高爐爐渣作為骨料對瀝青道路低溫性能的影響研究

覃 琳，李江華，馬耀宗，閆 強

(1.廣西交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西交投科技有限公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

出于環境保護和降低成本的考慮，越來越多的廢棄物被應用于新建道路中。在過去數十年間，國內外許多道路管理部門和科研機構對廢棄物在瀝青道路中的應用進行了廣泛而大量的研究。這些廢棄物主要包括：舊瀝青路面回收料、建筑垃圾、高爐礦渣和廢舊輪胎等。研究表明，近年來使用量較大的是舊瀝青路面回收料和高爐礦渣。

高爐礦渣是冶煉生鐵時從高爐中排出的一種廢渣，是一種易熔混合物。由于煉鐵原料品種和成分的變化以及操作工藝因素的影響，礦渣的組成和性質也不同。

煉鋼的副產品一般可被分為三種：即林茨-多納維茨礦渣(Linz-Donawitz Slag)、電弧爐鋼渣(Electric Arc Furnace Steel Slag)和高爐爐渣(Blast Furnace slag)。本文的研究對象為高爐礦渣，其主要成分為鈣、鐵、鋁、鎂和硅的氧化物，它們的平均重量約占高爐爐渣總重的90%。

國內外學者對高爐爐渣在道路建設應用方面均進行了大量研究。在現場測試的基礎上，Liapis等認為利用高爐爐渣作為骨料的瀝青混合料抗滑性能與傳統熱拌瀝青混合料相當。Ameri等利用掃描電子顯微鏡和力學實驗，研究高爐爐渣在溫拌瀝青中的應用，研究結果表明高爐爐渣制備的瀝青混合料在彈性模量和拉伸強度方面有所增強，抗水損壞性能有所減弱。王高峰等利用實驗，驗證了重礦渣代替天然砂石用于回填、道路基層、混凝土集料等的可行性；陳亮對廢舊材料在道路工程中的應用進行了回顧，認為高爐爐渣能被應用于道路建設中。李燦華等分析現有的路用鋼渣標準體系，提出了新的鋼渣標準體系和鋼渣應用于道路建設時可能存在的危害。

盡管有大量研究都論證了高爐礦渣作為骨料應用于瀝青混合料和道路建設的可行性，但是很少有研究涉及到瀝青材料的低溫性能。本文就高爐爐渣作為骨料對瀝青道路低溫性能的影響進行了實驗研究：(1)用彎曲梁流變儀(BBR)測量了添加不同比例高爐礦渣對瀝青混合料的低溫性能的影響；(2)計算諸如蠕變剛度S(t)、m值、熱應力、臨界開裂溫度、斷裂能和斷裂韌性等性質；(3)基于圖形比較來評估高爐爐渣對瀝青混合料低溫性能的影響。

1 試驗材料和方法

本研究選取國產非改性瀝青70#，其25 ℃針入度、延度和15 ℃軟化點指標分別為77.2，47.2 ℃和123 cm。利用傳統骨料和高爐爐渣分別以不同比例制備瀝青混合料，所有瀝青混合料均采用相同的級配和最大公稱粒徑(NMAS=12.5 mm)(見表1)。本文研究中所使用的實驗材料試驗標準均滿足我國現有《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)要求。

表1 瀝青混合料參數表

本研究中，彎曲梁流變儀(BBR)被用于實現瀝青混合料試件的低溫蠕變實驗。瀝青混合料試件被切割成與傳統瀝青結合料試件相同的大小，即長寬高分別為102 mm、12.5 mm和6.25 mm。試驗流程依據Marasteanu在2009年提出的方法進行，相比于傳統瀝青結合料的BBR實驗，本研究采用更高的恒定荷載P=4 N和更長的實驗時間1 000 s。BBR實驗通過低溫條件下的三點彎曲試驗，測量瀝青混合料在蠕變荷載作用下的勁度，并計算相應的勁度模量S和勁度模量變化率m值。實驗加載總時長240 s，實驗溫度選取低溫PG+10 ℃，即-18 ℃。上述試驗的每種試驗樣本至少進行三組平行試驗，以確保實驗結果可靠。相關的瀝青材料蠕變勁度S(t)和蠕變速率m的計算公式為：

(1)

(2)

其中，D——蠕變柔量；

P——施加的恒定荷載，大小約為4 N；

l——試樣長度(102 mm)；

b——試樣寬度(12.7 mm)；

h——試樣厚度(6.25 mm)；

δ(t)——瀝青試件隨時間的形變；

t——時間。

基于上述公式，松弛模量E(t)可以通過下列公式進行計算：

(3)

(4)

其中

f(t0)=0

E(t0)=0

E(t1)=t1/f(t1)

最后，通過公式(5)計算熱應力：

(5)

其中，ξ=t/aT——縮減時間；

α——瀝青混合料的熱收縮系數，

其值假定為30.28×10-6/℃。

2 實驗結果分析

2.1 低溫蠕變性能

根據BBR實驗計算結果，利用公式(1)和(2)分別計算加載時間60 s時的蠕變勁度S(60 s)和蠕變速率m(60 s)。計算結果見表2，繪制成柱狀對比圖，見圖1。

表2 -18 ℃時瀝青混合料的低溫蠕變性能S(60 s)和m(60 s)表

圖1 -18 ℃時瀝青混合料的低溫蠕變性能S(60 s)和m(60 s)柱狀對比圖

從圖1可以看出，隨著高爐爐渣比例的增加，瀝青混合料的蠕變勁度S(60 s)經歷了一個先增后減的過程，在高爐爐渣含量為75%時達到最高值，而100%高爐爐渣作為骨料的瀝青混合料表現出與傳統骨料相當的蠕變勁度。蠕變速率m(60 s)則表現出先減后增的趨勢，同樣在高爐爐渣含量為75%時達到最低值，且100%高爐爐渣作為骨料時與傳統骨料的蠕變速率相當。有研究顯示，更高的蠕變勁度和較低的蠕變速率表明，空氣會導致瀝青材料在低溫條件下變得更硬更脆，這會進一步導致瀝青混合料的整體硬化程度增加；從工程實際角度出發，則可能會直接降低瀝青路面的低溫抗開裂性能。上述蠕變勁度S(60 s)和蠕變速率m(60 s)值的變化范圍都集中在一個較小區間內，根據表2進行計算，S(60 s)和m(60 s)最大的變化幅度分別為8%和24%，均在可接受范圍內，因此利用高爐爐渣代替傳統骨料的瀝青混合料具有良好的低溫性能。

2.2 熱應力結果

熱應力的計算結果如圖2所示。

圖2 不同比例高爐爐渣制備瀝青混合料的熱應力曲線圖

從圖2可以看出，熱應力表現出與蠕變勁度S(60 s)類似的趨勢，75%摻量的瀝青混合料顯示最高的熱應力，而當骨料完全替換為高爐爐渣時，其熱應力曲線與傳統骨料制備的混合物非常接近。這可能是由于相比傳統骨料，高爐爐渣的孔隙率更高而導致的。這證明了之前研究的成果，即高爐爐渣可作為替代骨料進行瀝青混合料的制備工作，且呈現出較好的低溫性能。

3 結語

本文基于BBR的混合料蠕變試驗，研究了高爐爐渣作為骨料對瀝青混合料低溫性能的影響。實驗結果表明，高爐爐渣可作為瀝青混合料生產過程的替代骨料來源。但是，本文僅研究了五種不同高爐爐渣比例的瀝青混合料低溫性能。進一步的實驗方案應該被采納，以便更好評估高爐爐渣對瀝青混合料低溫性能的影響。