粗钢渣沥青混合料性能试验研究

2023-12-22＊谢斌

当代化工研究 2023年21期

＊谢斌

（扬州市公路事业发展中心江苏 225000）

引言

钢渣是钢铁制造过程中的副产品，每生产3吨钢材大约会产生1吨钢渣。我国是钢铁生产大国，由此每年生产大约8000万吨的钢渣，如何利用好数量如此巨大的废弃物，是人们必须面对的问题。钢渣由于含有大量的自由铁，使材料具有较高的密度和硬度，表现出较高的强度和耐久性，因此不少研究者将钢渣用作路面的集料[1-2]。此外，由于钢渣具有较高的摩擦系数和耐磨性，它已广泛用于需要高耐磨性的工业道路、交叉口和停车区域等[3]。Asi等[4]评估了含钢渣的沥青混合料的抗滑性能，认为含30%钢渣的AC型沥青混合料具有最高的抗滑性能。Wu等人[5]研究了钢渣在SMA沥青混合料中用作粗集料的可行性，研究结果表明，将石灰石粗骨料替换为钢渣骨料后，最多可提高沥青混合料的力学性能达75%，将钢渣用作骨料提供了一种新的、更具成本效益的废弃资源利用方法。我国一些学者对钢渣在沥青混合料中的应用也进行了不少研究[6-7]，得出的结论和国外学者是一致的。

在公路钢渣沥青工程领域，项目研究人员们开展了一系列关于钢渣沥青混合料（Steel Slag Asphalt Mixture，SSAM）的研究与实践。将钢渣当做集料应用到沥青路面的铺设中（图1），不仅拓宽了钢渣利用途径，还能够改善沥青混合料的多项性能，及实现沥青路面的多功能性。本文主要针对钢渣作粗集料的沥青混合料的路用性能展开实验研究，通过对比不同成分沥青混合料的各项路用性能，进一步明确钢渣对沥青混合料性能的影响程度，以期为后续的道路施工提供参数。

图1 钢渣沥青路面图

但受钢渣处理工艺和设备的限制，我国部分钢铁厂生产的钢渣集料存在着体积稳定性不良、含灰量较大等问题。低品质钢渣集料也直接导致我国早期修建的几条钢渣沥青混凝土路面试验段质量变异性较大。本研究对河北某钢厂采用新工艺后产生的废钢渣用于沥青混合料的可行性展开研究，在两种不同级配的沥青混合料（AC-10和AC-13）中分别采用两种不同的粗集料（钢渣和石灰岩），对不同沥青混合料进行组成设计，并测试其马歇尔性能指标、蠕变劲度模量和劈裂强度，为钢渣的推广应用提供指导和参考。

1.原材料

(1)沥青

本研究使用SBS改性沥青，相关性能测试结果如表1所示，满足相关规范要求。

表1 SBS改性沥青性能检测结果

(2)集料和钢渣

本文所用天然集料为石灰岩，所用矿粉为石灰岩磨制而成。本研究所用钢渣来自河北某厂，粒径为5～10mm。天然石灰岩集料和钢渣的相关性能测试结果如表2所示，钢渣成分测试结果如表3所示。

表2 粗骨料性能测试结果

表3 钢渣主要成分测试结果

表2测试结果表明，天然石灰岩集料的密度小于钢渣，这是由于钢渣含有铁质成分，因此密度较大，磨耗值较小。但由于钢渣表面多孔，故其吸水率也较大。这些性能的不同均会对沥青混合料性能造成影响。

表3表明钢渣中含有大量的CaO，遇水会导致体积膨胀，这也是钢渣沥青混合料体积安定性不良的根本原因，但同时CaO也是一种活性成分，其水化物具有一定的粘结能力[8]，也会对沥青混合料性能产生影响。

2.沥青混合料组成设计

本研究包括两种级配（AC10和AC13）和两种粗集料（石灰岩和钢渣），共设计四种沥青混合料，分别记为AC10-石、AC10-钢、AC13-石和AC13-钢。AC10-石和AC13-石中同粒径集料全部由钢渣替代。根据设计结果，AC10-石、AC10-钢、AC13-石和AC13-钢的最佳油石比分别为5.5%、5.7%、4.9%和5.1%，可见，由于钢渣的多孔性，导致使用钢渣沥青混合料的最佳油石比较大，比常规沥青混合料最佳油石比提高了0.2%左右。

3.性能测试结果和讨论

对四种沥青混合料的马歇尔指标、劈裂强度、蠕变劲度模量进行测试，每组试验取4个平行试件。

(1)马歇尔试验

马歇尔试验测试结果如表4所示，其中马歇尔模数为稳定度和流值之比，该值较高表明沥青混合料在相同变形条件下所需的力较大，表明沥青混合料可能具有更高的抗变形能力[9]。

表4 沥青混合料马歇尔指标测试结果

如表4所示，钢渣沥青混合料比相应的石灰岩沥青混合料表现出更高的马歇尔稳定性和更低的流值。稳定度和流值是马歇尔试验的重要指标，沥青混凝土的马歇尔稳定度反映了其在交通荷载下抵抗推挤和车辙的能力，流值则是沥青混凝土变形而不发生开裂的能力。表4测试结果还表明，钢渣沥青混合料的马歇尔模数高于石灰岩沥青混合料，如前所述，马歇尔模数是衡量材料抵抗永久变形能力的指标，在AC10级配中，钢渣沥青混合料的马歇尔模数提高了47.8%，在AC13级配中，这一值提高为47.9%，表明钢渣可有效提升沥青混合料抵抗车辙变形的能力[10-11]。

(2)蠕变劲度模量

马歇尔模数是表征沥青混合料抗车辙性能的经验性指标，为此，本研究还测试了不同沥青混合料的蠕变劲度模量，可从力学角度反应混合料的高温抗变形性能。本研究分别在40℃和60℃下测试了沥青混合料的蠕变劲度模量，结果如表5所示。

表5 沥青混合料蠕变劲度模量测试结果

由表5测试结果可见，①温度对沥青混合料的蠕变劲度模量有较大影响，温度越高，混合料的蠕变劲度模量越小，这是由沥青混合料的软化造成；②与石灰岩沥青混合料相比，钢渣沥青混合料在40℃和60℃时均表现出更高的蠕变劲度模量，说明混合料永久变形的抵抗能力得到了显著改善。以60℃时为例，无论是在AC10级配还是AC13级配中，钢渣使得沥青混合料的劲度模量提高了近3倍，明显改善了沥青混合料的高温性能。究其原因，一方面钢渣的表面摩擦系数更大，使得钢渣-集料骨架在荷载作用下不易变形，另一方面钢渣表面的多孔使得其与沥青的物理吸附能力更高，有助于提升沥青胶结料的抗变形能力[12]。

(3)劈裂强度

对沥青混合料的劈裂强度进行了测试，包括常规劈裂强度和冻融劈裂强度，并计算了冻融劈裂强度比以反映沥青混合料的水稳定性。测试结果如表6所示。

表6 沥青混合料劈裂强度测试结果

表6测试结果表明，含钢渣粗骨料的沥青混合料的劈裂强度高于含石灰岩骨料的沥青混合料，表明钢渣沥青混合料具有更高的内聚力，间接反映了钢渣与沥青之间的吸附能力更高。除此之外，钢渣沥青混合料的冻融劈裂强度比也高于石灰岩沥青混合料，说明前者对水的影响更为不敏感，有助于提高沥青混合料的水稳定性，这是由于一方面钢渣与沥青之间的物理吸附能力更强，另一方面钢渣中活性成分的水化产物也有助于提高钢渣与沥青的粘结[13]。