摻鋼渣膠粉改性瀝青混合料制備及性能研究

屈蓮花

（烏海市公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

1 引言

隨著鋼鐵需求的增加，鋼渣占用了大量的土地資源，同時(shí)長(zhǎng)期堆放還會(huì)增加重金屬離子析出的潛在危害性，而我國(guó)現(xiàn)階段鋼渣利用率為42%左右[1，2]。目前我國(guó)廢舊輪胎回收利用率也只有約60%[3]，鋼渣、廢舊輪胎給生態(tài)環(huán)境等帶來(lái)新的挑戰(zhàn)[4]。如何對(duì)鋼渣和廢舊輪胎進(jìn)行資源化再利用，成為業(yè)屆研究熱點(diǎn)。

目前，歐美、日本等國(guó)外國(guó)家將鋼渣作為道路建筑材料廣泛應(yīng)用于道路路基路面建設(shè)，據(jù)悉國(guó)外鋼渣利用率可以高達(dá)60%～80%，說明鋼渣是一種性能相對(duì)穩(wěn)定的鋼渣集料[5，6]。國(guó)內(nèi)針對(duì)鋼渣在道路工程中的應(yīng)用也開展了深入的研究，但是多數(shù)局限于室內(nèi)試驗(yàn)和試驗(yàn)路段的鋪筑，并沒有大規(guī)模的應(yīng)用。主要原因是鋼渣中存在大量的游離氧化鈣和游離氧化鎂，導(dǎo)致混凝土體積膨脹存在潛在的安全隱患；同時(shí)由于鋼渣中存在部分重金屬離子，在長(zhǎng)期服役過程中容易發(fā)生重金屬離子析出事故，限制了鋼渣的大面積推廣應(yīng)用[7]。

膠粉改性瀝青由于具有優(yōu)異路用性能、環(huán)保性能受到全世界道路基礎(chǔ)建設(shè)的青睞[8]。我國(guó)于1978 年前后開始針對(duì)膠粉改性瀝青及瀝青混合料進(jìn)行了大量的研究及應(yīng)用。有研究表明，膠粉的添加可以有效增加瀝青的粘聚力、進(jìn)而使得瀝青與集料的黏附性能增加[9]，同時(shí)膠粉的添加使得混合料比表面積增加，瀝青與膠粉顆粒裹敷于集料表面可提高混合料中瀝青膜的厚度，有效提高應(yīng)力分散和吸取能力、提高高、低溫性能和水穩(wěn)性能并降低瀝青路面的噪音[10]。

綜上，鋼渣、膠粉改性瀝青混凝土都有人研究，但是對(duì)于摻鋼渣膠粉改性瀝青混凝土的研究比較少。基于此，本文利用膠粉改性瀝青可以有效增加瀝青混合料瀝青膜厚度的原理[11]，設(shè)計(jì)制備摻鋼渣膠粉改性瀝青混合料并進(jìn)行路用性能驗(yàn)證，以期解決鋼渣因體積膨脹限制替代天然粗集料應(yīng)用到瀝青路面的問題，為鋼渣和廢舊輪胎協(xié)同循環(huán)利用提供有效途徑。

2 材料與方法

2.1 瀝青

本課題采用的膠粉改性瀝青由20%（外摻）的40目橡膠粉加入到180℃的90 號(hào)基質(zhì)瀝青攪拌30min，然后利用高速剪切儀以5000r/min 的轉(zhuǎn)速剪切攪拌30min后自制而成。制備的膠粉改性瀝青及成品SBS 改性技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

2.2 集料

由于鋼渣特殊的理化特性，多數(shù)鋼渣瀝青混合料的制備是將鋼渣用做大于4.75mm 的粗集料而非細(xì)集料[12]。所以本文采用的細(xì)集料及填料分別為0～3mm 機(jī)制砂、3mm～5mm石屑以及石灰?guī)r研磨的礦粉，且經(jīng)檢測(cè)其技術(shù)指標(biāo)均滿足公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范的要求。粗集料分別選用鋼渣、玄武巖和石灰?guī)r三種類型。其中鋼渣為包鋼生產(chǎn)并經(jīng)過陳化檢測(cè)合格的樣品，玄武巖及石灰?guī)r為常用粗集料，具體試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

由表2所知，鋼渣的主要理化指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。且鋼渣具有優(yōu)異的耐磨性能，同時(shí)針片狀含量遠(yuǎn)小于內(nèi)蒙古常用玄武巖針片狀含量，降低了在施工中的難度，是生態(tài)環(huán)境貧瘠優(yōu)質(zhì)集料匱乏地區(qū)粗集料的優(yōu)良替代品。

2.3 配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

本次摻鋼渣膠粉改性瀝青混合料路用性能研究，采用內(nèi)蒙古地區(qū)路面上面層常用AC-16型密集配。為方便對(duì)比分析，不同巖性的粗集料采用相近的合成級(jí)配，最終合成的礦料級(jí)配如圖1所示。試驗(yàn)采用馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)，利用體積參數(shù)進(jìn)行最佳油石比設(shè)計(jì)。不同巖性粗集料的最佳油石比及其體積參數(shù)見表3。

圖1 不同巖性粗集料AC-16型礦料合成級(jí)配曲線

表3 不同巖性粗集料最佳油石比及技術(shù)指標(biāo)

由表3所知，無(wú)論是鋼渣的添加還是膠粉的添加都會(huì)提高瀝青混合料的油石比，是由于膠粉本身顆粒細(xì)小，其比表面積增加進(jìn)而提高了瀝青的用量；同時(shí)已有研究成果顯示鋼渣具有多孔特性，在瀝青混合料的拌合過程中只有瀝青進(jìn)入鋼渣孔洞形成結(jié)構(gòu)瀝青，提高油石比的同時(shí)還增加了混合料的強(qiáng)度。

表4 不同巖性改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 高溫性能

利用60℃車轍試驗(yàn)驗(yàn)證兩種膠結(jié)料三種不同巖性粗集料的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，具體試驗(yàn)結(jié)果見表4。

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，各類型改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均滿足改性瀝青動(dòng)穩(wěn)定度大于3000次/mm的規(guī)定；膠粉改性瀝青混合料的高溫性能較SBS改性瀝青混合料好；不同巖性混合料高溫穩(wěn)定性排列順序?yàn)椋轰撛拘鋷r＞石灰?guī)r，主要是由于瀝青含量的影響，粗集料對(duì)瀝青的吸附導(dǎo)致結(jié)構(gòu)瀝青與自由瀝青比例重組，結(jié)構(gòu)瀝青增加則高溫穩(wěn)定性好。

3.2 低溫性能

本文采用小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)兩種膠結(jié)料三種不同巖性粗集料的瀝青混合料進(jìn)行低溫抗裂性能驗(yàn)證。具體試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同巖性改性瀝青混合料低溫性能

如表5 所示，按照現(xiàn)行規(guī)范依據(jù)，破壞應(yīng)變作為評(píng)定指標(biāo)，以上各類型低溫彎曲都符合低溫性能要求，同時(shí)各類型低溫抗裂性能的排列順序?yàn)殇撛?膠粉＞玄武巖+膠粉＞玄武巖+SBS＞石灰?guī)r+膠粉＞石灰?guī)r+SBS＞鋼渣+SBS。出現(xiàn)這種情況的原因是鋼渣的多孔特性增加了SBS改性瀝青的用量、使得SBS改性瀝青混合料瀝青膜降低了破壞應(yīng)變能，增加了強(qiáng)度（彎拉強(qiáng)度和彎曲勁度模量都比較大），鋼渣膠粉改性瀝青同樣增加了強(qiáng)度，但是由于膠粉顆粒增加了瀝青黏彈性，使得在發(fā)生彎曲破壞過程中抵消了部分彎曲破壞能，需要更多的破壞應(yīng)變能力、進(jìn)而提高了低溫抗裂性能。

3.3 水穩(wěn)性能

利用凍融劈裂和浸水馬歇爾試驗(yàn)驗(yàn)證兩種膠結(jié)料三種不同巖性粗集料的瀝青混合料水穩(wěn)性能，具體試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 不同巖性改性瀝青混合料水穩(wěn)性能

如表6所示，比較各類型瀝青混合料的水穩(wěn)定性技術(shù)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)：殘留穩(wěn)定度均大于80%，凍融劈裂強(qiáng)度比均大于75%，設(shè)計(jì)的瀝青混合料水穩(wěn)性能滿足規(guī)范要求。摻鋼渣類瀝青混合料水穩(wěn)性能稍弱于石灰?guī)r，但是較玄武巖類改性瀝青混合料有所提高。主要原因是，鋼渣與石灰?guī)r均屬于偏堿性材料，與瀝青膠結(jié)料有較好的粘附性能，而玄武巖屬于中性類；摻鋼渣膠粉改性瀝青混合料水穩(wěn)性能較強(qiáng)于SBS改性瀝青混合料的水穩(wěn)性能強(qiáng)，是因?yàn)殇撛亩嗫滋匦允沟没旌狭现凶杂蔀r青減少，而膠粉改性瀝青油石比的增加對(duì)此進(jìn)行了補(bǔ)充。而SBS缺少補(bǔ)充機(jī)制，導(dǎo)致在長(zhǎng)時(shí)間高溫浸泡和凍融循環(huán)下產(chǎn)生的微裂紋擴(kuò)散發(fā)生水毀侵蝕。同時(shí)膠粉改性瀝青由于膠粉顆粒的存在，使得微裂紋在擴(kuò)散過程中受到阻隔，有效抑制了裂紋貫穿，進(jìn)一步起到了防水和重金屬離子析出。由此表明鋼渣和膠粉改性瀝青配伍性能良好。

4 結(jié)語(yǔ)

①經(jīng)陳化檢測(cè)合格的鋼渣路用技術(shù)性能指標(biāo)與天然集料相當(dāng)甚至優(yōu)于天然集料，同時(shí)針片狀含量的降低減少了施工難度，是內(nèi)蒙古地區(qū)集料的優(yōu)良替代品；

②鋼渣的多孔特性和膠粉改性瀝青提高了瀝青和集料的黏附性能，在增加瀝青用量的同時(shí)還提高了瀝青混合料的強(qiáng)度，是摻鋼渣膠粉改性瀝青混合料路用性能優(yōu)良的先決條件。

③通過不同巖性和不同類型改性瀝青混合料路用性能對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)摻鋼渣膠粉改性瀝青瀝青混合料高低溫和水穩(wěn)性能優(yōu)良，鋼渣膠粉配伍，是合適的多元固廢道路建筑材料，適合推廣應(yīng)用。