摻鋼渣再生瀝青混凝土路用性能及力學性能研究

沈 凡,龐若楠,李 潛,韋國蘇

(1.武漢工程大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430205；2.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430056)

我國瀝青混凝土的路面設計壽命一般是10～15 a，過去20 a內我國公路建設量大幅增加，在現階段與未來會產生大量的路面回收瀝青混合料[1]。針對以上問題研究人員開發出再生瀝青混凝土技術，瀝青再生技術是將回收瀝青混凝土與新集料、新瀝青通過組成優化設計。廢棄瀝青混凝土摻量高于30%時，可加入一定量的再生劑改善混合料性能，制備出滿足使用要求的再生瀝青混凝土材料[2-3]。再生瀝青混凝土中的新集料通常采用天然集料，天然集料通常采用開山采石的方式獲取。開山采石會對環境產生破壞。鋼渣作為一種產量較高的固體廢棄物，其再利用問題亟待解決。在歐洲60%以上的鋼渣用于道路建設中[4]。本文將采用鋼渣作為新集料摻加到再生瀝青混凝土制備摻鋼渣再生瀝青混凝土，進行摻鋼渣再生瀝青混凝土路用性能及力學性能相關研究。

再生瀝青混凝土中由于RAP表面老化瀝青以及內部受損傷石料的影響，其路用性能及力學性能與普通瀝青混凝土存在一定差異[5]。在再生瀝青混合料的高溫穩定性方面，舊料有助于提高整體的瀝青混合料的高溫穩定性，且隨著舊料的增加高溫穩定性有增長的趨勢。這是因為舊料的瀝青老化后，輕質組分減少，瀝青質增多，瀝青剪切模量提高從而動穩定度會有所提升。此外再生瀝青混凝土的舊料類型、舊料來源、外摻劑摻量同樣會對動穩定度產生影響，回收舊料性能也是影響再生瀝青混合料路用性能的一大重要因素[6]。再生瀝青混合料的低溫抗裂性主要與RAP摻量有關，隨著RAP摻量的增加而減少，瀝青勁度模量是影響混合料的低溫勁度主要因素。老化瀝青的勁度模量較低，RAP摻量越高，混合料中新舊瀝青中老化瀝青的比例就越高，再生瀝青混合料的勁度模量則降低[7-8]。在摻量較少的情況下，增強集料與老化瀝青之間的吸附作用，混合料的水穩定性增加；但摻量繼續增加時，芳香族和飽和分的比例愈來愈低，此類分子量較小的物質具有一定的流動性，可潤濕集料表面，增加集料與瀝青接觸面積，產生嵌鎖咬合作用產生粘附力[9-10]。摻量繼續增高，這兩種成分比例較低時，再生瀝青與集料之間不能產生有效接觸從而粘附力大大減小，水穩定性下降[11-12]。

武漢理工大學的丁慶軍在鋼渣作瀝青混凝土集料的研究中發現鋼渣內部的f-CaO及f-MgO的消解產物是氫氧化鈣與氫氧化鎂，這些會導致鋼渣體積的膨脹，但鋼渣在使用前一般會進行陳化處理，陳化6個月以后的活性成分可以減少到一定程度可用于瀝青混合料當中[13]。鋼渣質地較硬，密度一般為天然石料(如玄武巖，石灰巖)的1.1～1.3倍，通常在3.2～3.7 g/cm3，其普遍抗壓強度為168～307 MPa，沖擊強度為15次，較難破碎[14]。鋼渣為多孔材料，內部孔隙較為致密[15]。鋼渣獨特的物理特性，使其在作為集料進行再生瀝青混凝土的制備摻鋼渣再生瀝青混凝土時，所呈現的路用性能及力學性能與普通瀝青混凝土、鋼渣瀝青混凝土再生瀝青混凝土有較大差異[16-17]。因此本文基于材料組成的變化對摻鋼渣再生瀝青混凝土的路用性能、力學性能展開研究。

1 實驗原材料及實驗方案

1.1 實驗原材料

路面回收瀝青混合料(RAP)是湖北武漢江夏區某路段的銑刨料，參照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的瀝青含量測試方法，得到RAP的油石比為4.9%，RAP的相關性能指標：軟化點為76 ℃，針入度為31(0.1 mm)，15 ℃延度為38 cm，135 ℃粘度為1 350Pa·s。新集料采用的是鋼渣，為存放1 a的熱悶渣，產地為江西新余，對其吸水率、密度以及力學性能進行測試，結果如表1所示，各項性能指標滿足《瀝青混合料用鋼渣》(JT/T1086-2016)的規定。實驗所用瀝青為I-D改性瀝青，軟化點為80.5 ℃，0.1 mm針入度(25 ℃)為53。纖維為聚酯纖維，斷裂伸長率為18.4%，摻量是瀝青混合料質量的0.3%。礦粉為石灰石礦粉，0.075通過率為99.3%。

表1 鋼渣性能Table1 Performanceofsteelslag針片狀顆粒含量/%粘附性浸水膨脹率/%磨耗值/%壓碎值/%吸水率/%表觀相對密度/(g·cm-3)規范要求≤12+≥5≤1.8≤33≤22≤3-實驗結果8.351.521.515.41.53.189注:+粒徑≥9.5mm。

1.2 實驗方案

本文采用鋼渣代替天然集料與RAP一起作為全部集料制備RAP摻量不同的摻鋼渣再生瀝青混凝土，并圍繞路用性能及力學性能展開研究，具體實驗方案如下：

RAP摻量分別為10%，20%，30%，40%(其中RAP的規格分為5～10 mm并記作RAP-2，0～5 mm并記作RAP-1，其中RAP-2的摻量固定為7%)，補充鋼渣，與新瀝青和礦粉，纖維制備SMA-10型摻鋼渣再生瀝青混凝土，油石比為5.9%。其中新加瀝青的算法參考東南大學鮑世輝[18]提出的再生瀝青混合料油石比算法進行，即將各檔RAP的瀝青含量計入油石比中，新瀝青的用量等于混合料瀝青含量減去老化瀝青含量。在級配設計中并參考東南大學牛哲[14]對于鋼渣在級配設計中的處理方法，將質量百分通過率曲線替換為體積通過百分率曲線進行級配設計，進行最佳級配實驗，得到各組的最佳級配。會合成級配見表2。

路用性能實驗研究中采用4種RAP摻量的SMA-10型摻鋼渣瀝青混凝土分別進行瀝青混合料車轍實驗(實驗環境溫度為-10 ℃)，低溫彎曲實驗(實驗環境溫度為-10 ℃)，浸水馬歇爾實驗均按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規程》進行，路用性能實驗中同時制備了AC-10型摻鋼渣再生瀝青混凝土，集料種類與用量與SMA-10型摻鋼渣再生瀝青混凝土相同，油石比為4.7%，合成級配見表3。路用性能研究中的對比組分別為RAP摻量為30%的SMA-10型和AC-10型再生瀝青混凝土對比組級配設計見表4。

表2 SMA-10型混合料合成級配Table2 SMA-10mixturesynthesisgradationRAP摻量/%通過下列篩孔(mm)的體積百分率/%13.29.54.752.361.180.60.30.150.07510100.099.544.425.921.416.613.712.110.520100.099.644.526.222.017.314.312.611.030100.099.744.726.221.917.114.012.110.440100.099.944.926.022.017.514.412.410.7

表3 AC-10型混合料合成級配Table3 AC-10mixturesynthesisgradationRAP摻量/%通過下列篩孔(mm)的體積百分率/%13.29.54.752.361.180.60.30.150.07510100.096.466.640.832.222.716.811.56.420100.096.566.541.833.322.816.311.26.230100.095.765.440.633.423.217.111.86.640100.095.965.740.833.623.517.211.96.7

表4 SMA-10型及AC-10型對比組合成級配Table4 ComparisongroupSMA-10typeandAC-10typesyntheticgradation級配類型通過下列篩孔(mm)的體積百分率/%13.29.54.752.361.180.60.30.150.075SMA-10100.099.744.325.822.416.914.711.110.8AC-10100.096.766.441.633.824.216.111.56.3

力學性能實驗研究中采用路用性能實驗研究中制備的SMA-10型摻鋼渣瀝青混凝土分別進行劈裂實驗(實驗環境溫度為25 ℃)和抗壓應力-應變實驗，對比組新增兩組，鋼渣瀝青混凝土(集料全部采用鋼渣)，普通瀝青混凝土(集料全部采用石灰石)。劈裂實驗按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規程》進行，抗壓應力應變實驗方法如下：

使用SHT4105微機控制電液伺服萬能實驗機對材料測試摻鋼渣再生瀝青混凝土的抗壓應力-應變曲線，試件尺寸為θ101.6×63.5 mm的圓柱體，實驗溫度為15 ℃，加載速率為2 mm/min。

新增對比組級配設計如表5所示。

表5 對比組合成級配Table5 Syntheticgradationofcomparisongroup混凝土類型通過以下篩孔(mm)體積百分率/%13.29.54.752.361.180.60.30.150.075鋼渣瀝青混凝土100.0100.044.426.321.616.713.812.210.4普通瀝青混凝土100.099.745.425.618.711.812.612.111.0

2 路用性能研究

2.1 高溫性能

對比組的SMA-10再生瀝青混凝土的動穩定度為5 347次/mm，AC-10型再生瀝青混凝土的動穩定度為2 731次/mm。摻鋼渣再生瀝青混凝土的車轍實驗結果如圖1所示。

圖1 車轍實驗結果

由圖1可知，SMA-10型摻鋼渣再生瀝青混凝土和AC-10型摻鋼渣再生瀝青混凝土的動穩定度在RAP摻量為10%到40%的范圍內隨著RAP的增加呈現持續降低又小幅增加趨勢。RAP摻量由10%增加至30%時，SMA-10型摻鋼渣再生瀝青混凝土的動穩定度由6 750次/mm降低至5 650次/mm，而AC型摻鋼渣再生瀝青混凝土的動穩定度由3 533次/mm降低至2 877次/mm；RAP摻量高于30%時，SMA和AC型摻鋼渣再生瀝青混凝土的動穩定度分別從5 650次/mm增加至5 857次/mm，2 877次/mm增加至3 017次/mm。與對比組相同RAP摻量下的再生瀝青混凝土相比而言，摻鋼渣再生瀝青混凝土的動穩定度較高，說明鋼渣可改善再生瀝青混凝土的高溫性能。

2.2 低溫性能

對比組的SMA-10再生瀝青混凝土的最大彎拉應變為2 877.7 με，AC-10型瀝青混凝土的最大彎拉應變為2 478.7 με。摻鋼渣再生瀝青混凝土的低溫彎曲實驗結果如圖2所示。

圖2 彎曲蠕變實驗結果

由圖2可知，隨著RAP摻量的增加，兩種類型的摻鋼渣再生瀝青混凝土的最大彎拉應變都呈下降趨勢。SMA-10混凝土的最大彎拉應變由RAP摻量為10%的3 254.1 με降至摻量為40%的2 434.3 με。AC-10混凝土的最大彎拉應變由RAP摻量為10% 的2 754.5 με降至摻量為40%的2 653.3 με。SMA-10型混凝土的下降較為明顯。RAP由于表面老化瀝青的勁度模量較低，低溫抗裂性能較差，加之RAP內部的集料有一定損傷會加快裂紋的擴展，所以RAP對材料的低溫性能影響較大。鋼渣與瀝青的粘附作用較強，且勁度較大，對于混凝土低溫性能有一定的提升作用，但根據對比組再生瀝青混凝土的最大彎拉應變結果(SMA-10為2 877.7 με，AC-10為2 478.8 με)，同RAP摻量下的摻鋼渣再生瀝青混凝土的最大彎拉應變分別為2 911.8 με，2 554.4 με，鋼渣在再生瀝青混凝土的有一定的提升作用，但并不明顯。對于AC-10型再生瀝青混凝土低溫性能的改善作用較高于SMA。

2.3 水穩定性

對比組的SMA-10再生瀝青混凝土的浸水殘留穩定度為82.3%，AC-10型瀝青混凝土的浸水殘留穩定度為82.9%。

圖3為摻鋼渣再生瀝青混凝土浸水馬歇爾實驗結果。由圖3可得，SMA-10型摻鋼渣再生瀝青混凝土的浸水殘留穩定度隨著RAP摻量的增加由85.7%下降至79.1%，而AC-10型摻鋼渣再生瀝青混凝土的浸水殘留穩定度隨著RAP摻量的增加由87.8%下降至80.1%，混凝土的浸水殘留穩定度均存在小幅度的下降，RAP摻量較少時老化瀝青的膠質與瀝青質的比例增加，這兩種物質都是極性大分子物質，可產生靜電吸引作用，增強集料與老化瀝青之間的吸附作用，摻量較大時，老化瀝青與集料之間粘附力下降，混凝土的水穩定性下降。根據對比組實驗結果可得，鋼渣可提高再生瀝青混凝土的水穩定性，這是因為鋼渣表面多孔，與瀝青的吸附作用較強，可減少水進入對破壞集料與瀝青的界面。由圖可得RAP較高時，摻量為40%時，SMA-10型和AC-10型摻鋼渣再生混凝土的浸水殘留穩定度分別為79.1%和80.1%，已經幾乎不滿足規范要求。

圖3 浸水殘留穩定度實驗結果

3 力學性能研究

3.1 劈裂實驗

劈裂抗拉性能用來評價在劈裂破壞時的力學性能，本文采用劈裂實驗混合料的劈裂抗拉性能進行評價。

對比組的再生瀝青混凝土的劈裂抗拉強度為1.54 MPa，鋼渣瀝青混凝土的劈裂抗拉強度為1.96 MPa。摻鋼渣再生瀝青混凝土的劈裂實驗的結果如圖4所示。

圖4 劈裂抗拉實驗結果

由圖4可得，在RAP摻量在10%到30%的范圍內，SMA-10型摻鋼渣再生瀝青混凝土的劈裂抗拉強度隨著RAP摻量的增加降低較為明顯，由2.83 MPa降低至2.34 MPa。摻鋼渣再生瀝青混凝土的劈裂抗拉強度小幅度升高，RAP摻量為40%時，SMA摻鋼渣再生瀝青混凝土的劈裂抗拉強度為2.61 MPa。比較對比組的再生瀝青混凝土的劈裂抗拉強度，同摻量下SMA-10型摻鋼渣再生瀝青混凝土的劈裂抗拉強度比對比組高0.80 MPa，鋼渣再生瀝青混凝土的劈裂抗拉強度較高，鋼渣對SMA型級配混凝土的劈裂抗拉強度有一定提升作用。

3.2 抗壓應力-應變實驗

材料在受到應力作用時產生應變，應力-應變關系可直觀反應材料的主要力學特性，靜態蠕變實驗的前提是得到路面的最大應力。路面材料主要受力為壓力，所以本節先進行抗壓應力-應變的實驗研究，測試摻鋼渣再生瀝青混凝土的抗壓應力-應變曲線，研究在荷載作用下材料的受力特性。不同RAP摻量的摻鋼渣再生瀝青混凝土的應力-應變曲線如圖5所示。

由圖5可知，RAP摻量范圍為10%～40%時，隨著RAP摻量的增加，混凝土的極限強度呈現先降低再升高的變化規律，RAP摻量為30%時，摻鋼渣再生瀝青混凝土的極限強度最低為4.52 MPa，RAP摻量由30%增至40%時，混凝土的極限強度小幅增加了1.98 MPa。不同摻量下的摻鋼渣再生瀝青混凝土到達極限強度的應變大小相近，RAP摻量為30%時，應變略低為0.017%。RAP摻量較低時，其表面裹附的老化瀝青在混合料占比較低，發揮作用較不明顯，由“黑石理論”[19]可得，此時RAP是一種內部有損傷的“石料”，在RAP摻量小于30%時，隨著RAP摻量的增加，混合料的極限強度下降，同時鋼渣摻量的降低，也造成混合料的強度降低。當RAP摻量較高時，老化瀝青占比增高其作用效果不可忽略，此時老化瀝青在新瀝青的調和下恢復部分瀝青的性能，RAP此時是有一定瀝青膜厚的集料，在瀝青與集料的粘附作用下，混凝土的抗壓強度略微增加，但由于老化瀝青的勁度較大，此時混凝土的應變較小，柔性較差。

(a)RAP摻量10%

對比組應力-應變曲線如圖6所示。

(a)再生瀝青混凝土與摻鋼渣再生瀝青混凝土對比結果

由圖6(a)可得，RAP摻量均為30%時，再生瀝青混凝土的的極限強度為3.91 MPa，小于摻鋼渣再生瀝青混凝土，說明鋼渣相比于天然集料可對再生混凝土的極限強度有所改善。圖6(b)可知再生瀝青混凝土的極限強度略高于普通瀝青混凝土，但達到極限強度時的應變小于普通瀝青混凝土，RAP的勁度模量較大，使得再生瀝青混凝土柔性相較于普通瀝青混凝土較差。由圖6(c)可知，鋼渣瀝青混凝土的極限強度為10.48 MPa，高于RAP摻量在10%～40%之間的摻鋼渣再生瀝青混凝土，且達到極限強度的應變也略高0.023%。這是由于鋼渣本身強度較高，且表面多孔與瀝青的粘附作用較強，可使混凝土的強度和柔性均有所提升。

4 結論

a.SMA和AC型摻鋼渣再生瀝青混凝土的動穩定度隨著RAP摻量的增加均呈現先降低再增加的變化規律，RAP摻量由10%增加至30%時，SMA和AC摻鋼渣再生瀝青混凝土的動穩定度分別由6 750次/mm下降至5 650次/mm，3 533次/mm下降至2 877次/mm。RAP摻量大于30%時，動穩定度又呈增加趨勢，RAP摻量為40%時，動穩定度分別為5 857次/mm，3 017次/mm。

b.摻鋼渣再生瀝青混凝土的低溫性能隨著RAP摻量的增高呈下降趨勢，SMA-10混凝土的最大彎拉應變由RAP粗集摻量為10%的3 254.1 με降至摻量為40%的2 434.3 με。AC-10混凝土的最大彎拉應變由RAP摻量為10%的2 754.5 με降至摻量為40%的2 653.3 με。鋼渣可以改善RAP摻量增加對于混凝土低溫性能的影響，但并不會改變RAP摻量增加混凝土低溫性能下降的趨勢。摻鋼渣再生瀝青混凝土的水穩定性隨著RAP摻量的增加也呈下降趨勢，RAP摻量小于30%時，下降較為緩慢。RAP摻量為40%時，SMA和AC摻鋼渣再生瀝青混凝土的浸水殘留穩定度分別為79.1%和80.1%。

c.摻鋼渣再生瀝青混凝土的劈裂抗拉強度隨著RAP摻量的增加呈先下降再增高的規律，SMA和AC型摻鋼渣再生瀝青混凝土的劈裂抗拉強度在RAP摻量為30%時達到最低，分別為2.34 MPa，2.64 MPa。同RAP摻量下，摻鋼渣再生瀝青混凝土的劈裂抗拉強度低于摻鋼渣再生瀝青混凝土。鋼渣瀝青混凝土的劈裂抗拉強度高于摻鋼渣再生瀝青混凝土，鋼渣對于再生瀝青混凝土劈裂抗拉性能有一定的改善作用。

d.摻鋼渣再生瀝青混凝土的極限抗壓強度隨著RAP摻量的增加呈現先降低再略微提高的變化規律，在RAP摻量為30%時極限強度最低為4.52 MPa，極限強度下的應變差距不大，都在0.020%左右，RAP摻量為30%時，應變最低為0.017%。分析可得RAP摻量較低時，RAP的存在狀態更接近“黑石”，因其石料內部存在損傷會導致極限強度降低，摻量較高時，老化瀝青開始發揮作用使得混凝土的力學性能有所提升。對比組結果表明鋼渣的摻入可改善再生瀝青混凝土的力學性能，極限強度可達10.48 MPa。