改性钢渣沥青混合料性能研究

李冷雪， 陈 萌， 高 颖， 蔡艳霞

(1.中建路桥集团有限公司, 河北 邯郸 056107； 2.河北工程大学 土木工程学院， 河北 邯郸 056107； 3.中路高科公路技术有限公司， 北京 100088)

钢渣每年的年产量巨大，将其应用于道路工程是实现其大综利用的主要途径[1-2]，而解决钢渣体积安定性不良问题是实现钢渣开发利用的关键[3]。大量研究表明，钢渣体积安定性不足主要是钢渣中的f-CaO遇水反应生成Ca(OH)2造成的[4-5]。

为解决钢渣体积膨胀性问题，众多学者对此进行了研究。张妍等[6]通过碳酸化对钢渣进行了处理；Huo[7]采用磷酸对钢渣进行了改性处理；尹啸等[8]在高温中配加SiO2基酸化剂对钢渣进行稳钙改质处理，降低了f-CaO的含量。目前钢渣改性的方法主要用酸改性和高温重构，这不仅易造成污染，且操作工艺复杂，生成的产物还不易控制。为此，寻找一种改性效果良好且改性工艺简单的钢渣改性技术十分紧要。Sabapathy[9]提出，对钢渣表面孔隙进行封闭处理可有效提高钢渣体积安定性。Chen等[10]研究发现，有机硅树脂改性钢渣可在钢渣表面生成一层致密的薄膜，从而达到抑制钢渣遇水膨胀的效果。

若要将钢渣应用到沥青路面中，不仅要保证钢渣自身的体积稳定性，钢渣沥青混合料还要满足各项性能要求。张彩利、申爱琴等[11-12]发现钢渣作为粗集料加入到沥青混合料中，可提高其路用性能。

在已有研究基础上，本文采用甲基硅酸钠溶液对钢渣进行表面改性处理，通过分析研究改性前后钢渣的物理性能和浸水膨胀率，探究钢渣的改性机理，将改性钢渣替代粗骨料进行钢渣沥青混合料的级配设计；通过对比石灰岩沥青混合料和钢渣沥青混合料，研究甲基硅酸钠溶液改性钢渣沥青混合料各项性能的影响规律。

1 试验

1.1 原材料

1) 沥青

本试验选用山东某公司生产的70#沥青，其基本指标见表1。

2) 集料

细集料采用石灰岩，其硫酸钠坚固性为7%，碎石含量为8%，集料棱角性为47%，砂当量为75%。试验选取邯郸地区的饮用水，pH值控制在7左右。

3) 钢渣

粗集料选用邯郸市邯钢生产的自然陈化3个月的钢渣，使用4.75 mm～16 mm粒径的钢渣等体积替代天然石料，钢渣的基本指标见表2、表3。

表1 基质沥青的基本指标

由表2可知，钢渣的膨胀率不满足规范要求，因此在进行道路工程施工时需要抑制钢渣的膨胀。

表2 钢渣的物理力学指标

表3 钢渣的化学成分

4) 甲基硅酸钠溶液

甲基硅酸钠溶液是一种有机硅防水剂，无色透明液体，相对密度1.25，固含量46%，pH值大于等于13。

1.2 改性钢渣的制备

将甲基硅酸钠溶液稀释至质量分数为3%、4%、5%，然后取相同质量的钢渣在稀释好的溶液中浸泡12 h，如图1所示。浸泡过程中每隔30 min对其进行一次搅拌，浸泡结束后取出钢渣，自然风干。

1.3 配合比设计

使用甲基硅酸钠溶液改性4.75 mm～16 mm粒径的钢渣，将制备好的改性钢渣替代相应粒径的石灰岩集料，采用等体积替换的方法设计AC-16型钢渣/改性钢渣沥青混合料级配[13]，并成型马歇尔试件，由此得出沥青混合料的级配和最佳油石比，见表4、表5。

图1 改性钢渣的制备

表4 3种不同沥青混合料的级配设计

表5 沥青混合料的最佳油石比 %

由表5可知，钢渣经过改性后，制备出的改性钢渣沥青混合料油石比较钢渣沥青混合料下降了0.1%。

2 结果与讨论

2.1 改性钢渣的性能

为确定不同改性浓度对钢渣改性效果的影响，分别测试了3种改性浓度下改性钢渣的吸水率、压碎值、磨耗值、浸水膨胀率，其试验结果见表6，微观图像如图2所示。

表6 改性钢渣的基本性能指标

(a) 改性钢渣微观图像(b) 未改性钢渣微观图像

由表6可知，随着改性浓度的不断升高，吸水率、压碎值、磨耗值和膨胀率均出现不同程度的下降，表明钢渣经过改性后，各项性能指标均出现提升。对比未改性钢渣，7%浓度的改性剂将钢渣的吸水率、压碎值、磨耗值和膨胀率分别降低了46.84%、24.63%、29.86%、42.80%。结合图2分析可知，钢渣表面孔隙较多，增大了与水的接触面积，导致吸水率过高，钢渣中的f-CaO遇水极易生成Ca(OH)2结晶体，致使钢渣体积膨胀。钢渣改性后，表面出现了一层树脂薄膜，这不仅有效封闭了钢渣表面的孔隙和裂纹，还保持了钢渣表面的粗糙程度[14-15]，不但有效降低了吸水率，而且抑制了钢渣的体积膨胀，同时降低了钢渣的压碎值和磨耗值。这表明树脂薄膜具有一定强度，在荷载作用下可提高钢渣的整体性能。

综合表6试验结果，选用浓度为7%的甲基硅酸钠溶液对钢渣进行改性，并与石灰岩沥青混合料和钢渣沥青混合料进行对比，测试其路用性能和体积稳定性。

2.2 高温稳定性

采用车辙试验对3种沥青混合料的高温性能进行检验，结果见表7。石灰岩沥青混合料动稳定度最低，改性钢渣沥青混合料分别较钢渣沥青混合料和石灰岩沥青混合料提高了20.9%和83.5%，表明改性钢渣沥青混合料具有更优的高温稳定性。分析原因，与石灰岩相比，钢渣表面粗糙，在荷载作用下与集料间摩擦力更大，抗剪能力增强[16]；经过改性后，表面生成了一层防水树脂薄膜，具有一定的强度，可提高钢渣的整体性能，进而增强高温稳定性。

表7 车辙试验结果

2.3 低温抗裂性

采用低温劈裂试验测试混合料的低温抗裂性能，结果如图3所示。由图3可知，3种沥青混合料的低温劈裂强度分别是：改性钢渣沥青混合料>钢渣沥青混合料>石灰岩沥青混合料。相较于钢渣沥青混合料，改性钢渣沥青混合料的劈裂强度提高了10.9%，沥青混合料的低温性能主要与沥青混合料的变形能力有关，说明钢渣经过改性后作为骨料加入到沥青混合料中，可有效提高沥青混合料的抗变形能力，改善低温抗裂性能。

图3 低温劈裂试验结果

2.4 水稳定性

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来测试混合料的水稳定性，结果如图4所示。从图4可知，3种沥青混合料的水稳定性均满足规范要求。其中，改性钢渣沥青混合料的劈裂强度比和残留稳定度最高，钢渣沥青混合料的水稳定性能低于石灰岩沥青混合料。主因是钢渣表面较多的孔隙增大了与水接触的面积，钢渣中的f-CaO水化导致钢渣体积膨胀，降低了钢渣沥青混合料的整体强度，致使水稳定性不足。钢渣经过改性后，表面生成了一层不溶于水的树脂薄膜，将钢渣表面包裹住，不仅阻止了钢渣与水的接触，抑制钢渣体积膨胀，还进一步增大了钢渣的比表面积，可充分吸附沥青。此外，树脂薄膜呈碱性，沥青呈弱酸性，进一步增大了两者之间的粘附作用。在动水作用下，沥青膜更加稳固，不易剥落[15]，从而提高了水稳定性。

2.5 体积稳定性

将钢渣沥青混合料和改性钢渣沥青混合料在60 ℃的水浴环境中浸水120 h，测得的体积膨胀率曲线如图5所示。

由图5可知，钢渣沥青混合料和改性钢渣沥青混合料72 h的体积膨胀率均满足规范中小于1.5%的要求。钢渣沥青混合料的体积膨胀率曲线分为OB段和BC段，OB段曲线的斜率逐渐减小，表明钢渣沥青混合料体积膨胀的速率逐渐降低，但BC段曲线速率急剧上升，体积膨胀的速率不断增大。这表明钢渣沥青混合料在浸水初期，包裹在钢渣表面的沥青膜起到阻水作用，抑制了钢渣的体积膨胀，减缓了体积膨胀的速率，但随着水分不断进入混合料，沥青膜逐渐从钢渣表面剥落，裸露出来的钢渣与水分接触，迅速水化，造成钢渣体积膨胀的速率不断增大。2条曲线初期的走势相同，都是由于沥青膜的作用减缓了混合料的体积膨胀，但后期两者差距越来越大，主要是因为在沥青膜逐渐脱落后，改性钢渣表面生成的树脂薄膜进一步阻止了钢渣与水分的接触，抑制了钢渣的体积膨胀。改性钢渣沥青混合料的体积膨胀率曲线后期走势较为平缓，也进一步表明改性钢渣沥青混合料具有更加优异的体积稳定性。

图4 沥青混合料水稳定性试验结果

图5 体积稳定性试验结果

3 结论

1) 采用7%浓度的甲基硅酸钠溶液对钢渣进行改性处理，可明显提高钢渣的物理力学性能，降低体积膨胀率；通过SEM扫描观测，甲基硅酸钠溶液可在钢渣表面形成一层树脂薄膜，可有效包裹住钢渣，阻止水分入侵。

2) 与钢渣沥青混合料相比，改性钢渣沥青混合料的油石比降低了0.1%，表明改性钢渣作为骨料能有效减少对沥青的消耗，节约工程成本。

3) 钢渣经过改性后，有效降低了体积膨胀率，增大了与沥青的粘附作用，且因表面粗糙，骨料间摩擦力大，使得改性钢渣沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性能均优于石灰岩沥青混合料和钢渣沥青混合料。

4) 与钢渣沥青混合料相比，改性钢渣沥青混合料具有更高的体积稳定性，浸水120 h后，改性钢渣沥青混合料的体积稳定性提高了51.3%。