徐帥，朱繪美，2，劉文歡，2，李輝，2，王凱煒

（1.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，陜西 西安 710055；2.陜西省建筑科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055）

鋼渣透水瀝青混合料性能的影響因素研究

徐帥1，朱繪美1，2，劉文歡1，2，李輝1，2，王凱煒1

（1.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，陜西 西安 710055；2.陜西省建筑科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055）

通過正交試驗(yàn)分析了鋼渣集料粒徑、油石比、填料3個(gè)因素對鋼渣透水瀝青混合料路用性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼渣集料粒徑對馬歇爾空隙率、穩(wěn)定度和流值綜合影響最顯著，油石比次之，填料影響最小；最佳組合為鋼渣集料粒徑4.75～9.5 mm，油石比為6.7%，填料為鋼渣微粉。與相同集料粒徑的石灰?guī)r透水瀝青混合料相比，鋼渣透水瀝青混合料具有更好的水穩(wěn)定性、馬歇爾穩(wěn)定度、高溫穩(wěn)定性和更小的體積膨脹率。

正交試驗(yàn)；集料粒徑；油石比；填料；鋼渣透水瀝青混合料

0 前言

隨著我國道路交通建設(shè)的發(fā)展，截止到2015年底，我國公路總里程近457.73萬km，高速公路已達(dá)12.35萬km[1]。高速公路中瀝青路面的應(yīng)用越來越廣泛，目前已建成的瀝青路面中90%左右按密級配原理設(shè)計(jì)，這種路面強(qiáng)度高，低溫抗裂性、耐久性較好，但密實(shí)、不透水，致使行車噪音大[2-3]。而空隙率較大的透水瀝青路面不僅能夠有效地降低路表積水，而且能夠提供足夠的表面粗糙度，并可降低沿線行車噪音，其集料骨架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了抵抗車轍變形的能力[4]。目前透水瀝青混合料主要使用玄武巖、石灰?guī)r等天然石料為主骨料，但我國石灰?guī)r總儲量約為750億t，按目前的消耗速度僅能維持15年左右[5]。鋼渣集料具有高硬度和高耐磨性，與瀝青有良好的粘附性[6-7]，將其應(yīng)用于透水瀝青路面能解決了天然集料的不足，保護(hù)資源和環(huán)境[8]。本研究采用正交試驗(yàn)法，研究鋼渣集料粒徑、油石比、填料種類對透水瀝青混合料路用性能的影響[9]。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）集料：陜西龍鋼鋼渣，經(jīng)過高壓輥式立磨分選得到，通過篩分獲得2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm共4種粒徑范圍的鋼渣集料。鋼渣集料的化學(xué)成分見表1，按照GB/T 24766—2009《透水瀝青路面用鋼渣》對鋼渣的物理力學(xué)性能進(jìn)行測試，結(jié)果見表2，鋼渣集料的表面形貌見圖1。

表1 鋼渣集料的化學(xué)成分%

表2 鋼渣集料的物理力學(xué)性能指標(biāo)

圖1 50倍和400倍下鋼渣集料的微觀表面形貌

由表1、表2和圖1可知，鋼渣集料的物理、力學(xué)性能滿足GB/T 24766—2009的要求，其f-CaO含量較低，具有較高的穩(wěn)定度。同時(shí)，鋼渣集料表面粗糙、多孔，與瀝青粘附性能好。所以鋼渣作為集料制作透水瀝青混合料能夠滿足瀝青混合料經(jīng)濟(jì)性的要求。

（2）瀝青：采用橡膠瀝青，按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對其技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測，針入度（25℃，100 g，5 s）為5 mm，軟化點(diǎn)64℃，延度（5℃，5 cm/min）為130 cm。

（3）填料：采用礦渣、鋼渣微粉、水泥和粉煤灰4種填料。其中礦渣和鋼渣微粉均為陜西龍鋼經(jīng)高壓輥式立磨分選得到的超細(xì)粉，水泥由硅酸鹽水泥熟料、15%的混合材料及適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，粉煤灰為山西朔州的Ⅱ級灰。4種填料的化學(xué)成分如表3所示，按照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對填料的各項(xiàng)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試，結(jié)果如表4所示。

表3 4種填料的化學(xué)成分%

表4 4種填料的質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)

1.2 測試方法

采用正交試驗(yàn)，研究單一集料顆粒粒徑（以下簡稱粒徑）、油石比和填料種類3個(gè)因素對鋼渣透水瀝青混合料性能的影響?？刂茊我患项w粒粒徑分別為2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm；油石比為6.4%～7.3%，按0.3%間隔變化；填料有礦渣、鋼渣微粉、水泥和粉煤灰4種。正交試驗(yàn)因素水平見表5。每組制備5個(gè)試件，并按標(biāo)準(zhǔn)方法雙面各擊實(shí)75次成型。

按照J(rèn)TG E20—2011，在60℃恒溫水浴箱中保溫30～40 min，采用自動馬歇爾試驗(yàn)儀測試鋼渣透水瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和流值。

表5 正交試驗(yàn)因素水平

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表6，正交試驗(yàn)極差分析見表7。

表6 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表7 正交試驗(yàn)極差分析

由表6、表7可以看出：

（1）鋼渣集料粒徑對鋼渣透水瀝青混合料空隙率、穩(wěn)定度和流值的影響最大。隨著鋼渣集料粒徑由2.36～4.75 mm增大到13.2～16 mm，鋼渣透水瀝青混合料的空隙率逐漸增大，由11.53%增大到17.86%；穩(wěn)定度先增大后減小，在粒徑為4.75～ 9.5 mm時(shí)達(dá)到最大，為11.62 kN，后又降至7.66 kN；流值先降低后增大，在鋼渣集料粒徑為4.75～9.5 mm時(shí)達(dá)最小值，為2.83 mm。鋼渣集料粒徑為4.75～9.5 mm時(shí)，混合料的穩(wěn)定度最大且流值最小，說明該粒徑大小的混合料抗壓強(qiáng)度高并且形變量小。

（2）油石比對鋼渣瀝青透水混合料性能的影響較顯著。隨著油石比由6.4%增大到7.3%，鋼渣透水瀝青混合料的空隙率和穩(wěn)定度均先增大后減小，在油石比為6.7%時(shí)達(dá)到最大值，分別為14.83%、9.25 kN；流值逐漸增大，由3.56 mm逐漸增大至3.76 mm。在油石比為6.7%時(shí)，空隙率和穩(wěn)定度最大且流值較小，說明該油石比的混合料抗壓強(qiáng)度大并且形變量小。

（3）填料種類對鋼渣透水瀝青混合料性能的影響不顯著。填料為鋼渣微粉時(shí)混合料的空隙率和穩(wěn)定度均最大，為粉煤灰時(shí)均最小；填料為鋼渣微粉時(shí)混合料的流值最小，為水泥時(shí)最小。填料為鋼渣微粉時(shí)，鋼渣透水瀝青混合料的空隙率和穩(wěn)定度最大且流值較小，說明填料為鋼渣微粉時(shí)混合料的抗壓強(qiáng)度高并且形變量小。

綜上所述：鋼渣集料粒徑對馬歇爾空隙率、穩(wěn)定度和流值綜合影響最顯著，油石比次之，填料種類最弱。最優(yōu)方案為鋼渣集料粒徑為4.75～9.5 mm，油石比為6.7%，填料為鋼渣微粉。

3 鋼渣透水瀝青混合料性能分析

根據(jù)最優(yōu)組合方案配制鋼渣透水瀝青混合料，并采用相同集料粒徑的石灰?guī)r透水瀝青混合料作對比試驗(yàn)。

3.1 水穩(wěn)定性分析

瀝青混合料的水穩(wěn)定性是受到水的浸入后，抵抗瀝青膜脫離的能力。GB 50092—96《瀝青路面施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定Ⅱ型混合料的殘留穩(wěn)定度不低于70%，試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼渣透水瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度為94.63%，高于石灰?guī)r透水瀝青混合料的91.66%。鋼渣透水瀝青混合料具有較高的水穩(wěn)定性，主要因?yàn)殇撛吓c瀝青有良好的粘附性。鋼渣屬于堿性集料，能與瀝青中的酸酐反應(yīng)，增強(qiáng)瀝青與集料間的粘結(jié)力。其次，鋼渣表面粗糙，具有較大的孔隙率，有助于吸附瀝青，使鋼渣與瀝青的粘附性強(qiáng)于石灰?guī)r。

3.2 馬歇爾穩(wěn)定度分析

馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 鋼渣透水瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表8可以看出，鋼渣透水瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果符合GB 50092—96的要求，并且其各項(xiàng)性能均優(yōu)于石灰?guī)r透水瀝青混合料。

3.3 高溫穩(wěn)定性分析

高溫穩(wěn)定性指瀝青混合料在高溫條件下，能夠抵抗車輛荷載的反復(fù)作用，不發(fā)生顯著永久變形的特性。根據(jù)JTG E20—2011，改性瀝青混合料動穩(wěn)定度不小于3000次/mm。試驗(yàn)測得鋼渣透水瀝青混合料動穩(wěn)定度為6350次/mm，高于石灰?guī)r透水瀝青混合料的5280次/mm。瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的形成主要來源于集料間的嵌鎖作用和集料與瀝青的粘結(jié)作用。鋼渣表面粗糙，棱角豐富且接近立方體，顆粒間易形成緊密的嵌鎖結(jié)構(gòu)，增大瀝青混合料的內(nèi)摩阻力，有利于增強(qiáng)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

3.4 鋼渣透水瀝青混合料的膨脹率分析

鋼渣的主要化學(xué)成分是SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3，相比于天然巖石f-CaO的比例較高。低價(jià)金屬離子遇水后會生成氫氧化物，使鋼渣體積增大發(fā)生膨脹。如果膨脹時(shí)應(yīng)力過大，就會造成鋼渣碎裂，影響瀝青混合料的強(qiáng)度。根據(jù)JTG E20—2011進(jìn)行鋼渣透水瀝青混合料膨脹性測試，結(jié)果表明，鋼渣透水瀝青混合料體積膨脹率為0.49%，低于石灰?guī)r透水瀝青混合料的0.66%?？梢钥闯龌旌狭系呐蛎浡瘦^低，說明試驗(yàn)用鋼渣集料在長期的堆放過程中已發(fā)生崩解，使膨脹性減弱，具有較高的穩(wěn)定度。

4 結(jié)論

采用正交試驗(yàn)法分析了鋼渣集料粒徑、油石比和填料種類3個(gè)因素對鋼渣透水瀝青混合料的路用性能的影響，并用石灰?guī)r集料作對比試驗(yàn)。

（1）經(jīng)過高壓輥式立磨分選出的鋼渣集料物理、力學(xué)性能均符合GB/T 24766—2009的要求，是一種可用于公路的優(yōu)良集料。

（2）正交試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼渣集料粒徑對馬歇爾空隙率、穩(wěn)定度和流值綜合影響最顯著，油石比次之，填料最弱。最優(yōu)方案為鋼渣集料粒徑為4.75～9.5 mm，油石比為6.7%，填料為鋼渣微粉。

（3）鋼渣透水瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度為94.63%，馬歇爾穩(wěn)定度為12.10 kN，動穩(wěn)定度為6350次/mm，體積膨脹率為0.49%，均符合JTG E20—2011的要求。

（4）與石灰?guī)r透水瀝青混合料相比，鋼渣透水瀝青混合料具有更好的水穩(wěn)定性、馬歇爾穩(wěn)定度、高溫穩(wěn)定性和更小的體積膨脹率。

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Study of influencing factors on the properties of permeable steel slag asphalt mixture

XU Shuai1，ZHU Huimei1，2，LIU Wenhuan1，2，LI Hui1，2，WANG Kaiwei1
（1.School of Material and Mineral Resources，Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China；2.Shaanxi Key Laboratory of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China）

The influence of particle size of steel slag，asphalt aggregate ratio，and filler on the pavement performance of permeable steel slag asphalt mixture was studied by using the orthogonal experiment method.The results showed that：the particle size of steel slag had the most significant influence on Marshall porosity，stability and flow value，followed by the asphalt aggregate ratio，and the influence of filler was the weakest.The best combinations are the particle size distribution of steel slag as 4.75～9.5 mm，the asphalt aggregate ratio as 6.7%，and the filler as steel slag powder.Compared with limestone permeable asphalt mixture of the same particle size，permeable steel slag asphalt mixture had better water stability，Marshall stability，high temperature stability and a smaller volume expansion.

orthogonal experiment，particle size of aggregate，asphalt aggregate ratio，filler，permeable steel slag asphalt mixture

TU528.42

A

1001-702X（2016）12-0053-04

陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃項(xiàng)目（15JS051）；

陜西省交通建設(shè)集團(tuán)科技項(xiàng)目（2016—2016013）；

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（16JK1433）

2016-05-06；

2016-06-10

徐帥，男，1992年生，陜西咸陽人，碩士研究生，主要從事工業(yè)固體廢棄物資源化研究及建筑材料研究。