鋼渣改性瀝青混合料路用性能研究
2024-05-30 00:00:00寧武強蘭江
西部交通科技 2024年2期
作者簡介：寧武強（1991—），工程師，主要從事高速公路項目建設管理工作。
摘要：為研究鋼渣改性瀝青混合料路用性能，文章設計將鋼渣部分替代石灰巖，以SBS瀝青為膠結料，制備不同摻量鋼渣改性瀝青混合料，采用微觀測試手段對比分析鋼渣與石灰巖成分差異以及表面形態差異，通過馬歇爾體積設計法獲得不同摻量鋼渣改性瀝青混合料的最佳油石比，并在最佳油石比下開展鋼渣改性瀝青混合料高溫性能、低溫性能、水穩定性能研究。結果表明：鋼渣替代石灰巖后，改性瀝青混合料高溫性能隨鋼渣摻量增加先提高后降低，低溫性能隨鋼渣摻量增加而線性增加；水穩定性在不同鋼渣摻量下變化較為復雜，隨摻量增加凍融劈裂強度比與浸水殘留穩定度有明顯的波動，且在鋼渣摻量較高時這兩個水穩定性評價指標的評價結果并不統一。
關鍵詞：道路工程；鋼渣；改性瀝青混合料；路用性能
中圖分類號：U416.03
0 引言
隨著我國公路建設體量和建設范圍的增大，優質集料愈發缺乏。在綠色環保政策不斷深入實施的背景下，一些地區限制了天然砂石的開采，因此公路路面建設所需的集料亟須拓展。鋼鐵冶煉過程中會產生大量的鋼渣副產品，這些副產品長期堆放不僅會浪費土地資源，也存在污染隱患［1］。近年來，我國學者對鋼渣應用于瀝青路面展開大量研究。李燦華等［2］通過試驗確定摻鋼渣粗集料的OGFC-16瀝青混合料路用性能，結果表明其能夠滿足相關規范要求。秦仁杰等［3］研究鋼渣代替輝綠巖作為SMA-13瀝青混合料的粗集料，通過試驗驗證了鋼渣在SMA-13瀝青混合料應用中的路用性能能夠滿足規范要求，且經濟性較好。何亮等［4］對鋼渣瀝青混合料的應用現狀進行了文獻總結，認為鋼渣的安定性差、用油量大、密度大是制約鋼渣在瀝青路面的關鍵因素，鋼渣瀝青混合料的研究應側重于長期性能。上述研究表明鋼渣應用于瀝青混合料具備技術可行性，但同時由于鋼渣本身的特性，需要研究鋼渣用量對瀝青混合料各項性能的影響。本文研究了鋼渣代替石灰巖后其摻量對瀝青混合料性能的影響，結果可為鋼渣在瀝青路面領域的應用提供參考。
1 原材料及配合比設計
1.1 原材料
本文采用SBS改性瀝青作為瀝青膠結料，開展三大指標試驗，檢測指標試驗結果見表1。鋼渣和石灰巖粗集料均選用粒徑為4.75～13.2 mm、13.2～19.0 mm的兩檔集料，相應的檢測指標試驗結果見表2和表3。對比表2和表3可知，鋼渣集料相比石灰巖集料具有較好的耐磨性能和抗壓碎能力，強度較高，但表觀相對密度較大。考慮到鋼渣具有較強的吸附性能，采用鋼渣細集料在配合比設計階段會造成較高的油石比，不利于鋼渣瀝青混合料的經濟性，因此細集料和礦粉采用石灰巖，檢測指標見下頁表4和表5。
1.2 配合比設計
本文設計鋼渣粗集料全部代替、部分代替、不代替石灰巖粗集料共5種級配的AC-16改性瀝青混合料。《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）中規定在設計瀝青混合料級配時采用的是體積設計法，往往忽略不同檔集料的密度差異，將級配的體積通過率等同于質量通過率［5］。這對于普通的石灰巖瀝青混合料而言，微小的差異并不影響配合比設計結果，但鋼渣粗集料表觀密度是石灰巖的1.18倍左右，因此在配合比設計過程中，對鋼渣粗集料代替石灰巖時分析鋼渣質量比需要進行體積-質量換算。采用毛體積相對密度換算鋼渣瀝青混合料的質量通過率和體積通過率，如表6所示為密度換算方法。
每種代替方案所對應的鋼渣質量比以及級配見表7。其中，級配5為全鋼渣粗集料，級配1為全石灰巖粗集料。對5種級配開展目標配合比設計，得出級配1到級配5所對應的最佳油石比分別為4.63%、4.78%、4.87%、4.98%、5.05%。從油石比結果來看，鋼渣摻量越高，鋼渣改性瀝青混合料的油石比越高，這與鋼渣多孔可吸附瀝青的性質相同。配合比設計結果見表8。
2 結果與討論
2.1 鋼渣理化特性分析
對石灰巖和鋼渣進行X射線熒光光譜試驗（XRD），開展石灰巖與鋼渣的化學組成分析，試驗結果見表9。由表9可知，鋼渣與石灰巖化學組成有很大不同，鋼渣主要成分為CaO，這與鋼渣的煉化工藝有關，而石灰巖的主要成分同樣為CaO，但在Fe2O3、MgO兩個成分上與鋼渣相差較大。化學成分的不同對集料與瀝青的吸附作用有一定影響。
Mason根據CaO、SiO2、P2O5三者的相對含量評價集料的活性，定義集料的堿度［6］。鋼渣堿度的計算方法見式（1），由式（1）可知該鋼渣的堿度為2.09，石灰巖集料的堿度為2.64。從計算結果來看，鋼渣的堿度低于石灰巖。
式中：M——集料的堿度（無量綱）；
W——含量（%）。
對鋼渣集料（主要為鋼渣粉末）開展XRD測試，分析鋼渣的礦物組成，試驗結果見圖1。由圖1可知，鋼渣的礦物組成主要為CaCO3，其次為Ca2SiO4、Ca2FeO5以及少量的RO相，其中R代表Fe和Mg。
對鋼渣粗集料和石灰巖粗集料開展掃描電鏡（SEM）試驗，試驗結果見圖2。由圖2可知，石灰巖粗集料相比鋼渣粗集料表明孔隙較少，更為光滑，而鋼渣粗集料不僅表面孔隙較多、粗糙度較高，且比表面積更大，表面構造更為復雜，有利于瀝青膠結料的吸附。
上述的理化特性分析表明，鋼渣集料相比石灰巖集料更利于瀝青膠結料的吸附，對瀝青混合料的集料-瀝青界面強度有提升作用。
2.2 高溫性能
根據前文試驗結果，獲得5種級配鋼渣瀝青混合料的最佳油石比，在最佳油石比下成型車轍板，開展車轍試驗，試驗溫度為60 ℃，其余試驗參數參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）中的T0719-2011，試驗結果見圖3。由圖3可知，鋼渣改性瀝青混合料動穩定度隨著鋼渣的摻量增加有明顯變化，具體的變化規律為先增大后減小。在鋼渣質量摻量＜38%時，鋼渣改性瀝青混合料動穩定度隨鋼渣摻量增加而增加的現象較易解釋，主要的原因為鋼渣吸附瀝青的能力較強，從而提升了鋼渣改性瀝青混合料的高溫性能。而鋼渣質量摻量＞38%時，鋼渣改性瀝青混合料的動穩定度明顯下降，且55%、72%兩個摻量下的鋼渣改性瀝青混合料動穩定度相差較小，即當鋼渣摻量＞38%后，鋼渣改性瀝青混合料的動穩定度有明顯的“平臺期”。產生這一現象的主要原因為鋼渣質量摻量增大，單位體積內瀝青用量也增加，在吸附較少時可以穩固瀝青-集料的界面強度，而吸附過多在高溫作用下富余瀝青的“副作用”較為明顯，從而降低了鋼渣瀝青混合料的高溫性能。
2.3 低溫性能
在最佳油石比下制備鋼渣改性瀝青混合料試件，開展低溫小梁彎曲試驗，試驗溫度為-10 ℃，其余參數參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）中的T0715-2011，采用最大彎拉應變指標評價鋼渣改性瀝青混合料的低溫性能，試驗結果見后頁圖4。由圖4可知，隨著鋼渣摻量的增加，鋼渣改性瀝青混合料的最大彎拉應變線性增加，表明鋼渣改性瀝青混合料的低溫性能得到改善。瀝青混合料的低溫性能與瀝青膠結料有很大關系，而鋼渣的摻入增加了瀝青含量，這是鋼渣改性瀝青混合料的低溫性能得到改善的主要原因。另外，鋼渣表面特性決定了鋼渣摻入瀝青混合料后集料與瀝青膠結料的粘附性能得到增強，而低溫下并沒有像高溫環境下產生富余瀝青，因此綜合提高了鋼渣改性瀝青混合料的低溫性能。
2.4 水穩定性能
采用凍融劈裂和浸水馬歇爾試驗評價鋼渣改性瀝青混合料的水穩定性能，試驗過程參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）中的T0709-2011和T0729-2011。具體而言，采用凍融劈裂強度比和浸水殘留穩定度兩個指標綜合評價鋼渣改性瀝青混合料的水穩定性能，試驗結果見圖5。由圖5可知，鋼渣改性瀝青混合料的水穩定性能指標與其動穩定度和最大彎拉應變指標變化規律有很大不同，存在一定的波動性，且劈裂強度比和殘留穩定度這兩個指標在評價高摻量鋼渣改性瀝青混合料（鋼渣質量摻量＞38%）時結果相悖，這顯示了鋼渣改性瀝青混合料的復雜性。產生該現象的原因主要還是與鋼渣-瀝青的界面強度有關，在水分滲入的情況下，不能用富余瀝青的理論解釋，有待進一步的深入研究。
3 結語
本文對鋼渣理化特性以及不同摻量的鋼渣改性瀝青混合料路用性能展開研究，得出如下結論：
（1）鋼渣集料主要成分為CaO，與石灰巖類似，但在Fe2O3、MgO兩種成分上相差較大。鋼渣相比于石灰巖集料具有更粗糙的表面和更大的比表面積，有利于瀝青的吸附，提高集料-瀝青的界面強度。
（2）鋼渣改性瀝青混合料的高溫性能和低溫性能隨著鋼渣集料的摻量增加有較為清晰的變化規律，其中動穩定度隨著鋼渣摻量增加而先增大后減小，而最大彎拉應變隨著鋼渣摻量增加而線性增加。
（3）鋼渣改性瀝青混合料的水穩定性能較復雜，隨著鋼渣摻量增加有明顯的波動，且不同的水穩定性評價指標在鋼渣摻量較高（＞38%）時評價結果不統一。
參考文獻：
［1］周啟偉.公路鋼渣基層與鋼渣瀝青混合料路用性能研究［D］.重慶：重慶交通大學，2011.
［2］李燦華，向曉東，周溪瀅.鋼渣開級配透水瀝青混合料及性能研究［J］.建筑材料學報，2015，18（1）：168-171.
［3］秦仁杰，孫 超，孫 明，等.鋼渣在SMA-13瀝青混合料中的應用研究［J］.中外公路，2015，35（1）：272-274.
［4］何 亮，詹程陽，呂松濤，等.鋼渣瀝青混合料應用現狀［J］.交通運輸工程學報，2020，20（2）：15-33.
［5］牛 哲.鋼渣瀝青混合料的制備與性能研究［D］.南京：東南大學，2016.
［6］王 瓊.鋼渣活性激發技術研究現狀［J］.粉煤灰，2014，26（6）：15-17.
