超薄磨耗層SMA-5鋼渣瀝青混合料性能研究*

邱懷中 楊 超 吳少鵬 謝 君 張登峰

(湖北省交通運輸廳漢十高速公路管理處1) 武漢 430000) (武漢理工大學材料科學與工程學院2) 武漢 430070)

0 引 言

鋼渣的有效資源化利用一直是一個業界難題[1-2].近年來研究發現破碎后的鋼渣具備抗滑耐磨等優點，用其制備的瀝青混合料應用在路面表層能有效保證行車安全和路面耐久性[3].

國內外學者對鋼渣集料在瀝青路面抗滑磨耗層的應用展開了大量的研究.王雅婷[4]制備了鋼渣超薄抗滑磨耗層瀝青混合料并測試其路用性能，結果表明鋼渣瀝青SMA和SAC混合料分別在鋼渣摻量為40%和60%時兩種鋼渣瀝青混合料的抗滑性能均滿足規范要求.相較于一般天然集料，鋼渣瀝青混合料表現出優良的抗滑性能.馬永賓等[5]依托高速公路預防性養護工程，對鋼渣超薄抗滑磨耗層施工進行質量控制，并檢測鋼渣集料混合料性能與磨耗層性能.結果表明：鋼渣可替代磨耗層中部分優質石料，減少施工成本；同時鋼渣超薄磨耗層具有良好的抗滑性能與平整度，有效修復舊路面車轍，恢復路面摩擦力，提高安全性與舒適性.何培龍等[6]研究了鋼渣以不同摻配比例替代超薄磨耗層的細集料后的路用性能，結果表明鋼渣的摻入對混合料的水穩定性沒有實質性影響，不同鋼渣摻量的混凝土水穩定性均能較好滿足規范要求，從而也間接證明了瀝青與鋼渣粘附性較好.Liapis等[7]研究了服役30～41個月的鋼渣和安山巖制備的磨耗層的路面性能，結果表明兩種路面的抗滑性能均滿足要求，但鋼渣抗滑薄層的滲透性和宏觀結構深度較安山巖抗滑薄層更大，在雨水天氣會越少出現打滑和集料飛濺現象.萬九鳴[8]采用鋼渣和玄武巖制備了AC-5和SMA-5兩磨耗層材料，并研究了其對應的路用性能.結果表明，SMA-5瀝青混合料擁有較好的擺值和構造深度，其抗滑性能要優于AC-5瀝青混合料；鋼渣的加入會減小AC-5瀝青混合料的層間剪切位移但提升SMA-5瀝青混合料的層間剪切位移.

以上研究表明，鋼渣抗滑耐磨的優點能提升混合料的抗滑性能，用其制備的瀝青混合料的整體路用性能良好.文中基于三種產地鋼渣的性能研究，采用鋼渣和玄武巖復配工藝制備超薄磨耗層SMA-5鋼渣瀝青混合料，對比分析其路用性能差異，為鋼渣在超薄磨耗層的應用奠定理論基礎.

1 原材料與實驗方法

1.1 原材料

瀝青為內蒙古生產的SBS改性瀝青，其基本性能指標見表1.

表1 SBS改性瀝青的主要性能指標

三種鋼渣分別來自廣西某公司、湖北某公司和包頭某公司的轉爐鋼渣(以下分別簡稱廣西鋼渣、湖北鋼渣和內蒙鋼渣).三種鋼渣的宏觀外貌見圖1.通過文獻[9]對三種鋼渣的性能進行檢測，其測試結果見表2.

圖1 三種鋼渣的外觀

表2 粗集料(2.36～4.75 mm)的相關性能測試結果

實驗細集料統一采用湖北京山生產的玄武巖，其基本性能指標見表3.

表3 玄武巖細集料(0～2.36 mm)的基本性能指標

1.2 實驗方法

1.2.1鋼渣性能研究

集料的化學成分和微觀形貌分別采用Axios advanced波長色散型X射線熒光光譜儀(XRF)和JSM-5610LV掃描電子顯微鏡(SEM)進行測試.三種鋼渣的f-CaO含量采用采用甘油乙醇溶解-苯甲酸無水乙醇溶液滴定法進行測試.鋼渣中f-CaO含量的計算公式為

f-CaO%=TCaO×V×100/G×1 000

(1)

式中：TCaO為每毫升苯甲酸標準溶液相當于氧化鈣的毫升數，mg/mL；V為滴定消耗苯甲酸無水乙醇標準溶液的總體積，mL；G為待測樣品重量，g.

1.2.2鋼渣瀝青混合料配合比設計

實驗中粗集料(2.36～4.75 mm)采用鋼渣，細集料使用玄武巖，分別制備四種不同類型的SMA-5瀝青混合料，其合成級配曲線見圖2.依據馬歇爾設計方法成型四種瀝青混合料，在各項指標均滿足規范要求下，確定鋼渣瀝青混合料和玄武巖瀝青混合料的最佳油石比分別為6.1%和6.3%.聚酯纖維的摻量為混合料質量的0.3%.為進行后期的性能對比研究，三種鋼渣瀝青混合料采用相同的油石比.

圖2 鋼渣和玄武巖SMA-5級配設計曲線圖

1.2.3鋼渣瀝青混合料性能研究

瀝青混合料的抗滑性能采用室內成型車轍板試件(300 mm×300 mm×50 mm)的表面構造深度和擺值指標來進行表征.其中，參考文獻[10]采用手工鋪砂法進行測試，其計算公式為

(2)

式中：TD為瀝青混合料的表面構造深度，mm；V為砂的體積(實驗測試中為25 cm3)；D為攤平砂的平均直徑，mm.

瀝青混合料的擺值采用T0964—2008中的擺式摩擦系數測定儀(擺式儀)進行測試，擺值最終確定需采用溫度修正值來進行相應的修正，其修正公式為

BPN20=BPNt+ΔBPN

(3)

式中：BPN20為換算成標準溫度20 ℃下的擺值；BPNt為實際測試時的擺值；ΔBPN為溫度修正值.

采用殘留穩定度(RMS)和凍融劈裂強度比(TSR)來評價瀝青混合料的水穩定性.瀝青混合料的高溫抗車轍性能采用室內成型的尺寸為300 mm×300 mm×50 mm車轍板的動穩定度來表征，測試溫度為標準實驗的60 ℃.高溫性能采用60 ℃下車轍實驗的動穩定度來表征.混合料的低溫性能測試采用小梁三點彎曲試驗，試件的尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，實驗溫度為-10 ℃.借助萬能試驗機UTM-25對四種小梁測試，所得的最大荷載為

(4)

εB=6×h×d/L2

(5)

SB=RB/εB

(6)

式中：RB為試件的抗彎拉強度；εB為彎拉應變；SB為勁度模量；L為試件的跨徑(實驗取200 mm)；PB為小梁試件破壞時的最大荷載；b，h，d分別為小梁試件的寬度、高度、破壞時的擾度.

2 鋼渣集料性能研究

2.1 化學組成

三種鋼渣和玄武巖的化學組成見表4，雖然鋼渣的成分會受到原礦石的生產工藝影響，但不同產地鋼渣其元素含量具有相似性.鋼渣中含量最高的元素是Ca，這與煉鋼中加入的助熔劑有關.三種鋼渣集料中，內蒙鋼渣的CaO含量最高，同時其SiO2含量低.玄武巖的化學成分與鋼渣差異較大，其含量最高的元素是Si，其次是Al.鋼渣中含量高的堿性氧化物能與瀝青中的羧酸發生中和化學反應生成具有強吸附性的鹼土鹽，從而在集料與瀝青間形成傳遞應力的界面層，進而增強礦料與瀝青之間的粘附性.

表4 鋼渣和玄武巖的化學組成

2.2 微觀形貌

鋼渣的表面較玄武巖粗糙，其表面含有許多不規則形狀，這些豐富的表面紋理會增大其與瀝青的有效接觸面積，從而提升其與瀝青的黏附性.鋼渣含有許多微小孔隙，這些孔隙使鋼渣的吸水率較高，同時也會提升對瀝青的吸收程度.三種鋼渣中，湖北鋼渣的孔隙結構最為豐富.鋼渣和玄武巖的表面均出現微小粉塵聚集的現象，這些聚集粉塵是集料中CaCO3等礦物的水化產物[11].

2.3 f-CaO含量

f-CaO遇水其摩爾體積會膨脹近1倍，因此鋼渣集料中f-CaO含量直接影響其體積穩定性.通過滴定法測試得到的三種鋼渣的f-CaO含量見圖5.廣西鋼渣的f-CaO含量的最低，其次是內蒙鋼渣和湖北鋼渣，三種鋼渣的f-CaO含量均低于2%，遠高于規范對瀝青混合料用鋼渣中不超過3%的要求.因此，三種鋼渣集料應用瀝青磨耗層中均不會出現明顯的體積穩定性不良等問題.

圖3 鋼渣的f-CaO含量測試結果

3 鋼渣超薄磨耗層性能研究

3.1 抗滑性能

混合料的構造深度和換算成20 ℃的擺值見圖4.鋼渣瀝青混合料的構造深度均高于玄武巖瀝青混合料.其中，內蒙鋼渣的構造深度最大，其次是廣西鋼渣和湖北鋼渣組.四種瀝青混合料的構造深度均滿足規范中不小于0.55 mm的要求.內蒙鋼渣瀝青混合料的擺值最大，達到81，遠高于玄武巖瀝青混合料69的擺值.廣西鋼渣和湖北鋼渣的擺值均達到76和71，遠超過規范中擺值大于45的要求.高的構造深度和擺值說明鋼渣瀝青混合料的抗滑性能普遍由于傳統的玄武巖瀝青混合物，這源于鋼渣集料高的磨光值和豐富的表面紋理.

圖4 混合料的抗滑性能測試結果

3.2 高溫穩定性能

四種瀝青混合料的車轍深度和動穩定度見表5.由表5可知，鋼渣瀝青混合料的后15 min的車轍深度低于玄武巖瀝青混合料.內蒙鋼渣、廣西鋼渣和湖北鋼渣瀝青混合料的動穩定度分別為玄武巖瀝青混合料的1.21倍、1.12倍和1,08倍.這表明，鋼渣作為瀝青超薄磨耗層用集料能明顯提升其抗車轍性能.這是因為存在鋼渣中的微小孔隙能吸收一定量的自由瀝青，提升結構瀝青與自由瀝青的比例，從而提升混合料的高溫穩定性能.同時，鋼渣棱角豐富和表面粗糙等特點也能大幅提升其與瀝青的粘結面積，增大混合料的整體力學強度[12].

表5 瀝青混合料的車轍試驗結果

3.3 水穩定性能

四種瀝青混合料的穩定度測試結果見圖5.由圖5可知，內蒙鋼渣和湖北鋼渣的穩定度和殘留穩定度(RMS)均高于玄武巖瀝青混合料，這表明采用這兩種鋼渣作為粗集料后，SMA-5瀝青混合料的抗水損害性能提到有效提升.湖北鋼渣瀝青混合料的RMS值略低于玄武巖瀝青混合料，但仍滿足規范要求.這是因為湖北鋼渣的孔隙較多，其吸水率高，致使其制備的瀝青混合料由于空隙多的特點而吸收大量的水分，降低其浸水后的殘留穩定度，這與前文湖北鋼渣SEM圖像孔隙多的結論一致.內蒙鋼渣對SMA-5瀝青超薄磨耗層的水穩定性的改善效果在于其高堿度的特征使得其瀝青的粘結性能得到大幅度的提升，從而防止混合料在浸水狀態下集料表面發生脫落.

圖5 四種混合料馬歇爾穩定度測試結果

圖6為混合料的劈裂抗拉強度測試結果.由圖6可知，內蒙鋼渣瀝青混合料的劈裂抗拉強度比(TSR)值最大，達到92.4%，其次是玄武巖組和廣西鋼渣組，湖北鋼渣組最低.存在于鋼渣中的金屬陽離子，如Ca2+、Fe3+、Mg2+和Al3+等能與瀝青中的酸性成分通過化學反應生成強粘結力的瀝青酸鹽，顯著提升鋼渣集料表面對瀝青的粘附性.較玄武巖瀝青混合料，廣西鋼渣組和湖北鋼渣組其TSR值降低幅度不大，這是因為這兩種鋼渣的吸水率較內蒙鋼渣高，在高低溫凍融循環下孔隙中的水分在混合料內部沉積.但是，整體看來，鋼渣集料作為瀝青磨耗層的粗集料不會對瀝青混合料的抗水損害性能造成較大影響，其混合料的RMS和TSR指標仍遠高于規范要求.

圖6 四種混合料劈裂抗拉強度測試結果

3.4 低溫抗裂性能

瀝青混合料在低溫下應變大、勁度模量小，代表其在低溫下對應力的抵抗更強，出現脆性斷裂的可能性更小[13].四種瀝青混合料的三點彎曲試驗見表6.由表6可知，內蒙鋼渣瀝青混合料的抗彎拉強度和彎拉應變均高于玄武巖瀝青混合料，表明其在低溫下對應力的響應速度更快，其低溫抗裂性能更好.這是因為內蒙鋼渣的棱角更為豐富，能大幅提升瀝青在集料間隙的嵌擠效果，有效防止瀝青-集料界面在低溫荷載下的脆性斷裂現象.相較于玄武巖組，廣西鋼渣組和湖北鋼渣組的彎拉應變指標出現了一定程度的降低.這源于兩種鋼渣較高的吸水率，使得鋼渣表面存留的水分降低其與瀝青的有效粘結作用，同時存在于鋼渣孔隙中水分也加強了混合料低溫下的脆性斷裂.但兩種瀝青混合料的低溫彎拉應變仍滿足規范要求，這表明，鋼渣作為粗集料在瀝青超薄磨耗層中的應用不會對其低溫性能產生實質性不利影響，不影響其在磨耗層中的正常使用.

表6 瀝青混合料的三點彎曲試驗結果

4 結 論

1) 鋼渣具備的堿性氧化物含量高和表面粗糙的特征能有效提升其與瀝青的粘結性能.

2) 三種轉爐鋼渣的f-CaO含量均不超過2%，將鋼渣應用瀝青磨耗層中不會出現明顯的體積穩定性不良等問題.

3) 三種鋼渣瀝青混合料的構造深度、擺值和動穩定度均高于對應的玄武巖組，鋼渣在SMA-5瀝青混合料的應用能顯著提升混合料的抗滑性能和高溫穩定性能.

4) 廣西鋼渣和湖北鋼渣會適當降低混合料的TSR值和彎拉應變，但其性能指標仍滿足規范要求.鋼渣在瀝青磨耗層中的應用不會對混合料的路用性能產生實質性不利影響.