摻鋼渣瀝青混合料路用性能研究

作者簡介：

李林峰（1989—），工程師，主要從事高速公路建設工程管理工作。

摘要：為了研究鋼渣對瀝青混合料路用性能的影響，文章采用掃描電鏡（SEM）、X射線能譜分析儀（EDS）對鋼渣進行表面形貌及元素組成分析，并采用不同摻量鋼渣替代4.75～9.5 mm檔集料，研究不同摻量瀝青混合料路用性能的變化情況。結果顯示：鋼渣具有明顯的孔隙結構，對瀝青混合料的路用性能有重要影響;隨著鋼渣摻量增大，混合料高溫穩定性先增大后減小，低溫抗裂性及水穩定性逐漸減小，但當替代摻量<80%時，各項性能指標均滿足規范要求;綜合路用性能及經濟性原則，采用鋼渣代替4.75～9.5 mm集料時，鋼渣最佳摻量宜為60%。

關鍵詞：道路工程;鋼渣;瀝青混合料;路用性能;SEM

中國分類號：U416.217A100343

0 引言

瀝青混合料長期以來被廣泛應用于路面尤其是高等級公路路面工程，但由于瀝青存在易老化的缺點，路面服役一定時間后將不可避免產生裂縫，然后發展擴大進而影響瀝青路面使用壽命[1]。瀝青作為典型的粘彈性材料，在黏度較低的情況下可以發生類似毛細運動，進而可以封閉微裂縫。由于瀝青的黏度隨著溫度的升高而降低，且瀝青的黏度與溫度呈非線性關系，一般當溫度超過50 ℃～70 ℃的某一臨界溫度時，可認為瀝青是一種牛頓流體，可以有效流動。但一般瀝青路面服役溫度低于此臨界溫度，因此瀝青路面服役時裂縫的自愈合能力較為有限[2]。

為了加速瀝青混合料的自愈過程，道路工作者已采用多種技術促進自愈，以此來延長路面使用壽命。目前，微膠囊技術、感應加熱技術和微波加熱技術等得到了較多的研究和應用[3-6]。相較其他兩種技術，微波自愈具有加熱時間短、加熱效率好、經濟效益高等特點。有研究表明，加入微波誘導材料，如鋼渣、碳納米管和石墨烯等，可以大大提高瀝青路面裂紋愈合性能。其中，鋼渣作為最常見、最環保的誘導材料，應用最為廣泛[7]。

世界鋼鐵協會報告顯示，鋼鐵行業每年生產約1億t鋼渣，占全球原鋼產量的10%以上。鋼渣作為理想的二次資源，近年來已廣泛應用于路面、混凝土砌筑和建筑材料等民用建筑領域。研究顯示，鋼渣瀝青路面具有較高的模量、較好的耐磨性和抗疲勞性能。同時，鋼渣中含有大量的MgO、CaO、Fe3O4等金屬氧化物，被視為理想的瀝青混合料微波加熱誘導材料[8]。

為了研究鋼渣應用于瀝青混合料的作用機理及其對路用性能的影響，本文首先通過掃描電鏡（SEM）觀察鋼渣的表面形貌，然后采用X射線能譜分析儀（EDS）進行鋼渣元素組成分析，最后采用鋼渣替代4.75～9.5 mm檔集料，分別研究不同替代摻量對瀝青混合料高溫、低溫及水穩性等路用性能的影響，并確定最佳鋼渣摻量。

1 材料與方法

1.1 原材料

試驗所用原材料包括瀝青、集料、礦粉以及鋼渣等。瀝青采用70#基質瀝青，技術指標如表1所示。

粗、細集料均采用石灰巖集料，各檔集料分別為0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm。礦粉采用石灰巖研磨礦粉，各項性能指標均符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）相關要求。鋼渣采用某鋼廠生產殘留鋼渣，將其加工后取4.75～9.5 mm檔備用。本次試驗瀝青混合料采用AC-13瀝青混合料，級配組成如表2所示。

1.2 試樣制備

按照上述級配進行配合比設計，確定AC-13最佳油石比為4.2%。由于鋼渣為多孔結構，且鋼渣密度較石灰巖集料大，為研究不同摻量鋼渣對瀝青混合料性能的影響，采用等體積法替代4.75～9.5 mm集料進行試樣制備。鋼渣摻配比例分別為：0、20%、40%、60%、80%、100%。

2 鋼渣形貌及元素分析

采用掃描電子顯微鏡（SEM）進行鋼渣形貌特征觀察，加速電壓為5 kV，放大倍數為5 000 x、10 000 x。采用X射線能譜分析儀（EDS）進行鋼渣元素組成分析。相關測試結果表3所示。

由圖1 SEM掃描結果可看到，鋼渣結構呈現多孔狀態，一方面會對瀝青混合料力學性能產生影響，另一方面代替集料使用時可能也會吸附過多瀝青，進而對混合料最佳油石比產生一定影響。另外，鋼渣作為微波加熱誘導材料時，可能會導致微波在孔隙內部形成多次反射，可有效加熱并促進微波能量的吸收。

由表3元素組成分析可知，鋼渣主要元素為Ca、Fe、Si和Mg。其中Ca的比例超過60%，這可能是由于在鋼的加工過程中，為了減少雜質而使用了較高摻量的含Ca助熔劑導致。而相對較高的Fe含量（17.19%）、Mg含量（4.66%）將使鋼渣在微波輻射下具有較好的微波吸能傳熱性能。

3 路用性能

為了研究鋼渣對瀝青混合料路用性能的影響，按照上述材料組成設計進行混合料試樣制備。為簡化分析流程，首先進行無鋼渣瀝青混合料配合比設計，確定級配組成及最佳瀝青用量后，采用等體積鋼渣替代集料的方法制備不同摻量鋼渣瀝青混合料試件，分別進行不同摻量條件下混合料高溫、低溫及水穩定性能評價。

3.1 高溫穩定性

采用車轍試驗進行鋼渣瀝青混合料高溫穩定性評價。試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，取3個試件平均值作為測試值。動穩定度（DS）測試結果如圖1所示。

分析圖2可知，隨著鋼渣摻量的增加，DS值逐漸增大，當摻量為60%時，DS值最大（5732次/mm），為不含鋼渣混合料的1.45倍;但當摻量繼續增大時，DS值逐漸減小，且當摻量為100%時DS值小于不含鋼渣混合料。這可能是由于鋼渣的密度較大，強度較高，與骨料的接觸更近，增強了結構的整體性，從而可以有效抵抗高溫變形。而鋼渣摻量過高，其多孔結構會增大集料整體孔隙，吸附過多瀝青，削弱瀝青對集料的有效粘附，從而降低瀝青混合料的強度和高溫穩定性。車轍試驗結果表明，鋼渣替代量<60%時對瀝青混合料的高溫永久變形有較好的促進作用。

3.2 低溫抗裂性

采用小梁低溫彎曲試驗進行鋼渣瀝青混合料低溫抗裂性能評價。小梁試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm。低溫破壞應變值測試結果如圖2所示。

圖2結果顯示，隨著鋼渣摻量的增加，破壞應變值呈下降趨勢，且下降趨勢符合線性規律（擬合關系如圖3所示）。當摻量達到80%時，破壞應變降低至2 479 με，小于規范要求的最低標準2 500 με。這是由于鋼渣的多孔結構特性使得混合料空隙率隨著鋼渣摻量的增加而增大，鋼渣吸收了大量瀝青，降低了對集料的粘附效果。同時，多孔結構在冰凍條件下使得水分分布于多孔結構中凝凍，降低了混合料的抗低溫破壞能力。這表明摻入鋼渣后，瀝青混合料低溫抗裂性能降低。

3.3 水穩定性

采用馬歇爾穩定度試驗與凍融劈裂試驗進行鋼渣瀝青混合料低溫水穩定性評價。殘留穩定度與凍融劈裂強度比試驗結果如圖3所示。

圖3結果顯示，殘留穩定度值和凍融劈裂強度比均隨著鋼渣摻量的增加而降低。從凍融劈裂強度試驗結果來看，當鋼渣替代率為100%時，劈裂強度比仍可達到82.5%，滿足我國規范≥80%的要求。但當鋼渣摻量>80%時，殘留穩定度降低至79.2%，已不能滿足我國規范≥85%的要求。這是由于鋼渣摻入后瀝青混合料空隙率增加，使得水分更容易進入瀝青混合料結構。混合料內部與水接觸面積增大，導致瀝青與集料發生剝落可能性增大，從而降低了瀝青混合料的水穩定性。另外，當鋼渣替代率為60%時，與不含鋼渣的瀝青混合料相比，劈裂強度比和殘留穩定度分別降低了5.25%和7.24%，但均符合規范要求。

基于上述分析可知，一定摻量的鋼渣可以提高瀝青混合料的高溫穩定性，但由于鋼渣的多孔結構特性，會對低溫抗裂性和水穩定性產生負面影響。綜合各項路用性能試驗結果及經濟性原則，采用鋼渣代替4.75～9.5 mm集料時，鋼渣最佳摻量宜為60%。

4 結語

通過SEM、EDS對鋼渣進行表面形貌及元素組成分析，以及不同鋼渣摻量下瀝青混合料路用性能影響分析，得到如下結論：

（1）掃描電鏡圖像分析結果顯示，鋼渣具有疏松多孔結構，會對瀝青混合料路用性能產生重要影響。元素分析表明，鋼渣具有潛在的微波加熱潛力，是較好的微波加熱誘導材料。

（2）隨著鋼渣摻量增大，混合料高溫穩定性先增大后減小，低溫抗裂性及水穩定性逐漸減小，但當替代摻量<80%時，各項性能指標均滿足規范要求。

（3）綜合路用性能及經濟性原則，采用鋼渣代替4.75～9.5 mm集料時，鋼渣最佳摻量宜為60%。

參考文獻：

[1]袁 凱.微波加熱技術在瀝青路面養護工程中的應用[J].交通世界，2020（32）：75-76.

[2]畢連居，朱浩然，焦生杰，等.微波輔助加熱填料在瀝青路面修補中的應用[J].筑路機械與施工機械化，2020，37（9）：55-58.

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