鋼渣摻量對聚合物改性瀝青混凝土路用性能的影響研究

范萌萌 呂政凡 歐陽旻奇

摘要：為了提高鋼渣的綜合利用率，文章以廣西防城港鋼渣為研究對象，將其作為粗集料應用于AC-13瀝青混合料中，重點研究不同鋼渣摻量下瀝青混合料的高溫穩定性能和抗水穩定性能。結果表明：在高溫穩定性能方面，隨著鋼渣摻量的增大，瀝青混合料的動穩定度值先增大后減小，在鋼渣摻量為50%時最佳，動穩定度值可高達15 421次/mm；在水穩定性能方面，摻入鋼渣導致瀝青混合料的殘留穩定度值不同程度下降，但在鋼渣摻量為50%時，混合料的殘留穩定度值僅下降1.3%；瀝青混合料的劈裂抗拉強度比隨著鋼渣摻量的增大逐漸提高，最大可提高6.81%。綜合分析不同鋼渣摻量瀝青混合料的路用性能試驗結果，建議AC-13C瀝青混合料中鋼渣摻量為50%。

關鍵詞：鋼渣摻量；瀝青混合料；高溫穩定性；水穩定性

中圖分類號：U416.03A010014

0引言

鋼渣是在冶煉鋼鐵過程中產生的一種含有金屬原礦雜質、助熔劑和爐襯的工業固體廢棄物。據國家統計局公布數據顯示，2021年我國鋼渣產量達到1.64億t，并且鋼渣產量隨著我國鋼鐵工業的持續發展呈現逐年遞增的趨勢。大量堆存的鋼渣不僅用地面積大，也引發了不少環境污染問題［1］，加之目前我國鋼渣綜合利用率僅有22%［2］，對此，學者們對鋼渣的高效資源化利用問題進行了廣泛討論。

鋼渣具有一定的堿性［3］，用于瀝青混合料中能夠增加瀝青與集料粘附性，提升道路石油瀝青的耐久性，并且鋼渣質地堅硬，耐磨性好，硬度和力學強度高，是一種潛在的集料資源，用于替換瀝青混合料中的巖石集料也有助于提高抗車轍能力［4］。因此，鋼渣在公路工程瀝青混合料領域的應用前景十分廣闊。對此，國內外學者開展了大量的研究。陳偉等［5］采用鋼渣替換石灰巖集料制備了不同鋼渣摻量的SMA-13瀝青混合料，并對其路用性能進行驗證，結果表明：摻入鋼渣能夠顯著改善混合料的高溫穩定性和水穩定性，而低溫抗裂性和體積安定性卻有所下降，但仍然能夠滿足規范要求，最優鋼渣摻量為75%。李偉等［6］用鋼渣代替碎石制備了AC-13、AC-16和AC-20三種級配的鋼渣瀝青混凝土，同樣證實鋼渣能夠改性瀝青混合料性能，但應確保大粒徑骨料和瀝青用量在合適范圍內。魏巍等［7］對摻鋼渣的瀝青混凝土路面進行了長期的監測，研究發現得益于鋼渣優良的物理力學特性，摻鋼渣的瀝青路面在抗滑性能衰減上比傳統的巖石集料瀝青路面更慢。Masoudi等［8］向溫拌瀝青混合料加入鋼渣，發現鋼渣能夠改善瀝青混合料的短期老化和長期老化性能，并且與使用石灰石集料的瀝青混合料相比，其彈性模量和抗拉伸性能也更好。Bocci等［9］則將鋼渣作為熱拌瀝青的集料，與常規石料的瀝青混凝土進行對比后發現，鋼渣瀝青混合料在剛度、間接拉伸強度和抗車轍性能方面具有更出色的性能。綜上所述，將鋼渣作為瀝青混合料集料能夠改善其在穩定性、抗滑性和抗車轍等多方面的性能。

廣西防城港鋼鐵基地年產鋼渣1 000萬t，利用率＜20%。為實現鋼渣在廣西地區的資源化利用，本文以防城港鋼渣為研究對象，對摻鋼渣的AC-13瀝青混合料進行配合比設計，并研究不同鋼渣摻量對其高溫穩定性和抗水穩定性等指標的影響，研究成果可為鋼渣在廣西地區新建高速公路中的推廣應用提供科學依據。

1原材料性能

1.1瀝青

本次試驗采用產自廈門華特集團有限公司的I-D級SBS改性瀝青，對該瀝青的常規性能進行了測試，得到其各項性能指標如下頁表1所示。

1.2鋼渣和輝綠巖粗集料

1.2.1鋼渣和輝綠巖物理特性

本次試驗用鋼渣粗集料為廣西源盛礦渣綜合利用有限公司產的活化鋼渣，輝綠巖粗集料為廣西地區輝綠巖碎石，兩者粒徑范圍均為5～10 mm和10～15 mm。依據《瀝青混合料用鋼渣》（JT/T 1086-2016）和《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005），采用不同試驗方法對本次試驗用鋼渣和輝綠巖碎石的各項物理力學指標進行測試，結果如表2所示。

1.2.2鋼渣礦物成分

采用X射線衍射試驗對試驗用鋼渣的礦物組成進行分析，結果如圖1所示。由圖1可以看出，鋼渣中主要的礦物成分為氫氧化鈣［Ca（OH）2］、碳酸鈣（CaCO3）、硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、RO相以及鐵酸二鈣（C2F）等。

1.2.3鋼渣化學成分

通過X射線熒光光譜對試驗用鋼渣的化學成分進行分析，結果如表3所示。由表3可知，鋼渣中主要的化學成分為CaO、Fe2O3和SiO2。采用文獻［10］中鋼渣的堿度值計算方法進行計算，得到本次試驗用鋼渣的堿度值為2.16，屬于中堿度鋼渣（堿度值1.8～2.5）。而采用具有堿性的鋼渣作為集料，使鋼渣與瀝青分子中的酸性基團發生反應，可增強鋼渣集料與瀝青間的粘結力，形成良好的粘結作用。

1.3細集料和礦粉

由于鋼渣的體積安定性問題，若采用鋼渣作為瀝青混合料的細集料，可能導致混合料產生較大的體積變化。基于此，本研究采用0～3 mm機制砂作為細集料，填料為0～0.6 mm的石灰巖礦粉。經檢測，試驗用細集料和礦粉的各項指標均滿足我國瀝青路面施工技術規范中規定的技術要求。

2試驗方法和配合比

2.1試驗方法

2.1.1最佳油石比

根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004），采用馬歇爾擊實成型試件，并計算空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、穩定度和流值等指標后，確定最佳油石比。

2.1.2路用性能試驗

路用性能包括高溫穩定性能和水穩定性能。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011），采用輪碾法成型車轍試件后進行車轍試驗，以評價其高溫穩定性能，并采用殘留穩定度和凍融劈裂強度比評價其水穩定性能。

2.2配合比設計

2.2.1混合料級配

根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004），在AC-13級配范圍內進行調試，確定試驗所用級配設計如表4所示。

2.2.2配合比

為了確定AC-13C瀝青混合料的最優鋼渣用量，本次試驗選用0、30%、50%和70%四組不同摻量的鋼渣按比例替換對應的輝綠巖集料，制備摻鋼渣AC-13C瀝青混合料。

由于國內配合比設計采用體積計算法，對于相對密度相差較大的集料會導致其實際級配與設計級配嚴重偏離。在本次試驗中，鋼渣與輝綠巖的表觀密度之差＞0.2 g/cm3，故需要對鋼渣進行等體積換算。本研究采用文獻［11］所述體積法將不同摻量鋼渣粗集料替換輝綠巖粗集料進行馬歇爾擊實試驗，制備鋼渣摻量為0、30%、50%和70%的瀝青混合料，并且確定最佳瀝青用量，詳細材料配合比如表5所示。

3結果與討論

3.1高溫穩定性

通過車轍試驗能夠獲得不同鋼渣摻量下瀝青混合料的動穩定度，進而評價其高溫穩定性能。本研究采用輪碾法成型車轍試件，車轍試件體積參數為：300 mm×300 mm×50 mm，所得試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，當鋼渣摻量處于0～50%時，不同鋼渣摻量下的AC-13瀝青混合料的動穩定度值隨著鋼渣摻量的增加而增大，并在鋼渣摻量為50%時達到最大值，此時動穩定度值由鋼渣摻量為0時的9 171次/mm增長至鋼渣摻量為50%時的15 421次/mm，提升幅度高達68.15%。進一步增加鋼渣摻量至70%時，AC-13瀝青混合料的動穩定度值下降至13 505次/mm，但其動穩定度值仍比未摻鋼渣和鋼渣摻量為30%時更優。這可以從兩方面解釋：（1）鋼渣與瀝青之間的粘附機理不同于普通碎石集料與瀝青之間簡單的物理粘附，鋼渣具有一定的堿性，其顆粒表面的堿活性成分與瀝青分子中的酸性基團發生一系列化學反應，加強了分子間結合，進而在材料之間形成良好的粘附作用；（2）鋼渣的質地堅硬，抗壓性能更好，并且其顆粒棱角豐富，使得鋼渣集料能夠在密實成型后形成穩定的嵌固結構，其粗糙且多微孔的表面結構也進一步提高了瀝青混合料的抗剪切能力，故鋼渣的摻入能夠大幅增加瀝青混合料的高溫抗變形能力。而當鋼渣摻量為70%時， 瀝青混合料內部容易形成自由瀝青，并且由于鋼渣棱角豐富，其摻量增加時也容易導致瀝青混合料的孔隙率和壓實度不易控制，與鋼渣摻量為50%時相比，難以形成密實的穩定結構，這導致了混合料動穩定度的不升反降。綜上所述，從高溫穩定性能方面來看，鋼渣的最佳摻量為50%。

3.2水穩定性

3.2.1浸水馬歇爾試驗

浸水馬歇爾試驗是一項十分重要的瀝青混合料試驗，用于檢驗瀝青混合料受水損害時抵抗剝落的能力，以評價瀝青混合料水穩定性。本次試驗采用馬歇爾大型擊實成型試件進行標準馬歇爾試驗和浸水馬歇爾試驗，并計算其殘留穩定度，所得試驗結果見圖3。

由圖3可知，摻入30%～70%的鋼渣后，不同鋼渣摻量的瀝青混合料的殘留穩定度值出現不同程度的下降。其中，鋼渣摻量為30%時殘留穩定度值下降最明顯，由99.30%下降至90.20%。值得注意的是，在鋼渣摻量為50%時，瀝青混合料的殘留穩定度值僅下降了1.30%，這表明該摻量下鋼渣對瀝青混合料的水穩定性影響最小。但同時鋼渣的摻入使得瀝青混合料的標準馬歇爾穩定度和浸水馬歇爾穩定度均得到了明顯的提高。當鋼渣摻量為30%時，瀝青混合料的標準馬歇爾穩定度取得最大值；進一步增加鋼渣摻量至50%時，瀝青混合料的浸水馬歇爾穩定度取得最大值，并且在該摻量下瀝青混合料的標準馬歇爾穩定度值達14.76 kN，與鋼渣摻量為30%時基本相當；繼續增加鋼渣摻量至70%后，混合料的馬歇爾穩定度有所下降，但仍然優于未摻鋼渣的瀝青混合料。綜上分析，盡管鋼渣摻入對瀝青混合料的殘留穩定度不利，但從馬歇爾穩定度值來看，即使在浸水48 h后，摻鋼渣瀝青混合料的穩定度值仍明顯高于未摻鋼渣的瀝青混合料。因此，從馬歇爾穩定度值和殘留穩定度來看，鋼渣的最佳摻量為50%。

3.2.2凍融劈裂試驗

凍融劈裂的試驗條件比一般的浸水試驗更嚴苛，通過凍融劈裂試驗能夠評價不同鋼渣摻量下瀝青混合料的水穩定性，檢驗其抗水損害能力。本次凍融劈裂試驗結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著鋼渣摻入，不同鋼渣摻量的瀝青混合料的劈裂抗拉強度均有所增大，但鋼渣摻量對其影響不明顯；而凍融劈裂抗拉強度比則隨著鋼渣摻量的增大而逐漸提高，直至鋼渣摻量為70%時取得最大值，此時瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比高達98.10%，比未摻鋼渣時提高了6.81%。分析認為，這同樣得益于鋼渣顆粒的多微孔結構和鋼渣的堿性，使得鋼渣能夠更加緊密地與瀝青粘結，進而提高摻鋼渣瀝青混合料的水穩定性。此外，從凍融劈裂抗拉強度比曲線也可以看出，隨著鋼渣摻量的增加，凍融劈裂抗拉強度比的增幅逐漸減少。分析認為，這主要是鋼渣中存在部分的游離氧化鈣（f-CaO）和游離（f-MgO）等有害雜質，在遇水后會發生反應生成Ca（OH）2和Mg（OH）2，導致混合料的體積產生膨脹，對摻鋼渣瀝青混合料的水穩定性造成不利影響。總的來說，摻入鋼渣能夠提高瀝青混合料的劈裂抗拉強度和凍融劈裂抗拉強度比，進而改善瀝青混合料的水穩定性。

4結語

本文以防城港鋼渣為研究對象，通過車轍試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂抗拉試驗對不同鋼渣摻量的AC-13C瀝青混合料高溫穩定性能和水穩定性能進行了研究，主要得出以下結論：

（1）摻入鋼渣能夠明顯改善瀝青混合料高溫穩定性能，在鋼渣摻量為50%時提升效果最明顯，此時瀝青混合料動穩定度值由9 171次/mm提高到15 421次/mm，增幅高達68.15%；進一步增加鋼渣摻量至70%時，鋼渣對瀝青混合料的動穩定度的改善作用下降，但其動穩定度值仍顯著高于未摻鋼渣的瀝青混合料。

（2）鋼渣對瀝青混合料的殘留穩定度值存在不利影響，殘留穩定度值在鋼渣摻量為30%時由99.30%下降至90.20%，但鋼渣摻量為50%時，混合料的殘留穩定度值僅下降1.30%。從馬歇爾穩定度值來看，即使在浸水48 h后，摻鋼渣瀝青混合料的穩定度值仍明顯高于未摻鋼渣的瀝青混合料。

（3）鋼渣能夠提高瀝青混合料的劈裂抗拉強度，并且隨著鋼渣摻量的增大，混合料的凍融劈裂抗拉強度比逐漸提高，但增幅逐漸降低，最高可提升6.81%。

（4）綜合分析不同鋼渣摻量瀝青混合料的路用性能試驗結果，建議AC-13C瀝青混合料選用50%鋼渣摻量。

參考文獻

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基金項目：廣西住建廳科學技術計劃項目“赤泥鋼渣瀝青混合料的性能研究及其在市政道路中的應用研究”（桂建函〔2020〕783號）；南寧市興寧區科學研究與技術開發計劃項目“水泥鋼渣微粉穩定鋼渣半剛性基層的技術開發與應用”（編號：2021A03）

作者簡介：范萌萌（1988—），碩士，工程師，主要從事道路工程、路用固廢材料資源化利用研究工作。