張金生 董從雷 陳奕辛

(1.江蘇瑞沃建設(shè)集團(tuán)有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225652；2.東南大學(xué)， 江蘇 南京 211189)

0 引言

鋼渣是煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，其生產(chǎn)量大約占粗鋼產(chǎn)量的10%-20%[1,2,3]，但是鋼渣的綜合利用率僅有20%。鋼渣堅(jiān)硬耐磨，與瀝青的黏附性較好，能有效滿(mǎn)足瀝青路面耐磨、抗滑等功能。但是鋼渣中含有部分以游離態(tài)存在的氧化鈣和氧化鎂，遇水后反應(yīng)產(chǎn)生體積膨脹[4,5]，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，從而造成鋼渣在工程應(yīng)用中具有一定的膨脹隱患。

1 試驗(yàn)原材料性能

（1）試驗(yàn)用瀝青為SBS改性瀝青,其技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表1；（2）試驗(yàn)用的粗集料為鋼渣，其物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表2；（3）試驗(yàn)用的細(xì)集料為玄武巖，表觀相對(duì)密度為2.901，砂當(dāng)量為76.2%；（4）試驗(yàn)用的填料為石灰?guī)r礦粉，表觀密度為2.697，含水率為0.03%；（5）有機(jī)硅防水劑由有機(jī)硅樹(shù)脂、分散劑、滲透劑和消泡劑等配制而成，其中有機(jī)硅樹(shù)脂采用丙烯酸改性有機(jī)硅樹(shù)脂，其技術(shù)指標(biāo)為：固含量≥50%，干燥時(shí)間≤1h/25℃，固化時(shí)間1.5h/200℃。

表1 SBS改性瀝青性能指標(biāo)

表2 鋼渣粗集料性能指標(biāo)

2 有機(jī)硅樹(shù)脂防水劑改性效果研究

2.1 有機(jī)硅樹(shù)脂防水劑用量的確定

采用甲苯按用量比1:1稀釋硅樹(shù)脂，同時(shí)添加4%的助劑（助劑由滲透劑、消泡劑等按一定比例混合而成），配制成硅樹(shù)脂防水劑。分別噴灑按鋼渣質(zhì)量1%、2%、4%、6%的硅樹(shù)脂防水劑，在噴灑過(guò)程中不斷攪拌，然后放入180℃的烘箱中固化2～3小時(shí)，最后取出鋼渣冷卻。

4%的有機(jī)硅樹(shù)脂防水劑對(duì)鋼渣的改性效果最佳，能使鋼渣的吸水率和壓碎值分別降到0.53%和10.1%，這是因?yàn)榉浪畡┰阡撛砻嫘纬梢粚痈邚?qiáng)度致密薄膜，封住了細(xì)小孔隙和微裂縫，改善了鋼渣的表面微觀結(jié)構(gòu)。

2.2 改性鋼渣與瀝青的黏附性和體積安定性

圖2 鋼渣與瀝青的黏附性

圖3 鋼渣的浸水膨脹率

以4%的硅樹(shù)脂防水劑處理后的改性鋼渣為研究對(duì)象，測(cè)試煮沸3min和30min后改性鋼渣與瀝青的黏附等級(jí)。按照《鋼渣穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》（GB/T 24175-2009）中的方法測(cè)試改性鋼渣的浸水膨脹率，制備試件時(shí)，小于4.75mm粒徑的集料采用未改性鋼渣，如圖2、3所示。

從圖中可知，鋼渣經(jīng)過(guò)改性處理后，鋼渣與瀝青的黏附性增強(qiáng)，浸水膨脹率降低，說(shuō)明改性鋼渣表面的硅樹(shù)脂涂層起到了很好的隔離水分、阻止水分侵入的作用，從而達(dá)到抑制鋼渣體積膨脹的目的。

2.3 改性鋼渣的表面微觀分析

采用SEM觀察4%硅樹(shù)脂防水劑處理后的改性鋼渣的表面微觀形貌，改性鋼渣表面放大300和1200倍后的SEM成像圖如圖4所示。

圖4 改性鋼渣表面微觀圖

經(jīng)過(guò)硅樹(shù)脂防水劑改性后的鋼渣，表面形成了一層致密的防水薄膜，有效封閉了鋼渣表面的微孔隙和裂紋（肉眼可見(jiàn)的大孔隙并沒(méi)有被填補(bǔ)），而且鋼渣表面仍比較粗糙。

3 改性鋼渣瀝青混合料性能研究

3.1 改性鋼渣瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

本研究采用規(guī)范要求的AC-13各個(gè)粒徑范圍的中值進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，如圖5所示，4.75mm粒徑以上的粗集料采用鋼渣，4.75mm粒徑以下的細(xì)集料采用玄武巖，填料采用石灰?guī)r礦粉。由于鋼渣與天然集料在密度方面存在較大差異，因此需要通過(guò)體積-質(zhì)量換算的方法得到不同粒徑范圍內(nèi)集料的質(zhì)量占比。

圖5 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)圖

按規(guī)范成型馬歇爾試件，測(cè)出馬歇爾試件的體積參數(shù)，并通過(guò)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)得出試件的穩(wěn)定度和流值，最后確定玄武巖瀝青混合料、普通鋼渣瀝青混合料和改性鋼渣瀝青混合料的最佳油石比分別為4.6%、5.3%和4.6%，表明鋼渣經(jīng)過(guò)改性處理后，降低了鋼渣對(duì)瀝青的吸收量。

3.2 改性鋼渣瀝青混合料路用性能研究

3.2.1 高溫穩(wěn)定性

三種瀝青混合料均能滿(mǎn)足規(guī)范要求，見(jiàn)圖6，但是鋼渣瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度普遍低于玄武巖瀝青混合料，主要因?yàn)殇撛牧W(xué)性能較玄武巖差，且鋼渣瀝青混合料瀝青用量較多，在高溫環(huán)境下容易產(chǎn)生車(chē)轍變形。改性鋼渣瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度比未改性鋼渣瀝青混合料提高了20%，說(shuō)明通過(guò)表面改性處理的方式可以增強(qiáng)鋼渣力學(xué)性能，提升鋼渣瀝青混合料的高溫性能。

圖6 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

圖7 低溫彎曲破壞試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 低溫抗裂性

低溫彎曲破壞試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)圖7，三種瀝青混合料的低溫性能差距較小，普通鋼渣瀝青混合料彎曲破壞應(yīng)變和抗彎拉強(qiáng)度略大于其它兩種瀝青混合料，這是因?yàn)闉r青混合料的低溫性能主要和瀝青混合料的變形能力有關(guān)，而變形能力又主要由瀝青種類(lèi)、用量以及混合料級(jí)配組成決定，與集料的力學(xué)性能相關(guān)性并不大，普通鋼渣瀝青混合料的高瀝青用量對(duì)低溫性能有一定的提升作用。

3.2.2 體積穩(wěn)定性

三種瀝青混合料試件浸水體積膨脹率見(jiàn)圖8，從圖中可知，摻入鋼渣的瀝青混合料試件體積膨脹較大，主要原因是水分與鋼渣接觸，致使鋼渣表面的活性成分反應(yīng)體積膨脹，玄武巖瀝青混合料產(chǎn)生輕微膨脹的原因是長(zhǎng)時(shí)間浸水導(dǎo)致瀝青混合料試件內(nèi)部產(chǎn)生一定的松散。普通鋼渣瀝青混合料經(jīng)過(guò)72h浸水后體積膨脹率達(dá)到了2.05%，不能滿(mǎn)足規(guī)范JTG F40-2004的要求（＜1.5%），但改性鋼渣瀝青混合料試件的浸水膨脹率大大降低，浸水120h后的浸水膨脹率仍小于1.5%，這說(shuō)明改性鋼渣的體積穩(wěn)定性獲得了明顯的提升。

圖8 瀝青混合料的浸水體積膨脹率

3.2.3 水穩(wěn)定性

凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)圖9，普通鋼渣瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比與玄武巖瀝青混合料相近，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)凍融處理后，鋼渣與表面的瀝青膜仍然保持較好的黏結(jié)狀態(tài)，鋼渣尚未與水接觸發(fā)生水化反應(yīng)；但是普通鋼渣瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度達(dá)不到規(guī)范要求的85%，這說(shuō)明在長(zhǎng)時(shí)間的60℃水浴作用下，瀝青與鋼渣之間的粘結(jié)力下降程度較大，推測(cè)已有部分水分侵入鋼渣內(nèi)部，引起f-CaO的水化膨脹反應(yīng)，從而導(dǎo)致鋼渣水穩(wěn)性變差，上述的浸水膨脹試驗(yàn)在一定程度上證實(shí)了該推測(cè)。改性鋼渣瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果均得到了增強(qiáng)，甚至超過(guò)了玄武巖瀝青混合料，尤其是浸水殘留穩(wěn)定度，從原來(lái)的84.3%增長(zhǎng)到了91.1%，這說(shuō)明使用有機(jī)硅防水劑對(duì)鋼渣進(jìn)行表面改性處理能改善鋼渣在瀝青混合料中的體積膨脹性，從而使鋼渣瀝青混合料獲得良好的水穩(wěn)性能。

圖9 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

（1）采用有機(jī)硅防水劑對(duì)鋼渣表面進(jìn)行改性處理后，可將鋼渣的吸水率、壓碎值和72h浸水膨脹率分別降至0.53%、10.1%和0.96%。SEM的觀測(cè)結(jié)果表明，有機(jī)硅防水劑能在鋼渣表面形成一層致密的防水薄膜。

（2）與普通鋼渣瀝青混合料相比，改性鋼渣瀝青混合料的最佳油石比降低了0.7%，這說(shuō)明鋼渣改性處理后能顯著降低鋼渣的吸油量，節(jié)約成本。

（3）與普通鋼渣瀝青混合料相比，改性鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性均得到了提升，尤其是水穩(wěn)定性，改性鋼渣瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比和浸水殘留穩(wěn)定度提升至91.3%和91.1%，優(yōu)于玄武巖瀝青混合料，此外浸水膨脹率也有著較大降低，滿(mǎn)足規(guī)范要求。