楊泓全 ， 王龍林， 王祺順， 王文盛

(1.廣西新發(fā)展交通集團有限公司， 廣西 南寧 530000； 2.廣西交科集團有限公司， 廣西 南寧 530007； 3.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司, 湖南 長沙 410015； 4.吉林大學(xué)， 吉林 長春 130022)

隨著交通運輸業(yè)的發(fā)展，瀝青混合料被廣泛地應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)[1]，瀝青混合料一般被認為是復(fù)雜的多孔材料，由瀝青，骨料，填料和孔隙組成[2]。然而，由于大部分瀝青路面結(jié)構(gòu)暴露在自然環(huán)境中，凍融循環(huán)作用對瀝青混合料的凍融耐久性產(chǎn)生了挑戰(zhàn)，特別是在季節(jié)性冷凍區(qū)域[3]，凍融循環(huán)作用引起瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)龜裂，從而衰減瀝青混合料的路用性能。因此，提高瀝青混合料的凍融耐久性是十分必要的。

鋼渣是煉鋼過程中的廢渣，隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，鋼渣的產(chǎn)量迅速增加。然而僅有少部分鋼渣得到有效地利用[4-5]，大部分的鋼渣采用掩埋[6]等方式處理，占用了大量土地資源的同時污染環(huán)境。鋼渣具有優(yōu)異的機械性能，并且與天然骨料相比，鋼渣具有較好的表面粗糙度和耐磨性[7-9]。因此，可以采用鋼渣替代天然骨料制備瀝青混合料，有助于解決天然骨料短缺和鋼渣引起的環(huán)境污染問題。

近年來，關(guān)于鋼渣對瀝青混合料性能的影響已經(jīng)得到了廣泛的研究。楊俊霖[10]等采用鋼渣作為粗骨料制備鋼渣瀝青混合料并與石灰?guī)r瀝青混合料進行對比，試驗結(jié)果表明，鋼渣瀝青混合料的路用性能要優(yōu)于石灰?guī)r瀝青混合料。ARABANI[11]等采用英安巖，再生骨料和鋼渣制備瀝青混合料，通過馬歇爾穩(wěn)定度、間接拉伸彈性模量和動態(tài)蠕變等參數(shù)評價瀝青混合料的性能，結(jié)果表明，采用鋼渣粗骨料和再生細骨料制備的瀝青混合料性能最好。PHAN[12]等以鋼渣取代部分天然骨料制備瀝青混合料，以瀝青混合料在微波加熱下的愈合性能為評價指標(biāo)，試驗結(jié)果表明，30%鋼渣取代率的瀝青混合料具有最佳的裂縫修復(fù)性能。申愛琴[13]等研究了鋼渣對瀝青混合料疲勞性能的影響，當(dāng)鋼渣取代率達到30%時，瀝青混合料的疲勞性能最佳。

瀝青混合料的凍融耐久性能也獲得了廣泛的關(guān)注。馬芹永[14]等研究了凍融循環(huán)對瀝青混合料劈裂抗拉強度的影響，結(jié)果表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的劈裂強度出現(xiàn)大幅度下降。馮蕾[15]等報道了凍融循環(huán)對瀝青混合料的空隙率、劈裂強度和馬歇爾模數(shù)有較大的負面影響。XU[16]等研究了經(jīng)凍融循環(huán)后的瀝青混合料的滲透性。YAN[17]等通過凍融劈裂試驗、車轍試驗和馬歇爾穩(wěn)定度試驗研究分析了凍融循環(huán)作用對實石質(zhì)瀝青混合料的影響。

雖然有學(xué)者對瀝青混合料的路用性能和凍融耐久性能進行了研究，但很少關(guān)于鋼渣瀝青混合料(Steel Slag Asphalt Mixture，SAM0)的凍融耐久性的研究。本文采用等體積替代法，研究不同鋼渣取代率(0%、25%、50%、75%和100%)對SAM的路用性能和凍融耐久性的影響，并得出最佳鋼渣取代率，為SAM在季凍區(qū)的工程應(yīng)用和后續(xù)研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

粗骨料選用鋼渣和玄武巖，其基本指標(biāo)如表1所示，并符合《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)要求[18]。玄武巖粗骨料和鋼渣粗骨料外觀如圖1所示。由于鋼渣細骨料表面不潔凈且膨脹性較大，細骨料采用玄武巖細骨料，其基本指標(biāo)如表2所示。

表1 玄武巖和鋼渣粗骨料基本指標(biāo)Table 1 Basic indexes of basalt and steel slag coarse aggregate類別洛杉磯磨耗值/%針片狀含量/%壓碎值/%膨脹率/%黏附性/級不同骨料(mm)的表觀相對密度/(g·cm-3)不同骨料(mm)的吸水率/%13.29.54.752.3613.29.54.752.36玄武巖 18.4 4.9 17 0.17 42.892.822.832.670.4 0.410.570.98鋼渣 11.6 4.11 13.6 0.42 53.723.794.083.391.341.411.451.59規(guī)范≤28 ≤10 ≤26 ≤2.0 ≥4≥2.6 ≤2.0

(a)玄武巖骨料

表2 玄武巖細骨料基本指標(biāo)Table 2 Basic indexes of basalt fine aggregate表觀相對密度/(g·cm-3)砂當(dāng)量/%棱角性/s測試值2.636744規(guī)范≥2.5≥60≥30

為了保證骨料和集料有足夠的黏結(jié)力，瀝青采用SBS改性瀝青，其基本指標(biāo)如表3所示，并滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2005)要求[19]。礦粉基本指標(biāo)如下：表觀相對密度的測試值為2.61 g/cm3，規(guī)范為≥2.5 g /cm3。

表3 瀝青基本指標(biāo)Table 3 Basic indexes of asphalt類別針入度(25 ℃)/(0.1 mm)軟化點/℃延度(5 ℃)/cm軟化點/℃測試值60.863.642.4263規(guī)范值60～80≥55≥30≥230老化后質(zhì)量損失率/%針入度比(25 ℃)/%延度(5 ℃)/cm0.26 69 32≤±1.0≥60≥20

1.2 配合比設(shè)計

為了避免骨料比重差異對試驗結(jié)果的影響，以0%、25%、50%、75%、100%的鋼渣等體積替代玄武巖粗骨料，分別記為SAM0、SAM25、SAM50、SAM75和SAM100。由于AC-13級配應(yīng)用最為廣泛，級配采用AC-13級配中值，各組級配如表4所示?；隈R歇爾設(shè)計法，SAM0、SAM25、SAM50、SAM75和SAM100最佳油石比分別確定為4.78%、4.72%、4.68%、4.65%和4.62%。

表4 配合比Table 4 Mix proportion篩孔尺寸/mm上限SAM0SAM25SAM50SAM75SAM100下限0.075865.75.45.14.940.1515109.59.08.68.250.32013.512.812.111.611.070.6281918.017.116.315.5101.183826.525.123.822.721.6152.36503735.033.331.730.2244.75685351.249.648.146.8389.58576.575.975.474.974.46813.21009594.994.994.894.79016100100100100100100100

1.3 試件制備

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)[20]。首先將骨料和填料放在180 ℃烘箱中烘烤6 h，同時將SBS瀝青加熱到180 ℃。然后將預(yù)熱后的骨料，SBS瀝青和預(yù)熱后的填料依次放入攪拌鍋中，每次攪拌90 s。最后，采用馬歇爾擊實法對試樣進行擊實，試樣每面擊實50次。將試樣放置24 h后脫模。

1.4 試驗方法

1.4.1車轍試驗

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)，采用車轍試驗來評價鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性[20]。進行車轍試驗的試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。車轍裝置如圖2所示。試驗溫度為60 ℃，車輪載荷為0.7 MPa，車輪速度為每分鐘42次。車轍試驗持續(xù)時間為60min。試件表面的變型通過位移傳感器記錄，SAM動穩(wěn)定度的計算公式如下所示。

圖2 車轍試驗裝置

(1)

式中：DS為鋼渣瀝青混合料的動穩(wěn)定度，次/mm；d1為T1分鐘的垂直變形，mm；T1=45 min；d2為T2分鐘的垂直變形，mm；T2=45 min；C1和C2為試驗機類型系數(shù)和試驗系數(shù)，C1=C2=1.0。

1.4.2低溫劈裂試驗

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)，采用電液伺服材料試驗機進行低溫劈裂試驗[19]，進行低溫劈裂試驗的試件尺寸為φ100×63.5 mm3。試驗如圖3所示。此外，試驗機具有位移傳感器，可以測試SAM試件的垂直變形。試驗溫度為-10 ℃，加載速率為1 mm/min。試驗前，將馬歇爾試件在-10 ℃的環(huán)境中放置6h。間接拉伸強度、破壞應(yīng)變和斷裂能可以通過以下的公式計算得出。

圖3 低溫劈裂試驗

ITS=0.006 284FT/h

(2)

εT=XT×(0.030 7+0.093 6μ)/

(1.35+5μ)

(3)

(4)

XT=YT×(0.135+0.5μ)/

(1.794-0.031 4μ)

(5)

其中,εT為破壞應(yīng)變；E為斷裂能，J；XT為水平變形，mm；μ為泊松比(當(dāng)試驗溫度為25 ℃時μ=0.25，當(dāng)測試溫度為-10 ℃時μ=0.25)；FT為峰值荷載，kN；Y0為修正后的初始位移，mm；YT為臨界位移，mm。

1.4.3水穩(wěn)定性

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)，沉浸式馬歇爾和凍融劈裂試驗是評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的常用方法[19]。

a.浸水馬歇爾試驗。

進行馬歇爾試驗前，將試件放在60 ℃的恒溫水浴中浸泡30 min，同時將馬歇爾測試儀的上下夾頭也置于60 ℃的恒溫水浴中浸泡30 min。將試件放在上下夾頭間，啟動馬歇爾測試儀，記錄馬歇爾穩(wěn)定度和流值。

b.凍融劈裂試驗。

首先，將標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件放置在97.3～98.7 kPa(730～740 mmHg)的水中15 min，然后在大氣壓下浸入水中30 min。隨后，將標(biāo)本在空氣中置于-18 ℃的環(huán)境中冷凍16 h，然后在60 ℃的恒溫水浴中融化24 h。將完成凍融后的馬歇爾試件進行劈裂試驗。

1.4.4凍融耐久性

凍融耐久性試驗是對試件進行凍融循環(huán)處理。試件在氣凍16 h后，放在60 ℃的恒溫水浴中融化8 h，該過程視為一次循環(huán)。一共進行20次凍融循環(huán)試驗，每5次測試試樣的劈裂強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫性能

高溫性能是瀝青混凝土的關(guān)鍵指標(biāo)，如果高溫性能不足，會導(dǎo)致路面產(chǎn)生車轍，影響行車舒適度和安全性。本文以動穩(wěn)定度表征瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。車轍試驗結(jié)果如表5所示。鋼渣替代率對動穩(wěn)定度的影響如圖4所示。

由圖4可知，隨著鋼渣替代率的增加，動穩(wěn)定度顯著提高。相比SAM0，SAM25、SAM50、SAM75和SAM100的動穩(wěn)定度分別提高了59%、80%、116%和134%，說明鋼渣的加入顯著提高了混合料的高溫穩(wěn)定性。這是由于鋼渣具有多棱角性，使骨料之間可以形成嵌鎖結(jié)構(gòu)，降低了混合料在高溫條件下的變形。因此，SAM100具有最佳的高溫穩(wěn)定性。

表5 SAM的動穩(wěn)定度Table 5 Dynamic stability of SAM組號動穩(wěn)定度/(次·mm-1)平均值標(biāo)準(zhǔn)差SAM0 1 18523.04SAM251 89233.12SAM502 13634.56SAM752 56545.54SAM1002 78043.38

圖4 鋼渣替代率對SAM動穩(wěn)定度的影響

2.2 低溫性能

低溫性能是指混合料在低溫條件下抵抗開裂的能力;如果低溫性能不足，會導(dǎo)致路面開裂、水分進入，路面性能進一步惡化。在本文中采用低溫劈裂強度和破壞應(yīng)變表征混合料的低溫性能。低溫劈裂強度和破壞應(yīng)變?nèi)绫?所示。鋼渣替代率對低溫劈裂強度和破壞應(yīng)變的影響如圖5所示。

由圖5可知，隨著鋼渣替代率增加，低溫劈裂強度增加。相比SAM0， SAM25、SAM50、SAM75和SAM100的低溫劈裂強度增加了9.6%、14.5%、18.6%和20.2%，在100%替代率時，低溫劈裂強度取得最大值。但隨著鋼渣替代率的變化，低溫破壞應(yīng)變沒有明顯的規(guī)律，說明鋼渣的加入對低溫破壞應(yīng)變沒有太大的影響。

表6 SAM的低溫劈裂強度和低溫破壞應(yīng)變Table 6 Low-temperature splitting strength and failure strain of SAM組號低溫劈裂強度/MPa低溫破壞應(yīng)變/10-6平均值標(biāo)準(zhǔn)差平均值標(biāo)準(zhǔn)差SAM0 3.0210.0613 08556.42SAM253.3120.0523 15658.21SAM503.4580.0452 98551.23SAM753.5840.0563 05049.85SAM1003.6320.0753 18665.22

圖5 鋼渣替代率對低溫劈裂強度和破壞應(yīng)變的影響

低溫抗裂性應(yīng)綜合考慮破壞應(yīng)力和破壞應(yīng)變，破壞應(yīng)力越大且破壞應(yīng)變越大，低溫抗裂性越好。低溫斷裂能是荷載沿位移的積分，綜合考慮了應(yīng)力和應(yīng)變。因此，本文引入低溫斷裂能作為低溫評價的指標(biāo)。SAM的低溫斷裂能如表7所示。鋼渣替代率對斷裂能的影響如圖6所示。

如圖6所示，隨著鋼渣替代率增加，斷裂能增加。斷裂能在100%鋼渣替代率時取得最大值 (22.3 J)，且相比SAM0增加47.7%，說明100%鋼渣的加入顯著提高了混合料的低溫抗裂性。

表7 SAM的低溫斷裂能Table 7 Low-temperature fracture energy of SAM組號低溫斷裂能/J平均值標(biāo)準(zhǔn)差SAM0 15.10.31SAM2518.50.33SAM5018.90.36SAM7520.30.35SAM10022.30.41

圖6 鋼渣取代率對SAM低溫斷裂能的影響

2.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性是指混合料抵抗水損傷的能力，水穩(wěn)定性不足，會導(dǎo)致集料剝落、強度降低，降低路面使用壽命。在本文中采用凍融劈裂強度比和殘留穩(wěn)定度表征混合料的水穩(wěn)定性。水穩(wěn)定性試驗結(jié)果如表8所示。鋼渣替代率對凍融劈裂強度比和殘留穩(wěn)定度的影響如圖7所示。

由圖7可知，隨著鋼渣替代率的增加，凍融劈裂強度比和殘留穩(wěn)定度呈現(xiàn)相同的趨勢并逐漸增加，說明鋼渣的加入提高了混合料的水穩(wěn)定性。SAM100的凍融劈裂強度比和殘留穩(wěn)定度分別達到了97.3%和97.8%，SAM100具有最好的水穩(wěn)定性。

表8 SAM的凍融劈裂強度比和殘留穩(wěn)定度Table 8 Freeze-thaw splitting strength ratio and residual stability of SAM 組號凍融劈裂強度比/%殘留穩(wěn)定度/%平均值標(biāo)準(zhǔn)差平均值標(biāo)準(zhǔn)差SAM093.20.2394.50.32SAM2595.10.3195.30.34SAM5096.50.2696.80.25SAM7596.80.2397.10.27SAM10097.30.2497.80.35

圖7 鋼渣替代率對凍融劈裂強度比和殘留穩(wěn)定度的影響

2.4 凍融耐久性

在季節(jié)性冷凍區(qū)域，路面受到反復(fù)的凍融循環(huán)作用，強度降低，導(dǎo)致在低于設(shè)計荷載情況下，路面容易發(fā)生開裂和破壞，使用壽命降低。本文以凍融循環(huán)下的劈裂強度，及其損失率作為指標(biāo)，表征凍融循環(huán)作用對SAM性能影響。在25、50、75和100次凍融循環(huán)作用下SAM的劈裂強度如表7所示，其劈裂強度損失率如表8所示。在凍融循環(huán)作用下SAM的劈裂強度如圖8所示。在凍融循環(huán)下SAM的劈裂強度損失率如圖9所示。

圖9 各組凍融循環(huán)次數(shù)對劈裂強度損失率的影響

由表9可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，SAM的劈裂強度逐漸下降，在20次凍融循環(huán)后，SAM0、SAM25、SAM50、SAM75和SAM100的劈裂強度分別降低到了0.59、0.71、0.80、0.89和0.98 MPa，表明了凍融循環(huán)顯著降低了SAM的劈裂強度。這是由于反復(fù)的凍脹作用增大了混合料的空隙率，降低了骨料和膠結(jié)料的黏結(jié)力，使混合料內(nèi)部產(chǎn)生缺陷。

由圖8可知，在凍融循環(huán)次數(shù)相同時，隨著鋼渣替代率的增加，劈裂強度增加。對于0、5、10、

圖8 各組凍融循環(huán)次數(shù)對劈裂強度的影響

表9 凍融循環(huán)后SAM的劈裂強度Table 9 Compressive strength and compressive strength loss of SPC after freeze-thaw cycle循環(huán)次數(shù)凍融循環(huán)后劈裂強度/MPaSAM0SAM25SAM50SAM75SAM100 0次1.031.211.321.401.44 5次0.830.981.081.181.2810次0.710.840.951.051.1215次0.610.730.830.930.9920次0.540.650.740.830.94

15和20次凍融循環(huán)次數(shù)下，SAM100的劈裂強度分別比SAM0高39.8 %、58.4 %、61.2 %、62.3%和66.1 %，表明了鋼渣的加入可以明顯提高混合料的劈裂強度。這一方面是由于鋼渣骨料強度高于天然骨料，提高了混合料的強度；另一方面鋼渣表面具有棱角性，增強了混合料顆粒間的嵌擠力。此外，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，劈裂強度衰變曲線斜率逐漸降低，并趨于平穩(wěn)，說明前期的凍融作用對混合料性能影響較大。

由表10可知，凍融劈裂強度損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而升高。在凍融循環(huán)次數(shù)相同條件下，SAM100的劈裂強度損失率低于其他組。在20次凍融循環(huán)后， SAM100的凍融損失率為31.94 %，相比對照組(SAM0)降低了10.77 %，說明鋼渣的加入提高了混合料的凍融耐久性。這是由于鋼渣骨料表面粗糙多孔，增強了骨料和膠結(jié)料間的黏結(jié)力，提高了混合料的凍融耐久性。因此，SAM100具有最優(yōu)的凍融耐久性。

表10 凍融循環(huán)后SAM的劈裂強度損失率Table 10 Compressive strength and compressive strength loss of SPC after freeze-thaw cycle循環(huán)次數(shù)凍融循環(huán)后劈裂強度損失率 /%SAM0SAM25SAM50SAM75SAM100 5次25.2423.9722.7320.0015.2810次34.9533.8831.0627.8625.0015次40.7839.6737.1233.5731.2520次42.7241.3239.3936.4331.94

3 結(jié)論

在本文中，采用鋼渣等體積替代粗骨料，制備適應(yīng)季凍區(qū)的SAM，研究了鋼渣替代率(0%、25%、50%、75%和100%)對混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和凍融耐久性的影響，基于試驗結(jié)果，可以得出如下的結(jié)論：

a.鋼渣的加入顯著提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。相比對照組，含有100%鋼渣的混合料動穩(wěn)定度提高了134%。

b.鋼渣加入改善了低溫抗裂性。隨著鋼渣替代率的提高，低溫劈裂強度提高，但低溫破壞應(yīng)變沒有明顯規(guī)律。低溫斷裂能隨著鋼渣替代率增加顯著提高，相比對照組，含有100%鋼渣的混合料低溫斷裂能提高47.7%。

c.鋼渣的加入改善了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。隨著鋼渣替代率的增加，凍融劈裂強度比和殘留穩(wěn)定度均出現(xiàn)增加。當(dāng)鋼渣替代率100%時，混合料水穩(wěn)定性最優(yōu)。

d.SAM的凍融耐久性隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而劣化。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)相同時，瀝青混合料的劈裂強度損失率隨著鋼渣替代率的增加而降低，在100%替代率時取得最小值，表明含有100%鋼渣的瀝青混合料凍融耐久性最優(yōu)。

e.綜合考慮SAM的路用性能和凍融耐久性，鋼渣最佳替代率為100%。