林浩東 王 鳳 陶關(guān)玉

(1.廣東冠粵路橋有限公司 廣州 511400； 2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

1 前言

瀝青路面具有無(wú)接縫、噪聲小、耐磨、平整、行車(chē)舒適等許多優(yōu)點(diǎn)，因此，在我國(guó)公路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。而在瀝青混凝土中集料的比重達(dá)到90%以上，由此引發(fā)我國(guó)的優(yōu)質(zhì)石料緊缺現(xiàn)狀，其中較多使用的為玄武巖和石灰?guī)r[1]。其中石灰?guī)r儲(chǔ)量巨大，且價(jià)格便宜、開(kāi)采簡(jiǎn)單，但經(jīng)過(guò)幾十年破壞性的開(kāi)采，我國(guó)多數(shù)地區(qū)的石灰石已成為稀缺資源。

鋼渣是煉鋼過(guò)程中排出的熔渣，約為粗鋼產(chǎn)量的10%～15%，產(chǎn)量十分巨大[2]。我國(guó)大量堆積的鋼渣已經(jīng)造成了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。從發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)鋼渣的利用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，道路工程材料，包括水泥及瀝青混凝土，是鋼渣資源化利用的主要途徑，且鋼渣利用很好地解決了優(yōu)質(zhì)集料不足的問(wèn)題，由此看來(lái)，加大對(duì)閑置鋼渣的利用是必要的[3-4]。

徐國(guó)平等[5]測(cè)試分析了25家企業(yè)鋼渣樣品中f-CaO的含量以及鋼渣的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，鋼渣的f-CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多在4%以上，且鋼渣的穩(wěn)定性與其f-CaO含量有顯著的正相關(guān)性。孫家瑛等[6]在瀝青混合料中摻加鋼渣微粉，分析用鋼渣微粉部分或全部替代礦粉對(duì)瀝青混合料性能的影響，研究結(jié)果表明，摻加鋼渣微粉可以使瀝青混合料的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性有明顯提高，而對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性影響不大。王強(qiáng)[7]研究了鋼渣的膠凝性能及水化硬化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)鋼渣與水泥的水化過(guò)程相似，但鋼渣的水化速率非常慢。

當(dāng)前我國(guó)對(duì)鋼渣的利用多作為集料應(yīng)用于瀝青混合料中，這種利用方式雖然對(duì)鋼渣的消化能力很強(qiáng)，但是許多鋼渣并不滿(mǎn)足集料規(guī)范要求，鋼渣中較大的f-CaO含量導(dǎo)致其壓蒸粉化率過(guò)大，影響混合料的體積穩(wěn)定性能。文中通過(guò)將不同f-CaO含量的鋼渣粉加入到瀝青混合料中，研究f-CaO含量對(duì)鋼渣粉瀝青混合料路用性能的影響，為鋼渣的全組分資源化利用提供支撐。

2 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 原材料

1) 瀝青采用湖北鄂州生產(chǎn)的70號(hào)基質(zhì)瀝青，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 瀝青主要指標(biāo)

2) 集料采用玄武巖，本次試驗(yàn)采用熱拌瀝青混合料(HMA)的配合比設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，即采用在我國(guó)應(yīng)用廣泛的馬歇爾試驗(yàn)方法進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)。

3) 填料采用武鋼熱潑鋼渣粉和常用石灰石礦粉，其中鋼渣粉由實(shí)驗(yàn)室制備，2種填料基本性能指標(biāo)見(jiàn)表2，并用乙二醇-EDTA法對(duì)經(jīng)過(guò)風(fēng)化處理的鋼渣中f-CaO的含量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3，其微觀形貌見(jiàn)圖1。

表2 鋼渣粉和石灰石礦粉主要技術(shù)指標(biāo)

表3 鋼渣粉的f-CaO含量

圖1 掃描電鏡圖

2.2 試驗(yàn)方法

2種瀝青混合料各種性能指標(biāo)測(cè)試參照J(rèn)TG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)程》)中T0724-2000制備AC-13密級(jí)配瀝青混合料，并按照《規(guī)程》測(cè)試瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能、低溫拉伸性能、水穩(wěn)定性能等路用性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能

3.1.1馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)AC-13的級(jí)配進(jìn)行試配，成型4組試件，3組摻加不同f-CaO含量的鋼渣粉，第4組摻加石灰石礦粉，測(cè)試其空隙率和穩(wěn)定度，具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，摻加了鋼渣粉的瀝青混合料的密度相對(duì)于摻加石灰石礦粉的常規(guī)瀝青混合料更大，原因是鋼渣中包含了大量的鈣鐵氧化物。而其空隙率較大的原因是鋼渣粉孔隙較多，導(dǎo)致其對(duì)瀝青的吸收量較大，使得瀝青膜較薄，不足以涂覆集料。鋼渣粉顆粒由于具有更尖銳的形狀和更深的表面構(gòu)造深度，導(dǎo)致其與瀝青粘附后的瀝青膠結(jié)料強(qiáng)度更大，從而得到了較強(qiáng)的穩(wěn)定度?？梢钥闯?，鋼渣粉的應(yīng)用對(duì)瀝青混合料馬歇爾試件穩(wěn)定度的提升具有一定效果。其中鋼渣粉中f-CaO的含量對(duì)混合料馬歇爾試件的密度與穩(wěn)定度影響較小，但是對(duì)空隙率的降低有所作用。

3.1.2瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度

高溫抗車(chē)轍性能是指混合料抵抗因?yàn)楦邷匾鸬挠谰米冃蔚哪芰?，本文采用?chē)轍試驗(yàn)來(lái)測(cè)定瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍能力。在試驗(yàn)中，試驗(yàn)溫度設(shè)定為60 ℃，輪壓為0.7 MPa，試件碾壓成型后厚度50 mm，寬度300 mm，長(zhǎng)度300 mm。成型后的試件在溫度為(60±1)℃的恒溫室保溫5 h以上，保溫完成后開(kāi)始車(chē)輪碾壓，車(chē)輪共計(jì)碾壓1 h。計(jì)算機(jī)顯示時(shí)間t1對(duì)應(yīng)的形變量d1，t2時(shí)間對(duì)應(yīng)的形變量d2，最后根據(jù)計(jì)算得到動(dòng)穩(wěn)定度DS的大小。

通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)測(cè)定不同混合料，其試驗(yàn)情況見(jiàn)表5，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》動(dòng)穩(wěn)定度要求不低于800次/mm。

表5 瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)

由表5可見(jiàn)，與常規(guī)瀝青混合料相比，鋼渣粉瀝青混合料在45 min與60 min的位移均有所下降，同時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度有所增加，雖然增加幅度不大，但仍然可以看出鋼渣粉代替石灰石礦粉應(yīng)用于瀝青混合料中對(duì)瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍性能有所提升。這同馬歇爾試件的結(jié)果一致，均證明了鋼渣粉的加入有利于瀝青混合料高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性，且隨著鋼渣粉中f-CaO的含量減少，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度呈增加趨勢(shì)，但可變性較大。

3.2 瀝青混合料低溫拉伸性能

采用瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫拉伸性能，參考《規(guī)程》T0715-2011，試件采用250 mm×30 mm×35 mm，跨徑為200 mm的棱柱體小梁，試驗(yàn)時(shí)設(shè)置溫度為-10 ℃，其中加載速率為50 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)

一般來(lái)說(shuō)，低溫下應(yīng)變?cè)酱?，勁度模量越小，其低溫拉伸性能越好。但是鋼渣粉瀝青混合料的應(yīng)變更小，勁度模量更大，代表其在低溫下對(duì)應(yīng)力的抵抗更強(qiáng)，這增加了瀝青混合料斷裂的危險(xiǎn)性。低溫下常規(guī)瀝青混合料對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)更快，可以看出石灰石礦粉在低溫下對(duì)瀝青混合料的改善強(qiáng)于鋼渣粉，一是由于石灰石礦粉的表面更加光滑，其與瀝青的粘附性較鋼渣粉弱，導(dǎo)致其瀝青膠結(jié)料中的自由瀝青含量較多，在低溫環(huán)境下流變性更好；二是鋼渣粉的多孔結(jié)構(gòu)和粗糙表面吸收了較多的瀝青，使得鋼渣粉瀝青膠結(jié)料的結(jié)構(gòu)性更好，導(dǎo)致其勁度更大。可以看出，鋼渣粉的加入降低了瀝青混合料的低溫性能，主要原因在于鋼渣粉的多孔結(jié)構(gòu)和相對(duì)于石灰石礦粉更崎嶇的表面紋理特性，這不僅會(huì)對(duì)實(shí)際路面性能有所降低，還會(huì)增加建設(shè)過(guò)程中的瀝青用量，導(dǎo)致建設(shè)成本提高[8-9]。3種不同f-CaO含量的鋼渣粉瀝青混合料的低溫拉伸性?xún)?yōu)劣不一，可以看出f-CaO的含量對(duì)混合料低溫性能影響不大。

3.3 瀝青混合料水穩(wěn)定性

瀝青路面的水穩(wěn)性是指瀝青路面在有水存在的條件下，經(jīng)受交通荷載和溫度脹縮的反復(fù)作用，水分逐步浸入到瀝青與集料的界面上，使瀝青膜逐漸從集料表面剝離，并導(dǎo)致集料間粘結(jié)力喪失而發(fā)生的路面松散破壞，瀝青混合料殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)可反映水對(duì)瀝青與集料間粘附效果的破壞作用[10]。

3.3.1瀝青混合料殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)

采用殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)瀝青混合料受水損害時(shí)抵抗剝落的能力以及瀝青的水穩(wěn)定性。試驗(yàn)中評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的指標(biāo)為殘留穩(wěn)定度比MS0，殘留穩(wěn)定度比越大，表示瀝青混合料的水穩(wěn)定性能越好。按照《規(guī)程》中的T0709-2011規(guī)定，將雙面擊實(shí)各75次的馬歇爾試件分為2組，第1組放在60 ℃的水箱里保溫30 min，測(cè)出其穩(wěn)定度MS1，第2組放在溫度為60 ℃的水箱里保溫48 h，測(cè)定其穩(wěn)定度MS2，則殘留穩(wěn)定度比計(jì)算如式(1)，各瀝青混合料測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表7。

(1)表7 瀝青混合料殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)

由表7可見(jiàn)，鋼渣粉瀝青混合料的穩(wěn)定度和浸水穩(wěn)定度均大于同等條件下常規(guī)瀝青混合料，殘留穩(wěn)定度比高于常規(guī)瀝青混合料，代表其抗水損害的提升，且隨著鋼渣粉中f-CaO的含量減少，其殘留穩(wěn)定度比提升。究其原因主要是由于鋼渣粉中大量的f-CaO在有水存在的環(huán)境下，會(huì)與水發(fā)生水化反應(yīng)，機(jī)理同水泥的水化效應(yīng)[11]。水泥的水化對(duì)水泥混凝土的凝結(jié)起到一定加強(qiáng)效果，但在瀝青混凝土中，主要起粘結(jié)作用的是瀝青膠結(jié)料，鋼渣粉的水化反應(yīng)會(huì)阻礙瀝青與集料的粘附，導(dǎo)致瀝青在動(dòng)水沖刷下從集料表面脫落。鋼渣粉中較少的f-CaO有助于瀝青混合料的水穩(wěn)定性能提升。

3.3.2瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)

采用馬歇爾擊實(shí)法成型的2組馬歇爾試件，擊實(shí)次數(shù)為雙面各50次，一組試件經(jīng)真空飽水后在-18℃下保溫16 h，隨后放入60 ℃的恒溫水槽中24 h，最后按照《規(guī)程》T0729-2000用50 mm/min的加載速率在25 ℃下進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，并同常溫保存的試件進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出劈裂強(qiáng)度比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)

凍融劈裂試驗(yàn)同殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)類(lèi)似，都是為了研究瀝青混合料在有水存在環(huán)境下的抗水損害性能，只是凍融劈裂試驗(yàn)經(jīng)歷了高低溫的循環(huán)作用，使得水分對(duì)瀝青混合料的作用更明顯。由表8可見(jiàn)，鋼渣粉瀝青混合料的常溫劈裂強(qiáng)度大于常規(guī)瀝青混合料，經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)作用后，其劈裂強(qiáng)度下降的幅度明顯低于常規(guī)瀝青混合料，劈裂強(qiáng)度比高于常規(guī)瀝青混合料。同殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果一致，二者都表明鋼渣粉加入瀝青混合料中增加了混合料的穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度。其中鋼渣粉中f-CaO的含量降低對(duì)混合料的劈裂強(qiáng)度起到了提升的作用，可以看出f-CaO的含量會(huì)明顯影響混合料的凍融劈裂強(qiáng)度。

通過(guò)瀝青混合料殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)以及凍融劈裂試驗(yàn)可以看出，加入鋼渣粉可明顯提高瀝青混合料穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度及抗水損害性能，其中鋼渣粉的f-CaO含量是關(guān)鍵因素，會(huì)明顯影響混合料的水穩(wěn)定性能。

4 結(jié)論

通過(guò)將3種不同f-CaO含量的鋼渣粉和石灰石礦粉應(yīng)用于瀝青混合料中來(lái)測(cè)試其路用性能，研究f-CaO含量這一因素對(duì)鋼渣粉瀝青混合料路用性能的影響，可得到以下結(jié)論：

1) 加入鋼渣粉可提高混合料的高溫穩(wěn)定性，f-CaO的含量對(duì)混合料的高溫穩(wěn)定性影響不大。

2) 鋼渣粉的加入降低了瀝青混合料的低溫性能，3種不同f-CaO含量的鋼渣粉瀝青混合料的低溫拉伸性?xún)?yōu)劣不一，可以看出f-CaO的含量對(duì)混合料低溫性能影響不大。

3) 加入鋼渣粉可明顯提高瀝青混合料穩(wěn)定度及劈裂強(qiáng)度，提升混合料的抗水損害性能，其中鋼渣粉的f-CaO含量是一個(gè)關(guān)鍵因素，其含量增加會(huì)明顯降低混合料的水穩(wěn)定性能。

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