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        鋼渣粉中f-CaO含量對(duì)瀝青混合料的路用性能影響

        2018-03-08 07:46:50林浩東陶關(guān)玉
        交通科技 2018年1期

        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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