多摻量鋼渣開(kāi)級(jí)配瀝青混合料性能研究

張 強(qiáng)，胡力群，劉興成

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710000)

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)飛速發(fā)展，到2018年年底，我國(guó)公路里程總數(shù)為484.65萬(wàn)公里，高速公路里程14.26萬(wàn)公里[1]，其中大部分為瀝青路面。但是，所建瀝青路面中絕大部分都是設(shè)計(jì)空隙率較小的密級(jí)配瀝青混凝土路面，該路面結(jié)構(gòu)密實(shí)不易透水，在雨量充沛地區(qū)容易出現(xiàn)路面積水，引起水霧、眩光等不利條件，嚴(yán)重影響了道路行車安全[2]。因此，國(guó)外研究人員廣泛開(kāi)展了開(kāi)級(jí)配瀝青路面的研究[3-4]。我國(guó)研究人員從國(guó)外引進(jìn)這種通過(guò)嵌擠形成骨架-孔隙結(jié)構(gòu)的開(kāi)級(jí)配瀝青混合料(Open Graded Asphalt Mixture，OGFC)[5-6]進(jìn)行研究，其具有透水、抗滑、降噪、滲水效果好等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地解決雨天道路表面積水的問(wèn)題，保障行車的安全性。

鋼渣作為鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一種固態(tài)廢棄物，大量堆積在露天環(huán)境下會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)[7]，但是有關(guān)研究表明[8]，鋼渣具有多孔、耐磨、棱角性好且與瀝青粘附性好等優(yōu)良特性，將其作為集料制備OGFC鋼渣瀝青混合料，可以有效提高瀝青混合料的耐磨、強(qiáng)度、粘附性等路用性質(zhì)，增強(qiáng)開(kāi)級(jí)配瀝青路面的服務(wù)壽命；另一方面，消耗大量的鋼渣制備混合料可以有效減輕對(duì)天然石灰?guī)r、玄武巖等石料的開(kāi)采力度，從而減少對(duì)環(huán)境的破壞，保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境。將鋼渣以不同體積摻量替代石灰?guī)r粗集料制備OGFC-13混合料，并進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)和路用性能檢驗(yàn)，為日后鋼渣開(kāi)級(jí)配瀝青混凝土路面的應(yīng)用與發(fā)展提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)粗集料采用鋼渣和石灰?guī)r，規(guī)格均為9.5～16 mm，4.75～9.5 mm，細(xì)集料為石灰?guī)r，規(guī)格為0～4.75 mm。瀝青采用高黏改性瀝青，各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 高黏改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indicators of high viscosity modified asphalt

鋼渣為自然陳放兩年以上的熱悶型轉(zhuǎn)爐鋼渣，其化學(xué)組成如表2所示。

表2 鋼渣的化學(xué)組成成分Table 2 Chemical composition of steel slag /%

由表2可知，鋼渣為堿性集料，能與弱酸性瀝青發(fā)生化學(xué)結(jié)合，增強(qiáng)集料與瀝青之間的粘結(jié)力，進(jìn)而提高開(kāi)級(jí)配透水瀝青混凝土路面的水穩(wěn)定性能。

根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)集料的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果詳見(jiàn)表3～5。由表可知，鋼渣的物理力學(xué)性能優(yōu)于石灰?guī)r集料，相比于石灰?guī)r，鋼渣具有更高的密度、吸水率、粘附性、磨光值，同時(shí)具有更小的壓碎值與磨耗值。在滿足膨脹性的條件下，鋼渣完全是一種優(yōu)良的道路用集料。

表3 鋼渣和石灰?guī)r粗集料技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indicators of steel slag and limestone coarse aggregate

表4 石灰?guī)r細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)Table 4 Technical indicators of fine limestone aggregate

表5 礦粉技術(shù)指標(biāo)Table 5 Technical indicators of mineral powder

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

將鋼渣以不同比例等體積替換石灰?guī)r粗集料制備OGFC-13瀝青混合料，對(duì)其混合料性能進(jìn)行對(duì)比分析。由于鋼渣和石灰?guī)r碎石密度相差較大，在對(duì)混合料進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將初始級(jí)配曲線的質(zhì)量通過(guò)百分率理解為體積通過(guò)百分率，然后對(duì)兩種集料密度差值進(jìn)行體積與質(zhì)量之間的換算，即采用體積法[9]替換不同摻量鋼渣粗集料，其級(jí)配組成設(shè)計(jì)見(jiàn)表6。

表6 鋼渣OGFC-13級(jí)配組成設(shè)計(jì)Table 6 Design of gradation composition of steel slag OGFC-13 /%

2.2 最佳油石比

通過(guò)采用析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)確定出不同鋼渣體積摻量OGFC-13的最佳油石比。

(1)鋼渣摻量為0%的OGFC-13混合料最佳油石比確定

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)成型試件，再進(jìn)行析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)，確定出OGFC-13析漏損失、飛散損失與油石比的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 鋼渣摻量為0%OGFC-13的析漏損失、飛散損失與油石比關(guān)系
Fig.1 Relation between leakage loss, flying loss and asphalt ratio of OGFC-13 with 0% steel slag content

規(guī)范[10]規(guī)定，OGFC瀝青混合料的析漏損失應(yīng)不大于0.3%，確定出鋼渣摻量為0%的混合料析漏損失率拐點(diǎn)，如圖1所示，其油石比數(shù)值為4.07%，即最大用油量為4.07%。OGFC瀝青混合料飛散損失應(yīng)小于15%，確定出鋼渣摻量為0%的混合料飛散損失拐點(diǎn)，如圖1所示，其油石比數(shù)值為3.73%，即瀝青最小用量為3.73%。

根據(jù)上述分析，確定出鋼渣摻量為0%的OGFC-13最佳瀝青用量范圍為3.73%～4.07%，考慮到瀝青混合料路面的耐久性并結(jié)合工程實(shí)際，取中值3.90%為鋼渣摻量為0%混合料的最佳油石比[11]。

(2)鋼渣摻量為25%、50%、75%、100%的OGFC-13混合料最佳油石比確定

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)成型試件，再進(jìn)行析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)，確定出不同鋼渣摻量OGFC-13析漏損失、飛散損失與油石比的關(guān)系，如圖2～5所示。

圖2 鋼渣摻量為25%OGFC-13的析漏損失、飛散損失與油石比關(guān)系
Fig.2 Relation between leakage loss, flying loss and asphalt ratio of OGFC-13 with 25% steel slag content

圖3 鋼渣摻量為50%OGFC-13的析漏損失、飛散損失與油石比關(guān)系
Fig.3 Relation between leakage loss, flying loss and asphalt ratio of OGFC-13 with 50% steel slag content

參照上述方法，確定出鋼渣摻量為25%、50%、75%、100%OGFC-13最佳瀝青用量范圍依次為4.10%～4.35%、4.28%～4.60%、4.37%～4.73%、4.50%～4.92%，取各自中值為最佳油石比，即相應(yīng)最佳油石比依次為4.22%、4.44%、4.55%、4.71%。

按照最佳油石比進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，試件雙面擊實(shí)50次，通過(guò)測(cè)量確定出不同鋼渣摻量混合料的性能參數(shù)，如表7所示。由表可知，隨著鋼渣摻量的增加，瀝青用量逐漸增加，這是由于鋼渣具有多孔的特性；不同鋼渣摻量的加入會(huì)使混合料的穩(wěn)定度得到不同程度的提升，且其余各項(xiàng)技術(shù)性能均滿足規(guī)范要求。

圖4 鋼渣摻量為75%OGFC-13的析漏損失、飛散損失與油石比關(guān)系
Fig.4 Relation between leakage loss, flying loss and asphalt ratio of OGFC-13 with 75% steel slag content

圖5 鋼渣摻量為100%OGFC-13的析漏損失、飛散損失與油石比關(guān)系
Fig.5 Relation between leakage loss, flying loss and asphalt ratio of OGFC-13 with 100% steel slag content

表7 鋼渣OGFC-13混合料性能測(cè)試結(jié)果
Table 7 Performance test results of steel slag OGFC-13 mixture

鋼渣摻量/%最佳油石比/%穩(wěn)定度/kN孔隙率/%析漏損失/%飛散損失/%03.906.4318.190.0487.3254.227.2218.500.07210.3504.447.8819.260.1528.8754.557.1919.420.1227.81004.717.2220.090.1816.5指標(biāo)[12]-≥518～25<0.3<15

3 鋼渣OGFC-13瀝青混合料性能研究

3.1 高溫穩(wěn)定性

利用車轍試驗(yàn)檢測(cè)不同鋼渣體積摻量下瀝青混合料的高溫性能，按照規(guī)范中的輪碾法制作不同鋼渣摻量下的OGFC-13混合料車轍板試件，試件滿足300 mm×300 mm×50 mm尺寸要求。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同鋼渣體積摻量下OGFC-13車轍試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Rutting test results of OGFC-13 with different volume fractions of steel slag

由圖6可知，不同鋼渣摻量下的OGFC-13瀝青混合料車轍板動(dòng)穩(wěn)定度值均遠(yuǎn)大于規(guī)范要求值(3000次/mm)，且隨著鋼渣摻量的增加動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，鋼渣摻量為50%時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到峰值。這主要是因?yàn)殇撛w粒形狀均勻，棱角性較好，在混合料中能形成緊密的嵌鎖作用[13]，而且鋼渣表面的多孔結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)與瀝青的粘結(jié)力，從而提高混合料穩(wěn)定度。但是，隨著鋼渣含量的增加，鋼渣瀝青混合料會(huì)越來(lái)越難以壓實(shí)[14]，從而使瀝青混合料原設(shè)計(jì)的孔隙率、壓實(shí)度等參數(shù)發(fā)生一定變化，造成不利影響，使動(dòng)穩(wěn)定度有所降低。

3.2 低溫抗裂性

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同鋼渣摻量OGFC-13瀝青混合料的低溫性能，按照規(guī)范將制作好的車轍板試件切割為長(zhǎng)(250±2) mm、寬(30±2) mm、高(35±2) mm的棱柱體小梁，并進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

由表8可知，鋼渣OGFC-13瀝青混合料的低溫性能都能夠符合規(guī)范要求，但鋼渣的摻入會(huì)使OGFC-13混合料的低溫性能逐漸降低。由于鋼渣表面孔隙較多，在長(zhǎng)時(shí)間露天堆放過(guò)程中會(huì)使一些粉塵與雜質(zhì)進(jìn)入孔隙內(nèi)部[15]，影響由其制備的鋼渣瀝青混合料小梁試件的整體強(qiáng)度，從而使測(cè)試出的低溫性能呈現(xiàn)隨鋼渣摻量增多而降低的趨勢(shì)。

3.3 水穩(wěn)定性

由于OGFC瀝青混合料空隙較大，水需要從混合料內(nèi)部孔隙透過(guò)而被排出，因此必須檢驗(yàn)鋼渣OGFC-13混合料的抗水損壞能力[13]。采用凍融劈裂試驗(yàn)檢驗(yàn)鋼渣OGFC-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性，其試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 不同鋼渣體積摻量下OGFC-13凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Freeze-thaw splitting test results of OGFC-13 with different volume fractions of steel slag

由表9可知，鋼渣的摻入能不同程度地提高OGFC瀝青混合料的抗水損壞能力，并且隨著鋼渣摻量的增加水穩(wěn)定性提升效果呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)樵囼?yàn)所用鋼渣呈堿性，且表面存在很多的微孔，能夠增大對(duì)瀝青的吸附效果，提高混合料內(nèi)部的粘結(jié)力[16]。此外丁慶軍等[17]認(rèn)為鋼渣表面有許多金屬陽(yáng)離子，能與瀝青中的酸酐發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)生成瀝青酸鹽從而增加瀝青與鋼渣之間的粘結(jié)效果。但是，鋼渣中存在的f-CaO和f-MgO會(huì)隨鋼渣體積摻量的增加而增加，二者遇水后體積都會(huì)發(fā)生膨脹，影響鋼渣與瀝青之間的粘附性，從而降低穩(wěn)定性；同時(shí)鋼渣孔隙中存在一些雜質(zhì)、灰塵也會(huì)對(duì)混合料的水穩(wěn)定性造成一定影響。

3.4 體積穩(wěn)定性

由于鋼渣中存在f-CaO，其遇水會(huì)造成體積膨脹，積累達(dá)到一定程度會(huì)使瀝青路面出現(xiàn)裂縫或鼓包，嚴(yán)重影響瀝青混凝土的路用性能。Coomarasamy[18]指出鋼渣瀝青混凝土在濕潤(rùn)條件下，其表面會(huì)生成Ca(OH)2等含鈣化合物，引發(fā)體積膨脹。因此必須對(duì)鋼渣OGFC-13的體積穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)。設(shè)計(jì)了不同鋼渣體積摻量下的混合料車轍板小梁線性膨脹試驗(yàn)，以線性膨脹率表征鋼渣OGFC-13的體積穩(wěn)定性。本試驗(yàn)記錄了小梁試件在25 ℃水浴箱中浸泡30 d內(nèi)的長(zhǎng)度變化平均值，如表10所示。

表10 小梁浸泡過(guò)程中的長(zhǎng)度變化Table 10 Length variation during trabecular soaking /mm

圖7 不同鋼渣體積摻量下OGFC-13小梁線性膨脹率 測(cè)試結(jié)果Fig.7 Testing results of trabecular linear expansion rate of OGFC-13 under different volume fraction of steel slag

根據(jù)表10中的小梁長(zhǎng)度變化平均值，利用公式(1)計(jì)算出小梁的線性膨脹率，并將其繪制成圖，如圖7所示。

(1)

式中：LC為小梁線性膨脹率，%；L0為小梁初始狀態(tài)下的長(zhǎng)度平均值，mm；LD為第dd浸泡后測(cè)量小梁長(zhǎng)度變化的平均值，mm。

由圖7可知，不同鋼渣體積摻量下的OGFC-13小梁試件隨著齡期的增長(zhǎng)其膨脹率緩慢增大，后趨于平穩(wěn)，100%鋼渣摻量的小梁試件線性膨脹率最大，但仍小于0.08%，完全滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中不大于1.5%的要求。

3.5 滲水性能

滲水系數(shù)是OGFC瀝青混合料排水能力大小的主要指標(biāo)，是對(duì)混合料內(nèi)部空隙大小的重要反映[19]。試驗(yàn)按照《瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的要求，測(cè)試不同鋼渣體積摻量下OGFC的滲水系數(shù)，通過(guò)滲水試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)其混合料滲水性能。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 不同鋼渣體積摻量下OGFC-13滲水試驗(yàn)結(jié)果Table 11 Results of OGFC-13 seepage test under different volume fractions of steel slag

由表11可知，OGFC-13鋼渣瀝青混合料隨著鋼渣含量的增多其滲水性能逐漸提高，其原因?yàn)殇撛康脑龆啵旌狭峡紫堵试龃螅潘芰μ岣撸瑫r(shí)，鋼渣的棱角性優(yōu)于石灰?guī)r，其形態(tài)接近于立方體[20]，所形成的內(nèi)部水流通道更為寬廣，排水性能良好。

4 結(jié) 論

(1)利用體積法將不同摻量鋼渣等體積替換石灰?guī)r粗集料制備OGFC-13，并通過(guò)析漏試驗(yàn)、肯塔堡飛散試驗(yàn)確定出不同鋼渣體積摻量OGFC的最佳油石比，其馬歇爾試件的各項(xiàng)性能參數(shù)都能夠滿足規(guī)范要求。

(2)研究了不同鋼渣體積摻量下OGFC-13的高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性能、水穩(wěn)性能、體積安定性以及滲水性能，并分析其變化規(guī)律及原因。隨著鋼渣的摻入，混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性會(huì)得到不同程度的改善；鋼渣的摻入會(huì)略微減弱混合料的低溫性能和體積穩(wěn)定性，但仍能符合規(guī)范；鋼渣的摻入能夠增強(qiáng)混合料的滲水能力。

(3)結(jié)合不同鋼渣體積摻量下OGFC-13的各項(xiàng)性能測(cè)試結(jié)果，給出鋼渣OGFC-13瀝青混合料的最佳鋼渣摻量建議值，為50%。