鋼渣瀝青混合料的路用性能研究

李瑞嬌，農紀源，譚 毅，李益小

(1.廣西北部灣投資集團有限公司欽北高速公路改擴建工程建設指揮部，廣西 北海 536000；2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

近年來，隨著人們環保意識的增強，廢料的處理逐步進入人們視野。目前廢料大致可分為以下幾類：(1)工業廢料，如纖維素廢料、木質素、爐渣、粉煤灰等；(2)城市/生活垃圾，如焚燒爐殘渣、廢橡膠、廢玻璃和屋頂瓦等；(3)采礦廢料，如煤礦垃圾。傳統掩埋方式，對環境影響較大，同時現有很多新型處理方式處理量較小，因此需要尋找一種可以大量利用廢料的處理方法。目前土木工程師正探索可在土木與公路工程領域應用的一種技術合理、成本效益好及環保的利用方式。

鋼渣是煉鋼過程的副產物，其產量約為粗鋼產量的8%～15%[1]。通過一定的工藝，可使鋼渣的外觀幾何形狀與力學性能達到所需要求，并使其具有表面粗糙和耐磨的特點，有望成為瀝青混合料中天然石料的替代品。而我國道路工程領域的鋼渣利用率不足2%[2]。因此，將鋼渣用到瀝青混合料中，有望提高瀝青路面使用質量，并且也可能達到較好的社會、經濟和環境等效益。

目前大量道路工作中已對鋼渣在瀝青混合料中的應用進行了深入研究。如薛永杰[3]研究了鋼渣在瀝青路面面層中的適用性。周啟偉[4]研究了三種鋼渣瀝青混合料，得到鋼渣瀝青混合料的體積膨脹率和水穩定性較好，均滿足規范要求，且高溫穩定性也較好。庹峻瑋[5]研究了AC-13與ATB-25瀝青混合料的高溫、低溫、水穩定性、抗滑性能和體積安定性。謝勇等[6]測試了三種鋼渣瀝青混合料(SMA-10、AC-20、ATB-25)的低溫抗裂性、高溫穩定性、水穩定性以及體積膨脹性能，均符合工程要求。Asi I M[7]研究了Superpave鋼渣瀝青混合料的抗滑性能，并得到30%的摻加量可提高其抗滑性能。Kavussi等[8]研究了鋼渣瀝青混合料的疲勞性能，結果表明鋼渣可提升瀝青混合料的疲勞性能。可見，鋼渣對瀝青混合料的各項路用性能具有一定影響，且這些影響與多種因素有關，如鋼渣摻入方式、級配類型、瀝青類型、鋼渣的性質等，而目前缺乏對鋼渣瀝青混合料的系統研究。因此，本文選取兩種不同骨架結構的瀝青混合料(AC-13和SMA-13)來進行鋼渣瀝青混合料配合比設計及路用性能分析。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗采用的母體瀝青為SBS改性瀝青。根據JTE E20-2011[9]，測定的SBS改性瀝青技術指標如表1所示。

表1 瀝青技術指標表

集料選用玄武巖，礦粉選用石灰巖，相關技術指標滿足《公路瀝青路面施工技術規范》的要求[10]。根據《公路工程集料試驗規程》[11]，測定了鋼渣的相關性質。本文所用鋼渣的級配如表2所示，可見粒徑主要分布在2.36～13.2 mm之間。采用網籃法測得的各檔料的密度和吸水率如表3所示。表3表明鋼渣的相對密度及吸水率均滿足《道路用鋼渣》規范的要求[12]。鋼渣的壓碎值及洛杉磯磨耗值分別為15.50%和14.34%，均滿足規范要求。其他相關技術指標也滿足規范要求。

表2 鋼渣的級配表

表3 鋼渣的密度及吸水率表

鋼渣的組成成分會受到煉鋼原材料及工藝影響，因此不同來源的鋼渣可能化學成分變化較大，但經過對已有鋼渣的統計及測試表明，其主要化學成分基本相同。采用X射線熒光光譜儀測定了其化學成分，如表4所示。鋼渣的堿度值M可通過化學組分來計算，MasonB提出了堿度值計算公式，即

表4 鋼渣的化學成分表

(1)

式中，w(CaO)、w(SiO 2)、w(P2O 5)分別為CaO、SiO2及P2O5的含量。根據堿度值，鋼渣可分為低堿度渣(M<1.8)、中堿度渣(1.82.5)。因此，本研究所用鋼渣為高堿度渣，活性很好。另外，礦物材料也可根據SiO2的含量來劃分：酸性(w(SiO 2)>65%)、中性(52%

1.2 混合料制備

本文制備AC-13和SMA-13兩種混合料，其礦料組合方式分兩種：(1)玄武巖(粒徑>13.2 mm的粗集料)+鋼渣(粒徑處于2.36～13.2 mm之間的粗集料)+石灰巖(2.36 mm以下的細集料+礦粉)；(2)玄武巖(粒徑處于2.36～13.2 mm的粗集料)+石灰巖(2.36 mm以下的細集料+礦粉)。

兩種混合料的設計級配取級配范圍中值，如圖1和圖2所示。通常集料所采用的級配理論是體積設計理論。實際工程中，通常采用的是質量法來制備瀝青混合料，《公路瀝青路面施工技術規范》中，將通過率看作質量百分率。這對于密度一致或相差不大的集料是可行的，所產生的誤差忽略不計，但當所用集料的密度相差較大時，就應該進行相應的體積-質量換算得到不同集料的實際摻入質量的配合比。考慮到鋼渣的密度比玄武巖大很多，因此本文所用鋼渣是基于體積法對玄武巖的替代。圖1和圖2中的累計通過率為體積通過率。

圖2 SMA-13瀝青混合料的設計級配圖

由于鋼渣為多孔材料，其吸水率較高。可能導致表面吸收的瀝青較多，從而影響瀝青吸收系數的計算。國內規范《公路工程瀝青路面施工技術規范》中瀝青吸收系數C與吸水率的關系，僅適用于吸水率在0.5%～1.7%范圍內的集料。因此，鋼渣的瀝青吸收系數不能采用規范中的瀝青吸收系數公式。同時考慮到本文所用瀝青為SBS改性瀝青，最大理論密度的計算必須采用計算法求取，因此，為回避瀝青吸收系數所帶來的問題，本文利用廖玉春改進的瀝青浸漬法[13]來實測鋼渣的有效相對密度。獲得有效相對密度后，可根據下式計算最大理論相對密度：

(2)

式中，γ1、γ2…、γn——各檔料的有效相對密度(無量綱)；

P1、P2…、Pn——各檔料占礦料總質量的百分比(%)；

Pa——瀝青混合料的油石比(%)；

γa——瀝青的25 ℃相對密度(無量綱)。

根據馬歇爾試驗及計算的體積參數，得到瀝青混合料的油石比如表5所示。

表5 不同瀝青混合料的油石比表(%)

2 鋼渣瀝青混合料的路用性能研究

2.1 高溫穩定性分析

本文以車轍試驗評價鋼渣瀝青混合料的高溫穩定性。根據確定的配合比，制備300 mm×300 mm×50 mm的車轍試件，在60 ℃和0.7 MPa的條件下，以42次/min的碾壓速度下，對試件進行車轍碾壓。車轍試驗結果如圖3所示。

圖3 不同瀝青混合料的動穩定度柱狀圖

由圖3可知，AC-13鋼渣瀝青混合料的動穩定度較低，SMA-13鋼渣瀝青混合料的動穩定度則較高。這表明不同級配的混合料，鋼渣在其中發揮不同的作用，導致高溫穩定性的變化效果具有很大差異。AC-13作為一種懸浮型結構，此時瀝青用量可能發揮較大作用，骨料嵌擠作用次之，而鋼渣瀝青混合料的瀝青用量稍大，導致鋼渣瀝青混合料更易發生變形；而SMA-13為骨架結構，其抗變形能力更取決于集料間的嵌擠，而鋼渣多孔、內摩阻力更大，導致鋼渣瀝青混合料的動穩定度更大。

2.2 低溫抗裂性能分析

本文以低溫彎曲試驗評價鋼渣瀝青混合料的高溫穩定性。根據確定的配合比，制備300 mm×300 mm×50 mm的車轍試件，并切割成250 mm×30 mm×35 mmde小梁試件，每種混合料均設置4個平行試件，然后在-10 ℃的環境箱中保溫5 h以上，采用UTM-15系統以50 mm/min的加載速率進行彎曲試驗。圖4給出了不同瀝青混合料的低溫彎曲試驗結果。

由圖4可知，AC-13鋼渣瀝青混合料與AC-13玄武巖混合料的彎拉強度、最大彎拉應變及蠕變勁度模量接近，而對于SMA-13混合料，鋼渣的加入增強了混合料的彎拉強度和最大彎拉應變，卻降低了混合料的蠕變勁度模量，且鋼渣瀝青混合料的斷裂能較大。因此，經綜合考慮，鋼渣對玄武巖的體積替代改善了瀝青混合料的低溫抗裂性能。這可能是由于鋼渣具有更多表面孔隙，可吸附更多瀝青，瀝青膜更厚，鋼渣與瀝青的粘附性更好。同時，鋼渣對SMA混合料的低溫性能改善更加明顯。

(a)彎拉強度

2.3 水穩定性分析

本文采用凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗來評價水穩定性。凍融劈裂試驗主要采用劈裂抗拉強度比評價混合料的水穩定性。本文首先成型馬歇爾試件，擊實次數為50次。每種混合料8個試件，其中4個為非凍融狀態，在室溫保存；其他4個進行凍融處理，先真空保存，再在-18 ℃的冰箱中冷凍16 h，然后在60 ℃恒溫水浴箱中保溫24 h，最終，將8個試件在25 ℃的恒溫水浴箱中保溫2 h。根據規范進行劈裂試驗，并計算劈裂抗拉強度比(TSR)，結果如表6所示。

表6 不同瀝青混合料的劈裂強度比表(TSR)

表6表明，在這兩種級配中，鋼渣對玄武巖的體積替代，對劈裂強度比影響極小，替代前后劈裂強度比非常接近，這說明鋼渣與瀝青具有較好的粘附性，凍融處理對粘結狀態的影響較小，水分難以進入集料內部。另外，SMA級配混合料的劈裂強度比小于AC-13，這說明與懸浮型瀝青混合料相比，水分更易侵入骨架型瀝青混合料。鋼渣瀝青混合料的凍融劈裂強度比TSR滿足規范要求。

浸水馬歇爾試驗根據JTG E20-2011中的試驗方法進行。平行試件個數為3個。表7給出了不同瀝青混合料的殘留馬歇爾穩定度。兩種鋼渣瀝青混合料的殘留馬歇爾穩定度有所增加，且滿足規范要求。

表7 不同瀝青混合料的殘留馬歇爾穩定度表(%)

由于鋼渣中存在CaO，鋼渣瀝青混合料易產生膨脹破壞，因此，有必要對其膨脹率進行檢驗。同樣成型馬歇爾試件，總共8個，每組4個平行試件，在60 ℃恒溫水浴中保溫72 h，測定試件的體積膨脹率。試驗結果表明：兩種鋼渣瀝青混合料的體積膨脹率均<1.5%，且無明顯鼓包現象。

2.4 抗滑性能分析

足夠的瀝青路面抗滑性能對瀝青路面行車安全至關重要。通常，抗滑性能與集料的外觀形貌、尺寸、表面構造深度等有關。本文采用JTG E60-2008中的擺式摩擦儀法和手工鋪沙法，來測定瀝青混合料的抗滑性能。首先，按確定的配合比成型300 mm×300 mm×50 mm車轍試件，每種混合料4個平行試件。測定結果如表8所示。

表8 不同瀝青混合料的抗滑性能測試結果表(%)

由表8可知，鋼渣瀝青混合料具有良好的抗滑性能，且構造深度與擺值均比較接近，鋼渣混合料稍高于玄武巖混合料；另外，AC-13瀝青混合料抗滑性能弱于SMA-13瀝青混合料。

3 結語

(1)鋼渣對懸浮型瀝青混合料的高溫性能有削弱作用，而對于骨架型瀝青混合料則有增強作用。

(2)鋼渣對玄武巖的體積替代改善了瀝青混合料的低溫抗裂性能。且對SMA混合料的低溫性能改善更加明顯。

(3)鋼渣對玄武巖的體積替代，對劈裂強度比、殘留馬歇爾穩定度及體積膨脹率影響較小，鋼渣瀝青混合料的水穩定性指標可滿足規范要求。

(4)鋼渣瀝青混合料具有良好的抗滑性能，且構造深度與擺值均比較接近，鋼渣混合料稍高于玄武巖混合料。

(5)雖然鋼渣瀝青混合料的各項指標均滿足使用要求，但目前仍有一些問題有待進一步研究，如鋼渣與瀝青作用的微觀機理、各路用指標改善的主要原因、鋼渣膨脹、鋼渣混合料級配的進一步優化等。