岩骨料

表2 玄武岩细骨料基本指标Table 2 Basic indexes of basalt fine aggregate表观相对密度/(g·cm-3)砂当量/%棱角性/s测试值2.636744规范≥2.5≥60≥30

为了保证骨料和集料有足够的黏结力，沥青采用SBS改性沥青，其基本指标如表3所示，并满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2005)要求[19]。矿粉基本指标如下：表观相对密度的测试值为2.61 g/cm3，规范为≥2.5 g /cm3。

表3 沥青基本指标Table 3 Basic indexes of asphalt类别针入度(25 ℃)/(0.1 mm)软化点/℃延度(5 ℃)/cm软化点/℃测试值60.863.642.4263规范值60～80≥55≥30≥230老化后质量损失率/%针入度比(25 ℃)/%延度(5 ℃)/cm0.26 69 32≤±1.0≥60≥20

1.2 配合比设计

为了避免骨料比重差异对试验结果的影响，以0%、25%、50%、75%、100%的钢渣等体积替代玄武岩粗骨料，分别记为SAM0、SAM25、SAM50、SAM75和SAM100。由于AC-13级配应用最为广泛，级配采用AC-13级配中值，各组级配如表4所示。基于马歇尔设计法，SAM0、SAM25、SAM50、SAM75和SAM100最佳油石比分别确定为4.78%、4.72%、4.68%、4.65%和4.62%。

表4 配合比Table 4 Mix proportion筛孔尺寸/mm上限SAM0SAM25SAM50SAM75SAM100下限0.075865.75.45.14.940.1515109.59.08.68.250.32013.512.812.111.611.070.6281918.017.116.315.5101.183826.525.123.822.721.6152.36503735.033.331.730.2244.75685351.249.648.146.8389.58576.575.975.474.974.46813.21009594.994.994.894.79016100100100100100100100

1.3 试件制备

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[20]。首先将骨料和填料放在180 ℃烘箱中烘烤6 h，同时将SBS沥青加热到180 ℃。然后将预热后的骨料，SBS沥青和预热后的填料依次放入搅拌锅中，每次搅拌90 s。最后，采用马歇尔击实法对试样进行击实，试样每面击实50次。将试样放置24 h后脱模。

1.4 试验方法

1.4.1车辙试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，采用车辙试验来评价钢渣沥青混合料的高温稳定性[20]。进行车辙试验的试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm。车辙装置如图2所示。试验温度为60 ℃，车轮载荷为0.7 MPa，车轮速度为每分钟42次。车辙试验持续时间为60min。试件表面的变型通过位移传感器记录，SAM动稳定度的计算公式如下所示。

图2 车辙试验装置

(1)

式中：DS为钢渣沥青混合料的动稳定度，次/mm；d1为T1分钟的垂直变形，mm；T1=45 min；d2为T2分钟的垂直变形，mm；T2=45 min；C1和C2为试验机类型系数和试验系数，C1=C2=1.0。

1.4.2低温劈裂试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，采用电液伺服材料试验机进行低温劈裂试验[19]，进行低温劈裂试验的试件尺寸为φ100×63.5 mm3。试验如图3所示。此外，试验机具有位移传感器，可以测试SAM试件的垂直变形。试验温度为-10 ℃，加载速率为1 mm/min。试验前，将马歇尔试件在-10 ℃的环境中放置6h。间接拉伸强度、破坏应变和断裂能可以通过以下的公式计算得出。

图3 低温劈裂试验

ITS=0.006 284FT/h

(2)

εT=XT×(0.030 7+0.093 6μ)/

(1.35+5μ)

(3)

(4)

XT=YT×(0.135+0.5μ)/

(1.794-0.031 4μ)

(5)

其中,εT为破坏应变；E为断裂能，J；XT为水平变形，mm；μ为泊松比(当试验温度为25 ℃时μ=0.25，当测试温度为-10 ℃时μ=0.25)；FT为峰值荷载，kN；Y0为修正后的初始位移，mm；YT为临界位移，mm。

1.4.3水稳定性

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，沉浸式马歇尔和冻融劈裂试验是评价沥青混合料水稳定性的常用方法[19]。

a.浸水马歇尔试验。

进行马歇尔试验前，将试件放在60 ℃的恒温水浴中浸泡30 min，同时将马歇尔测试仪的上下夹头也置于60 ℃的恒温水浴中浸泡30 min。将试件放在上下夹头间，启动马歇尔测试仪，记录马歇尔稳定度和流值。

b.冻融劈裂试验。

首先，将标准马歇尔试件放置在97.3～98.7 kPa(730～740 mmHg)的水中15 min，然后在大气压下浸入水中30 min。随后，将标本在空气中置于-18 ℃的环境中冷冻16 h，然后在60 ℃的恒温水浴中融化24 h。将完成冻融后的马歇尔试件进行劈裂试验。

1.4.4冻融耐久性

冻融耐久性试验是对试件进行冻融循环处理。试件在气冻16 h后，放在60 ℃的恒温水浴中融化8 h，该过程视为一次循环。一共进行20次冻融循环试验，每5次测试试样的劈裂强度。

2 结果与分析

2.1 高温性能

高温性能是沥青混凝土的关键指标，如果高温性能不足，会导致路面产生车辙，影响行车舒适度和安全性。本文以动稳定度表征沥青混合料的高温稳定性。车辙试验结果如表5所示。钢渣替代率对动稳定度的影响如图4所示。

由图4可知，随着钢渣替代率的增加，动稳定度显著提高。相比SAM0，SAM25、SAM50、SAM75和SAM100的动稳定度分别提高了59%、80%、116%和134%，说明钢渣的加入显著提高了混合料的高温稳定性。这是由于钢渣具有多棱角性，使骨料之间可以形成嵌锁结构，降低了混合料在高温条件下的变形。因此，SAM100具有最佳的高温稳定性。

表5 SAM的动稳定度Table 5 Dynamic stability of SAM组号动稳定度/(次·mm-1)平均值标准差SAM0 1 18523.04SAM251 89233.12SAM502 13634.56SAM752 56545.54SAM1002 78043.38

图4 钢渣替代率对SAM动稳定度的影响

2.2 低温性能

低温性能是指混合料在低温条件下抵抗开裂的能力;如果低温性能不足，会导致路面开裂、水分进入，路面性能进一步恶化。在本文中采用低温劈裂强度和破坏应变表征混合料的低温性能。低温劈裂强度和破坏应变如表6所示。钢渣替代率对低温劈裂强度和破坏应变的影响如图5所示。

由图5可知，随着钢渣替代率增加，低温劈裂强度增加。相比SAM0， SAM25、SAM50、SAM75和SAM100的低温劈裂强度增加了9.6%、14.5%、18.6%和20.2%，在100%替代率时，低温劈裂强度取得最大值。但随着钢渣替代率的变化，低温破坏应变没有明显的规律，说明钢渣的加入对低温破坏应变没有太大的影响。

表6 SAM的低温劈裂强度和低温破坏应变Table 6 Low-temperature splitting strength and failure strain of SAM组号低温劈裂强度/MPa低温破坏应变/10-6平均值标准差平均值标准差SAM0 3.0210.0613 08556.42SAM253.3120.0523 15658.21SAM503.4580.0452 98551.23SAM753.5840.0563 05049.85SAM1003.6320.0753 18665.22

图5 钢渣替代率对低温劈裂强度和破坏应变的影响

低温抗裂性应综合考虑破坏应力和破坏应变，破坏应力越大且破坏应变越大，低温抗裂性越好。低温断裂能是荷载沿位移的积分，综合考虑了应力和应变。因此，本文引入低温断裂能作为低温评价的指标。SAM的低温断裂能如表7所示。钢渣替代率对断裂能的影响如图6所示。

如图6所示，随着钢渣替代率增加，断裂能增加。断裂能在100%钢渣替代率时取得最大值 (22.3 J)，且相比SAM0增加47.7%，说明100%钢渣的加入显著提高了混合料的低温抗裂性。

表7 SAM的低温断裂能Table 7 Low-temperature fracture energy of SAM组号低温断裂能/J平均值标准差SAM0 15.10.31SAM2518.50.33SAM5018.90.36SAM7520.30.35SAM10022.30.41

图6 钢渣取代率对SAM低温断裂能的影响

2.3 水稳定性

水稳定性是指混合料抵抗水损伤的能力，水稳定性不足，会导致集料剥落、强度降低，降低路面使用寿命。在本文中采用冻融劈裂强度比和残留稳定度表征混合料的水稳定性。水稳定性试验结果如表8所示。钢渣替代率对冻融劈裂强度比和残留稳定度的影响如图7所示。

由图7可知，随着钢渣替代率的增加，冻融劈裂强度比和残留稳定度呈现相同的趋势并逐渐增加，说明钢渣的加入提高了混合料的水稳定性。SAM100的冻融劈裂强度比和残留稳定度分别达到了97.3%和97.8%，SAM100具有最好的水稳定性。

表8 SAM的冻融劈裂强度比和残留稳定度Table 8 Freeze-thaw splitting strength ratio and residual stability of SAM 组号冻融劈裂强度比/%残留稳定度/%平均值标准差平均值标准差SAM093.20.2394.50.32SAM2595.10.3195.30.34SAM5096.50.2696.80.25SAM7596.80.2397.10.27SAM10097.30.2497.80.35

图7 钢渣替代率对冻融劈裂强度比和残留稳定度的影响

2.4 冻融耐久性

在季节性冷冻区域，路面受到反复的冻融循环作用，强度降低，导致在低于设计荷载情况下，路面容易发生开裂和破坏，使用寿命降低。本文以冻融循环下的劈裂强度，及其损失率作为指标，表征冻融循环作用对SAM性能影响。在25、50、75和100次冻融循环作用下SAM的劈裂强度如表7所示，其劈裂强度损失率如表8所示。在冻融循环作用下SAM的劈裂强度如图8所示。在冻融循环下SAM的劈裂强度损失率如图9所示。

图9 各组冻融循环次数对劈裂强度损失率的影响

由表9可知，随着冻融循环次数的增加，SAM的劈裂强度逐渐下降，在20次冻融循环后，SAM0、SAM25、SAM50、SAM75和SAM100的劈裂强度分别降低到了0.59、0.71、0.80、0.89和0.98 MPa，表明了冻融循环显著降低了SAM的劈裂强度。这是由于反复的冻胀作用增大了混合料的空隙率，降低了骨料和胶结料的黏结力，使混合料内部产生缺陷。

由图8可知，在冻融循环次数相同时，随着钢渣替代率的增加，劈裂强度增加。对于0、5、10、

图8 各组冻融循环次数对劈裂强度的影响

表9 冻融循环后SAM的劈裂强度Table 9 Compressive strength and compressive strength loss of SPC after freeze-thaw cycle循环次数冻融循环后劈裂强度/MPaSAM0SAM25SAM50SAM75SAM100 0次1.031.211.321.401.44 5次0.830.981.081.181.2810次0.710.840.951.051.1215次0.610.730.830.930.9920次0.540.650.740.830.94

15和20次冻融循环次数下，SAM100的劈裂强度分别比SAM0高39.8 %、58.4 %、61.2 %、62.3%和66.1 %，表明了钢渣的加入可以明显提高混合料的劈裂强度。这一方面是由于钢渣骨料强度高于天然骨料，提高了混合料的强度；另一方面钢渣表面具有棱角性，增强了混合料颗粒间的嵌挤力。此外，随着冻融循环次数的增加，劈裂强度衰变曲线斜率逐渐降低，并趋于平稳，说明前期的冻融作用对混合料性能影响较大。

由表10可知，冻融劈裂强度损失率随着冻融循环次数增加而升高。在冻融循环次数相同条件下，SAM100的劈裂强度损失率低于其他组。在20次冻融循环后， SAM100的冻融损失率为31.94 %，相比对照组(SAM0)降低了10.77 %，说明钢渣的加入提高了混合料的冻融耐久性。这是由于钢渣骨料表面粗糙多孔，增强了骨料和胶结料间的黏结力，提高了混合料的冻融耐久性。因此，SAM100具有最优的冻融耐久性。

表10 冻融循环后SAM的劈裂强度损失率Table 10 Compressive strength and compressive strength loss of SPC after freeze-thaw cycle循环次数冻融循环后劈裂强度损失率 /%SAM0SAM25SAM50SAM75SAM100 5次25.2423.9722.7320.0015.2810次34.9533.8831.0627.8625.0015次40.7839.6737.1233.5731.2520次42.7241.3239.3936.4331.94

3 结论

在本文中，采用钢渣等体积替代粗骨料，制备适应季冻区的SAM，研究了钢渣替代率(0%、25%、50%、75%和100%)对混合料高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和冻融耐久性的影响，基于试验结果，可以得出如下的结论：

a.钢渣的加入显著提高了沥青混合料的高温稳定性。相比对照组，含有100%钢渣的混合料动稳定度提高了134%。

b.钢渣加入改善了低温抗裂性。随着钢渣替代率的提高，低温劈裂强度提高，但低温破坏应变没有明显规律。低温断裂能随着钢渣替代率增加显著提高，相比对照组，含有100%钢渣的混合料低温断裂能提高47.7%。

c.钢渣的加入改善了沥青混合料的水稳定性。随着钢渣替代率的增加，冻融劈裂强度比和残留稳定度均出现增加。当钢渣替代率100%时，混合料水稳定性最优。

d.SAM的冻融耐久性随着冻融循环次数的增加而劣化。当冻融循环次数相同时，沥青混合料的劈裂强度损失率随着钢渣替代率的增加而降低，在100%替代率时取得最小值，表明含有100%钢渣的沥青混合料冻融耐久性最优。

e.综合考虑SAM的路用性能和冻融耐久性，钢渣最佳替代率为100%。