李冷雪， 陳 萌， 高 穎， 蔡艷霞

(1.中建路橋集團(tuán)有限公司, 河北 邯鄲 056107； 2.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河北 邯鄲 056107； 3.中路高科公路技術(shù)有限公司， 北京 100088)

鋼渣每年的年產(chǎn)量巨大，將其應(yīng)用于道路工程是實(shí)現(xiàn)其大綜利用的主要途徑[1-2]，而解決鋼渣體積安定性不良問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)鋼渣開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵[3]。大量研究表明，鋼渣體積安定性不足主要是鋼渣中的f-CaO遇水反應(yīng)生成Ca(OH)2造成的[4-5]。

為解決鋼渣體積膨脹性問(wèn)題，眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。張妍等[6]通過(guò)碳酸化對(duì)鋼渣進(jìn)行了處理；Huo[7]采用磷酸對(duì)鋼渣進(jìn)行了改性處理；尹嘯等[8]在高溫中配加SiO2基酸化劑對(duì)鋼渣進(jìn)行穩(wěn)鈣改質(zhì)處理，降低了f-CaO的含量。目前鋼渣改性的方法主要用酸改性和高溫重構(gòu)，這不僅易造成污染，且操作工藝復(fù)雜，生成的產(chǎn)物還不易控制。為此，尋找一種改性效果良好且改性工藝簡(jiǎn)單的鋼渣改性技術(shù)十分緊要。Sabapathy[9]提出，對(duì)鋼渣表面孔隙進(jìn)行封閉處理可有效提高鋼渣體積安定性。Chen等[10]研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)硅樹(shù)脂改性鋼渣可在鋼渣表面生成一層致密的薄膜，從而達(dá)到抑制鋼渣遇水膨脹的效果。

若要將鋼渣應(yīng)用到瀝青路面中，不僅要保證鋼渣自身的體積穩(wěn)定性，鋼渣瀝青混合料還要滿足各項(xiàng)性能要求。張彩利、申愛(ài)琴等[11-12]發(fā)現(xiàn)鋼渣作為粗集料加入到瀝青混合料中，可提高其路用性能。

在已有研究基礎(chǔ)上，本文采用甲基硅酸鈉溶液對(duì)鋼渣進(jìn)行表面改性處理，通過(guò)分析研究改性前后鋼渣的物理性能和浸水膨脹率，探究鋼渣的改性機(jī)理，將改性鋼渣替代粗骨料進(jìn)行鋼渣瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)；通過(guò)對(duì)比石灰?guī)r瀝青混合料和鋼渣瀝青混合料，研究甲基硅酸鈉溶液改性鋼渣瀝青混合料各項(xiàng)性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1) 瀝青

本試驗(yàn)選用山東某公司生產(chǎn)的70#瀝青，其基本指標(biāo)見(jiàn)表1。

2) 集料

細(xì)集料采用石灰?guī)r，其硫酸鈉堅(jiān)固性為7%，碎石含量為8%，集料棱角性為47%，砂當(dāng)量為75%。試驗(yàn)選取邯鄲地區(qū)的飲用水，pH值控制在7左右。

3) 鋼渣

粗集料選用邯鄲市邯鋼生產(chǎn)的自然陳化3個(gè)月的鋼渣，使用4.75 mm～16 mm粒徑的鋼渣等體積替代天然石料，鋼渣的基本指標(biāo)見(jiàn)表2、表3。

表1 基質(zhì)瀝青的基本指標(biāo)

由表2可知，鋼渣的膨脹率不滿足規(guī)范要求，因此在進(jìn)行道路工程施工時(shí)需要抑制鋼渣的膨脹。

表2 鋼渣的物理力學(xué)指標(biāo)

表3 鋼渣的化學(xué)成分

4) 甲基硅酸鈉溶液

甲基硅酸鈉溶液是一種有機(jī)硅防水劑，無(wú)色透明液體，相對(duì)密度1.25，固含量46%，pH值大于等于13。

1.2 改性鋼渣的制備

將甲基硅酸鈉溶液稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、4%、5%，然后取相同質(zhì)量的鋼渣在稀釋好的溶液中浸泡12 h，如圖1所示。浸泡過(guò)程中每隔30 min對(duì)其進(jìn)行一次攪拌，浸泡結(jié)束后取出鋼渣，自然風(fēng)干。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

使用甲基硅酸鈉溶液改性4.75 mm～16 mm粒徑的鋼渣，將制備好的改性鋼渣替代相應(yīng)粒徑的石灰?guī)r集料，采用等體積替換的方法設(shè)計(jì)AC-16型鋼渣/改性鋼渣瀝青混合料級(jí)配[13]，并成型馬歇爾試件，由此得出瀝青混合料的級(jí)配和最佳油石比，見(jiàn)表4、表5。

圖1 改性鋼渣的制備

表4 3種不同瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)

表5 瀝青混合料的最佳油石比 %

由表5可知，鋼渣經(jīng)過(guò)改性后，制備出的改性鋼渣瀝青混合料油石比較鋼渣瀝青混合料下降了0.1%。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性鋼渣的性能

為確定不同改性濃度對(duì)鋼渣改性效果的影響，分別測(cè)試了3種改性濃度下改性鋼渣的吸水率、壓碎值、磨耗值、浸水膨脹率，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，微觀圖像如圖2所示。

表6 改性鋼渣的基本性能指標(biāo)

(a) 改性鋼渣微觀圖像(b) 未改性鋼渣微觀圖像

由表6可知，隨著改性濃度的不斷升高，吸水率、壓碎值、磨耗值和膨脹率均出現(xiàn)不同程度的下降，表明鋼渣經(jīng)過(guò)改性后，各項(xiàng)性能指標(biāo)均出現(xiàn)提升。對(duì)比未改性鋼渣，7%濃度的改性劑將鋼渣的吸水率、壓碎值、磨耗值和膨脹率分別降低了46.84%、24.63%、29.86%、42.80%。結(jié)合圖2分析可知，鋼渣表面孔隙較多，增大了與水的接觸面積，導(dǎo)致吸水率過(guò)高，鋼渣中的f-CaO遇水極易生成Ca(OH)2結(jié)晶體，致使鋼渣體積膨脹。鋼渣改性后，表面出現(xiàn)了一層樹(shù)脂薄膜，這不僅有效封閉了鋼渣表面的孔隙和裂紋，還保持了鋼渣表面的粗糙程度[14-15]，不但有效降低了吸水率，而且抑制了鋼渣的體積膨脹，同時(shí)降低了鋼渣的壓碎值和磨耗值。這表明樹(shù)脂薄膜具有一定強(qiáng)度，在荷載作用下可提高鋼渣的整體性能。

綜合表6試驗(yàn)結(jié)果，選用濃度為7%的甲基硅酸鈉溶液對(duì)鋼渣進(jìn)行改性，并與石灰?guī)r瀝青混合料和鋼渣瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試其路用性能和體積穩(wěn)定性。

2.2 高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗(yàn)對(duì)3種瀝青混合料的高溫性能進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表7。石灰?guī)r瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度最低，改性鋼渣瀝青混合料分別較鋼渣瀝青混合料和石灰?guī)r瀝青混合料提高了20.9%和83.5%，表明改性鋼渣瀝青混合料具有更優(yōu)的高溫穩(wěn)定性。分析原因，與石灰?guī)r相比，鋼渣表面粗糙，在荷載作用下與集料間摩擦力更大，抗剪能力增強(qiáng)[16]；經(jīng)過(guò)改性后，表面生成了一層防水樹(shù)脂薄膜，具有一定的強(qiáng)度，可提高鋼渣的整體性能，進(jìn)而增強(qiáng)高溫穩(wěn)定性。

表7 車轍試驗(yàn)結(jié)果

2.3 低溫抗裂性

采用低溫劈裂試驗(yàn)測(cè)試混合料的低溫抗裂性能，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，3種瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度分別是：改性鋼渣瀝青混合料>鋼渣瀝青混合料>石灰?guī)r瀝青混合料。相較于鋼渣瀝青混合料，改性鋼渣瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度提高了10.9%，瀝青混合料的低溫性能主要與瀝青混合料的變形能力有關(guān)，說(shuō)明鋼渣經(jīng)過(guò)改性后作為骨料加入到瀝青混合料中，可有效提高瀝青混合料的抗變形能力，改善低溫抗裂性能。

圖3 低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果

2.4 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)測(cè)試混合料的水穩(wěn)定性，結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，3種瀝青混合料的水穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。其中，改性鋼渣瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度最高，鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性能低于石灰?guī)r瀝青混合料。主因是鋼渣表面較多的孔隙增大了與水接觸的面積，鋼渣中的f-CaO水化導(dǎo)致鋼渣體積膨脹，降低了鋼渣瀝青混合料的整體強(qiáng)度，致使水穩(wěn)定性不足。鋼渣經(jīng)過(guò)改性后，表面生成了一層不溶于水的樹(shù)脂薄膜，將鋼渣表面包裹住，不僅阻止了鋼渣與水的接觸，抑制鋼渣體積膨脹，還進(jìn)一步增大了鋼渣的比表面積，可充分吸附瀝青。此外，樹(shù)脂薄膜呈堿性，瀝青呈弱酸性，進(jìn)一步增大了兩者之間的粘附作用。在動(dòng)水作用下，瀝青膜更加穩(wěn)固，不易剝落[15]，從而提高了水穩(wěn)定性。

2.5 體積穩(wěn)定性

將鋼渣瀝青混合料和改性鋼渣瀝青混合料在60 ℃的水浴環(huán)境中浸水120 h，測(cè)得的體積膨脹率曲線如圖5所示。

由圖5可知，鋼渣瀝青混合料和改性鋼渣瀝青混合料72 h的體積膨脹率均滿足規(guī)范中小于1.5%的要求。鋼渣瀝青混合料的體積膨脹率曲線分為OB段和BC段，OB段曲線的斜率逐漸減小，表明鋼渣瀝青混合料體積膨脹的速率逐漸降低，但BC段曲線速率急劇上升，體積膨脹的速率不斷增大。這表明鋼渣瀝青混合料在浸水初期，包裹在鋼渣表面的瀝青膜起到阻水作用，抑制了鋼渣的體積膨脹，減緩了體積膨脹的速率，但隨著水分不斷進(jìn)入混合料，瀝青膜逐漸從鋼渣表面剝落，裸露出來(lái)的鋼渣與水分接觸，迅速水化，造成鋼渣體積膨脹的速率不斷增大。2條曲線初期的走勢(shì)相同，都是由于瀝青膜的作用減緩了混合料的體積膨脹，但后期兩者差距越來(lái)越大，主要是因?yàn)樵跒r青膜逐漸脫落后，改性鋼渣表面生成的樹(shù)脂薄膜進(jìn)一步阻止了鋼渣與水分的接觸，抑制了鋼渣的體積膨脹。改性鋼渣瀝青混合料的體積膨脹率曲線后期走勢(shì)較為平緩，也進(jìn)一步表明改性鋼渣瀝青混合料具有更加優(yōu)異的體積穩(wěn)定性。

圖4 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

圖5 體積穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

1) 采用7%濃度的甲基硅酸鈉溶液對(duì)鋼渣進(jìn)行改性處理，可明顯提高鋼渣的物理力學(xué)性能，降低體積膨脹率；通過(guò)SEM掃描觀測(cè)，甲基硅酸鈉溶液可在鋼渣表面形成一層樹(shù)脂薄膜，可有效包裹住鋼渣，阻止水分入侵。

2) 與鋼渣瀝青混合料相比，改性鋼渣瀝青混合料的油石比降低了0.1%，表明改性鋼渣作為骨料能有效減少對(duì)瀝青的消耗，節(jié)約工程成本。

3) 鋼渣經(jīng)過(guò)改性后，有效降低了體積膨脹率，增大了與瀝青的粘附作用，且因表面粗糙，骨料間摩擦力大，使得改性鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性能均優(yōu)于石灰?guī)r瀝青混合料和鋼渣瀝青混合料。

4) 與鋼渣瀝青混合料相比，改性鋼渣瀝青混合料具有更高的體積穩(wěn)定性，浸水120 h后，改性鋼渣瀝青混合料的體積穩(wěn)定性提高了51.3%。