鋼渣粉對(duì)瀝青混合料性能影響試驗(yàn)研究

黃俊HUANG Jun

（揚(yáng)州市公路事業(yè)發(fā)展中心，揚(yáng)州225000）

0 引言

鋼渣是鋼鐵冶煉過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，鋼渣的堆積不僅占用土地，還污染環(huán)境，而鋼渣本身又具有強(qiáng)度高、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。因此自從上世紀(jì)70年代以來，很多研究者嘗試著用鋼渣替代瀝青混合料中的集料[2]，鋼渣瀝青混合料具有較好的抗車轍能力、抗剝落能力、施工和易性等優(yōu)點(diǎn)。

但鋼渣瀝青混合料本身的一些缺點(diǎn)限制了大規(guī)模的應(yīng)用：由于生產(chǎn)工藝的問題，鋼渣的尺寸較大，只能用于替代瀝青混合料中的集料，而鋼渣中的游離氧化鈣和游離氧化鎂遇水膨脹，會(huì)造成鋼渣瀝青混合料的體積安定性不良，進(jìn)而造成瀝青混合料因內(nèi)部附加應(yīng)力過大而開裂[3]。隨著鋼渣生成工藝的改進(jìn)，目前在上海生產(chǎn)出一種鋼渣粉廢料，新型冶鋼工藝生產(chǎn)出的鋼渣粉粒徑很小（0.075mm篩孔通過率超過80%），理論上幾乎不會(huì)受體積膨脹的不良影響。本文的目的就是對(duì)這種鋼渣粉用于瀝青混合料的填料的可行性進(jìn)行研究，對(duì)推動(dòng)廢鋼渣的資源化利用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 集料和鋼渣粉

試驗(yàn)采用的集料產(chǎn)自江西，粗集料為5-15mm檔石灰?guī)r碎石，細(xì)集料為3-5mm檔、0-3mm檔兩檔石灰?guī)r集料，填料為礦粉和鋼渣粉兩種，其篩分和密度試驗(yàn)結(jié)果如表1-表2所示，其中對(duì)于細(xì)集料和礦粉，使用表觀相對(duì)密度代替毛體積相對(duì)密度。

表1 原材料篩分結(jié)果

表2 集料密度試驗(yàn)結(jié)果

從表1的篩分結(jié)果可以看出，鋼渣粉的級(jí)配比礦粉還要細(xì)，其0.075mm篩孔通過率達(dá)到了94.6%，級(jí)配越細(xì)，其比表面積越大，需要裹附的瀝青越多，這將會(huì)對(duì)瀝青混合料的體積參數(shù)產(chǎn)生影響。從表2的密度試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼渣的密度和常規(guī)集料的密度相差很多，若仍然采用各檔集料的質(zhì)量比會(huì)產(chǎn)生很大誤差，所以在進(jìn)行瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)采用了各檔集料的體積比。

1.2 瀝青

試驗(yàn)用瀝青采用SBS改性瀝青。瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果見表3，試驗(yàn)按照《公路公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）進(jìn)行其性能滿足改性瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。

表3 SBS改性石油瀝青試驗(yàn)結(jié)果

2 鋼渣瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

為了研究鋼渣粉對(duì)瀝青混合料體積參數(shù)和路用性能的影響，本文首先基于馬歇爾設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了常規(guī)AC13瀝青混合料，然后使用鋼渣粉分別按照體積比25%、50%、75%、100%替代礦粉，并測(cè)量不同替代比例的AC13的體積參數(shù)、平均瀝青膜厚度和馬歇爾穩(wěn)定度。在此過程中保持瀝青用量不變，試驗(yàn)結(jié)果如圖1-圖5所示，每個(gè)測(cè)試結(jié)果取四個(gè)平行試件的平均值。

圖1 礦粉替代比例與空隙率關(guān)系圖

圖5 礦粉替代比例與穩(wěn)定度關(guān)系圖

圖2 礦粉替代比例與VMA關(guān)系圖

從圖1-圖5可以看出，在保持瀝青用量不變的前提下，隨著鋼渣粉替代礦粉比例的提高，瀝青混合料的空隙率和礦料間隙率都呈增大趨勢(shì)，這種現(xiàn)象與鋼渣粉的粒徑較細(xì)及其表面多孔性緊密相關(guān)。本試驗(yàn)采用的是體積替代，表1的篩分結(jié)果顯示鋼渣粉的級(jí)配更細(xì)，當(dāng)采用鋼渣粉替代部分礦粉后，需要額外的瀝青來裹附更細(xì)的填料；鋼渣粉的表面多孔性也會(huì)吸收更多的瀝青，這兩方面的因素都會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料中用于填充空隙的瀝青減少，造成瀝青混合料的空隙率和礦料間隙率增大。圖3所示為礦粉替代比例與瀝青混合料中有效瀝青體積百分率的關(guān)系，從圖可知鋼渣粉用量越多，有效瀝青實(shí)際用量越少，這也證明了鋼渣粉表面的微孔能夠吸收瀝青。當(dāng)使用鋼渣粉替代礦粉后，填料部分級(jí)配變得更細(xì)，實(shí)際有效瀝青含量減少，導(dǎo)致瀝青混合料的平均瀝青膜厚度較小。如圖4所示，表明當(dāng)瀝青混合料中的礦粉全部由鋼渣粉替代后，其平均瀝青膜厚度減小了近1μm。圖5所示結(jié)果表明瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度與鋼渣粉的替代比例之間成正比。這說明鋼渣粉對(duì)瀝青混合料的體積參數(shù)和力學(xué)性能均有影響，為了更好的驗(yàn)證鋼渣粉對(duì)瀝青混合料的路用性能的影響，本文還進(jìn)行了相關(guān)性能測(cè)試。

圖3 礦粉替代比例與有效瀝青體積百分率關(guān)系

圖4 礦粉替代比例與平均瀝青膜厚度關(guān)系圖

3 鋼渣瀝青混合料性能試驗(yàn)結(jié)果

本文對(duì)瀝青混合料的體積膨脹性、抗車轍性能、低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表4-表8所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

表4 -表8所示的試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼渣粉對(duì)瀝青混合料的各項(xiàng)性能均有影響，并且其影響程度與鋼渣粉用量成正比關(guān)系。

表4 體積膨脹性試驗(yàn)結(jié)果

表8 各級(jí)配抗疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果

表7 各級(jí)配凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

表4 所示為鋼渣粉替代礦粉后對(duì)瀝青混合料體積膨脹率的影響，結(jié)果顯示瀝青混合料的體積膨脹率均為負(fù)值，這一結(jié)果可能和測(cè)量方法有關(guān)，當(dāng)瀝青混合料在60℃水浴保溫72h后，其表面的瀝青膠漿出現(xiàn)了部分的軟化，此時(shí)再使用游標(biāo)卡尺測(cè)量其直徑和高度時(shí)，出現(xiàn)了其尺寸變小的假象。僅從相對(duì)值來看，鋼渣粉的摻入增大了瀝青混合料的體積膨脹率，根據(jù)表4所示的試驗(yàn)結(jié)果，假設(shè)替代率0%時(shí)的瀝青混合料體積膨脹率為0，那么當(dāng)?shù)V粉全部由鋼渣粉替代后，瀝青混合料的體積膨脹率為0.18%左右，粗鋼渣瀝青混合料的體積膨脹率不得大于1.5%，可以看出鋼渣粉瀝青混合料的體積膨脹率是滿足規(guī)范要求的。先前的研究均是把粗鋼渣應(yīng)用于瀝青混合料，但為了降低粗鋼渣體積膨脹帶來的危害，需要把粗鋼渣進(jìn)行為期6-12個(gè)月的陳化處理方可使用[4]，甚至有些粗鋼渣即使經(jīng)過陳化處理也不能利用，這大大限制了鋼渣在瀝青混合料中的推廣使用，而本文使用的鋼渣粉并不需要陳化處理即可應(yīng)用于瀝青混合料，一方面是因?yàn)楸疚氖褂玫匿撛牧喜捎昧溯^先進(jìn)的冶煉工藝，更主要的原因是粗鋼渣碎化為細(xì)鋼渣和鋼渣粉的過程已經(jīng)降低了其體積膨脹性[5]。據(jù)此本文認(rèn)為，當(dāng)把鋼渣粉應(yīng)用于瀝青混合料時(shí)，可以不考慮由于鋼渣膨脹帶來的體積安定性不良問題，這將極大方便鋼渣粉在瀝青混合料中的應(yīng)用。

表5 所示為鋼渣粉對(duì)瀝青混合料低溫性能的影響，結(jié)果顯示當(dāng)使用鋼渣粉替代礦粉后，瀝青混合料的低溫破壞應(yīng)變是減小的，這是因?yàn)闉r青混合料中的鋼渣粉吸收了更多了瀝青，導(dǎo)致瀝青混合料中的有效瀝青含量下降，進(jìn)而影響了其在低溫破壞時(shí)的應(yīng)變。表5所示結(jié)果表明，盡管鋼渣粉瀝青混合料的低溫破壞應(yīng)變減小，其破壞時(shí)的彎拉強(qiáng)度卻是增加的，這說明雖然鋼渣粉瀝青混合料在破壞時(shí)的變形較小，但其抗彎拉破壞的能力增強(qiáng)。因此，僅使用低溫破壞應(yīng)變來評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能是不全面的。

表5 各級(jí)配低溫性能試驗(yàn)結(jié)果

表6 -表8所示的是鋼渣粉對(duì)瀝青混合料的抗車轍性能、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能的影響，結(jié)果表明鋼渣粉能夠有效改善瀝青混合料的這些路用性能，需要說明的是瀝青混合料的疲勞問題比較復(fù)雜，采用不同的測(cè)試方法可能會(huì)得到不同的結(jié)論，但鋼渣粉能夠改善瀝青混合料的抗車轍性能和水穩(wěn)定性是無容置疑的，這與鋼渣粉和細(xì)鋼渣在瀝青混合料中的物理作用和化學(xué)作用有關(guān)。

表6 高溫性能試驗(yàn)結(jié)果

表1 的篩分結(jié)果表明，鋼渣粉顆粒的尺寸比礦粉還要細(xì)，因此其具有更大的比表面積，更細(xì)更多的顆粒能夠裹附較多的自由瀝青，形成更多的結(jié)構(gòu)瀝青，這增加了瀝青膠結(jié)料的粘度，提高了瀝青混合料抵抗荷載的能力，改善了瀝青混合料的各項(xiàng)常規(guī)路用性能。除此之外，鋼渣顆粒中的微量元素（S元素等）對(duì)瀝青起到了部分改性作用[6]，改善了瀝青與集料的粘附界面，增強(qiáng)了瀝青對(duì)集料的粘附，這也有利于提高瀝青混合料的各項(xiàng)常規(guī)路用性能。鋼渣顆粒中還含有f-CaO和f-MgO等有害物質(zhì)，這些物質(zhì)遇水體積膨脹，造成瀝青混合料的體積不安定，但是其水化物具有一定的粘結(jié)強(qiáng)度，并且這類水化物的粘結(jié)強(qiáng)度在一定時(shí)間范圍內(nèi)隨著時(shí)間而增強(qiáng)[7]，并且這些膨脹的水化物在一定范圍內(nèi)填充了瀝青混合料的空隙，導(dǎo)致瀝青混合料變得更為密實(shí)，這些因素都有利于瀝青混合料抵抗水損害[8]。

5 結(jié)論

本文對(duì)滾筒工藝生產(chǎn)的鋼渣粉用于替代瀝青混合料中的礦粉進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)論如下：①在瀝青用量不變的前提下，使用鋼渣粉替代礦粉后，瀝青混合料中的有效瀝青變少，平均瀝青膜厚度變薄，使得瀝青混合料的空隙率和VMA都增大；②鋼渣粉不需經(jīng)過陳化處理即可用于瀝青混合料，而不會(huì)引起瀝青混合料的體積過度膨脹問題；③鋼渣粉能夠有效改善瀝青混合料的抗車轍性能和水穩(wěn)定性，其對(duì)于低溫性能和抗疲勞性能的影響還需要更多的試驗(yàn)來驗(yàn)證。