李 婕

(長沙中大建設監(jiān)理有限公司， 湖南 長沙 410000)

0 引言

隨著經(jīng)濟的穩(wěn)步提升，我國的交通行業(yè)也在持續(xù)發(fā)展，新建道路和舊路養(yǎng)護任務依舊繁重。巨大的道路建、養(yǎng)需求離不開大量的天然集料。然而天然集料的獲取需要開山伐林，不僅消耗了大量的人力和物力，同時還會對自然環(huán)境造成不可挽回的破壞;此外，隨著環(huán)保理念的日益貫徹，全國各地都頒布了限制砂石開采的相關文件，優(yōu)質(zhì)的天然集料越發(fā)難以獲得。因此，尋找可替代天然集料的產(chǎn)品需求日益迫切。

鋼渣是鋼鐵生產(chǎn)的副產(chǎn)品，具有多重優(yōu)勢，有望替代優(yōu)質(zhì)石料。我國是鋼鐵大國，據(jù)統(tǒng)計，1t鋼會產(chǎn)生0.1～0.15t鋼渣，全國每年的鋼渣產(chǎn)量約為3800萬t，現(xiàn)存鋼渣2億多t[1-2]。鋼渣堆積不僅導致大量土地被占用，同時還會對環(huán)境造成破壞。由于鋼渣的物理力學性能優(yōu)于普通碎石，因此，用鋼渣代替部分或者全部碎石集料制備鋼渣瀝青混合料，既可以解決鋼渣堆積帶來的環(huán)境問題，還能減少對優(yōu)質(zhì)石料的依賴[3]。

目前關于鋼渣瀝青混合料的路用性能已有部分研究。李燦華等[4]研究發(fā)現(xiàn)鋼渣瀝青瑪蹄脂碎石混合料的路用性能優(yōu)良。謝勇等[5]研究發(fā)現(xiàn)鋼渣密集配瀝青混合料具有良好的嵌擠效應，可以提高路面抗剪切性能?，F(xiàn)階段，關于鋼渣瀝青混合料性能的研究多集中在密級配或瀝青瑪蹄脂碎石級配上，而關于鋼渣透水瀝青混合料的性能研究較少。為此，本文對OGFC(Open Graded Friction Course，大孔隙開級配排水式瀝青磨耗層)鋼渣瀝青混合料進行研究。

1 原材料和試驗方法

1.1 試驗原材料

1.1.1基質(zhì)瀝青

OGFC為大孔隙結構，集料間為點與點的接觸，對瀝青的粘結性能要求較高，故需采用高粘瀝青。高粘瀝青技術性能試驗結果見表1，其各項性能指標均滿足《透水瀝青路面技術規(guī)程》[6]的技術要求。

表1 高粘瀝青試驗指標針入度/mm延度/cm軟化點/℃動力粘度/(Pa·s)彈性恢復/%溶解度/%試驗結束453590300 0009899規(guī)范要求≥40≥30≥80≥200 000≥95≥99

1.1.2集料

已有研究表明，采用鋼渣全部替代天然集料制備的瀝青混凝土難以壓實、孔隙率過大，會導致瀝青用量過大[7]。因此，在實際使用時，多采用鋼渣和天然集料復配的方式。本文粗集料采用鋼渣和玄武巖，細集料采用玄武巖。其中鋼渣為湖南華菱鋼鐵集團生產(chǎn)的轉爐渣，級配見表2，主要成分和物理力學性能分別見表3、表4，各項性能指標均滿足《瀝青混合料用鋼渣》[8]的要求。

表2 鋼渣天然級配下列篩孔(mm)累計篩余百分率/%16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.0751009286122.31.60.5———

表3 鋼渣化學組成及含量%CaoSiO2Al2O3MgOFe2O3MnOP2O5TiO2f-CaO42.2317.433.654.6720.143.670.644.182.32

表4 鋼渣和玄武巖的技術指標類別表觀相對密度吸水率/%壓碎值/%洛杉磯磨耗/%針片狀含量/%粘附性等級磨光值鋼渣3.241.2515.212.110568玄武巖2.930.31613.211.2458規(guī)范要求≥2.9≤3.0≤22≤22≤12≥4≥42

1.2 試驗方法

1.2.1鋼渣瀝青混合料制備

分別以20%、40%、60%、80%和100%的鋼渣替代等量的玄武巖粗集料制備OGFC-13瀝青混合料。由于鋼渣的密度比玄武巖高，為了使目標級配曲線與實際級配曲線保持一致，在摻配時按照體積比進行摻配，鋼渣粗集料的級配見表5。采用馬歇爾方法進行配合比設計,得到5種鋼渣摻量的OGFC-13瀝青混合料最佳油石比分別為5.3%、5.6%、5.9%、6.1%、6.3%，目標孔隙率為20%。

表5 OGFC-13集料級配下列篩孔(mm)累計篩余百分率/%16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.0751009555201512108.564

1.2.2鋼渣瀝青混合料路用性能研究

采用車轍試驗研究鋼渣瀝青混合料的高溫性能；采用動態(tài)模量試驗研究鋼渣瀝青混合料在受到應變后的抵抗變形能力，加載方式為正弦加載，頻率取1Hz；采用擺氏摩擦儀研究鋼渣瀝青混合料的抗滑性能，取隨機5個測試點的平均值為結果。各項試驗均嚴格按照《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[9]進行。

2 試驗結果與分析

2.1 高溫性能

夏季高溫，瀝青混合料容易發(fā)生高溫變形，在車輛荷載的作用下，更容易產(chǎn)生變形。因此，瀝青混合料的高溫性能一直是國內(nèi)外研究的熱點，常用車轍試驗的動穩(wěn)定度來表征瀝青混合料的高溫性能。車轍試驗利用車輪荷載在瀝青混合料上反復碾壓，充分模擬車輪荷載在瀝青路面上行走的狀況，與實際相關性較好。不同鋼渣摻量瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性結果見圖1。

圖1 不同鋼渣摻量瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性

由圖1可知，摻加鋼渣提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。天然集料的動穩(wěn)定度為4053次/mm，摻加鋼渣后動穩(wěn)定度提高到了5545 ～ 7532次/mm，增幅為36.8%～85.3%?？梢?，鋼渣代替天然集料后對瀝青混合料的高溫性能提升非常明顯。因為鋼渣具有高堿度特性且表面粗糙，與瀝青有良好的粘附性，其與瀝青裹附形成的集料呈現(xiàn)出極強的粘聚力，從而增加了抵抗永久變形的能力;除此之外，因其表面多孔隙結構能吸附多余的瀝青，起到了穩(wěn)定作用，提高了混合料的使用性能。

隨著鋼渣摻量的提高，瀝青混合料的動穩(wěn)定度先增加后減小。當摻量為40%時，動穩(wěn)定度達到最大值，為7532次 /mm。這是因為隨著鋼渣摻量的不斷提高，瀝青用量也在相應增加，當瀝青用量略微增加時，對集料間的粘結情況有利;而瀝青用量過多時，則會產(chǎn)生“泛油”現(xiàn)象，此時多余的瀝青在高溫下容易軟化，從而引起車轍。綜上所述，并非鋼渣的摻量越高，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性就越好，應根據(jù)路用性能選擇適宜的摻量。

2.2 動態(tài)模量

動態(tài)模量是指材料在受到動態(tài)荷載的作用后，產(chǎn)生的動態(tài)形式的應變。由于動態(tài)荷載的周期是非固定的，因此可以較好的模擬實際情況，表征材料抵抗變形恢復的能力。本文對不同鋼渣摻量下的瀝青混合料進行動態(tài)模量試驗，分別在5℃和35℃下進行試驗，試驗結果見表6。

表6 不同鋼渣摻量瀝青混合料的動態(tài)模量MPa溫度/℃鋼渣摻量020%40%60%80%100%57 8968 1008 5638 8959 21110 112359631 1001 2131 3151 4961 504

由表6可知，在2種溫度下，鋼渣替代天然集料后，瀝青混合料的動態(tài)模量都增大了。5℃時，天然集料瀝青混合料的動態(tài)模量為7896MPa，而鋼渣瀝青混合料的提高到了8100 ～ 10112MPa；35℃時，天然集料的動態(tài)模量為963MPa，而摻入鋼渣后提高到了1100～1504MPa?？梢姡撛膿饺腼@著提高了瀝青混合料的抵抗變形能力。同時可以看出，5℃時瀝青混合料的動態(tài)模量均大于35℃時。這是由于瀝青混合料本身對溫度很敏感，隨著溫度的升高，瀝青的粘度逐漸降低，動態(tài)模量隨之降低，在車輛荷載作用下更易變形，這也是夏季容易出現(xiàn)車轍的原因；而在較低的溫度下，瀝青混合料更趨向于彈性材料，此時凝固的瀝青可以承擔更多的外界荷載，難以變形，因此動態(tài)模量較高。

鋼渣瀝青混合料動態(tài)模量隨鋼渣摻入量的加大而提升，在35 ℃時的提升幅度大于5 ℃時的提升幅度。說明溫度越高，鋼渣對瀝青混合料抗變形能力的影響越大。在相同溫度條件下，鋼渣摻量的增加與混合料的動態(tài)模量是呈正相關，但增加的幅度比溫度條件影響要小得多。鋼渣摻量越高，混合料抗變形能力越好。

2.3 抗滑性能

良好的抗滑特性有利于車輛安全行駛，因此研究不同鋼渣摻量的瀝青混合料抗滑性能十分必要。不同鋼渣摻量混合料的抗滑性能參數(shù)如圖2所示。

圖2 不同鋼渣摻量瀝青混合料的抗滑性能

由圖2可知，鋼渣的摻入對瀝青混合料的抗滑性能具有一定提升，但效果不顯著?；旌狭蠑[值隨鋼渣摻量的增加而先增大后減小，當鋼渣摻量為20%時，瀝青混合料的擺值達到最大值。100%摻量的鋼渣瀝青混合料擺值和天然集料瀝青混合料相等。

同樣的，鋼渣瀝青混合料在摩擦系數(shù)方面也表現(xiàn)出類似的規(guī)律。摩擦系數(shù)隨著鋼渣摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在鋼渣摻量為40%時達到最大值。分析認為：鋼渣的表面粗糙，棱角性好，可以與瀝青包裹形成粗糙的表面，因此摻加鋼渣能提升混合料的抗滑性能。劉興成[3]認為，當鋼渣用量進一步提高時，抗滑性能會有所下降，這是因為雖然鋼渣棱角性較好，但鋼渣呈立方體形狀，表面凸起的尖銳程度有可能降低，影響混合料的摩擦性能。因此，從提高瀝青混合料的抗滑性能角度考慮，鋼渣的摻量不宜高于60%。

3 結論

1) 鋼渣不宜全部替代天然集料，實際中多采用鋼渣和天然集料復配的方式。鋼渣的物理力學性能優(yōu)良，其各項性能指標均滿足規(guī)范要求。

2) 隨著鋼渣摻量的提高，瀝青混合料的動穩(wěn)定度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當鋼渣摻量為40%時，瀝青混合料的動穩(wěn)定度達到最大值，為7532次 /mm。

3) 鋼渣摻量的增加與混合料的動態(tài)模量成正比，溫度越高，鋼渣對瀝青混合料抗變形能力的影響越大。

4) 鋼渣的摻入對瀝青混合料的抗滑性能具有一定提升，但效果不顯著。隨鋼渣摻量的增加瀝青混合料的抗滑性能先增大后減小,100%摻量的鋼渣瀝青混合料擺值和天然集料瀝青混合料相等。因此，從提高瀝青混合料的抗滑性能角度考慮，鋼渣的摻量不宜高于60%。