呂威威

(新疆交投工程咨詢有限責(zé)任公司,烏魯木齊 830000)

鋼鐵產(chǎn)業(yè)作為我國經(jīng)濟建設(shè)和工業(yè)發(fā)展的重要原材料,截止2022年鋼渣尾渣等固體廢物堆存量已超過20億t,占比超20余萬畝[1,2]。鋼渣作為碎石材料的替代品是土木工程領(lǐng)域固體垃圾再利用的重要手段之一[3,4]。與傳統(tǒng)的碎石相比,鋼渣具有壓碎值低、耐磨、表面粗糙等優(yōu)點,但也具有吸水膨脹導(dǎo)致混凝土抗裂性、水穩(wěn)定性不足等問題[5]。于洋等[6]利用鋼渣結(jié)合其他固體廢物制備超高性能混凝土,實現(xiàn)了鋼渣的高摻量再利用。李曉剛等[7]提出了鋼渣的體積安定性評價方法和控制指標。張爭奇等[8]分析了鋼渣摻量、粒徑大小對瀝青混合料的抗滑性能進行了系統(tǒng)分析,并推薦了最佳鋼渣摻量(75%)。由此可見,鋼渣被用于瀝青混合料已經(jīng)開展較多研究,且得到了較廣泛的發(fā)展。然而,在開級配透水混凝土方面的應(yīng)用卻較少。大孔隙開級配磨耗層OGFC透水瀝青混合料對骨料的力學(xué)性能較高,同時要求具有較高的抗滑和水穩(wěn)定性[9]。鑒于此,結(jié)合OGFC的應(yīng)用要求,研究鋼渣/纖維對改性O(shè)GFC的性能影響,為鋼渣在排水瀝青路面工程的推廣應(yīng)用提供參考。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

試驗用瀝青為新疆某高黏改性瀝青SBS-Ⅰ,瀝青技術(shù)指標見表1。

表1 瀝青技術(shù)指標

試驗用聚酯纖維厚度約為20 μm,長度為12 mm,斷裂伸長率最高為35%,抗拉強度為600 MPa,滿足路用纖維的性能要求。鋼渣集料來自于河北石家莊某鋼鐵廠提供的轉(zhuǎn)爐鋼渣,粒徑為4.75～16 mm,顏色為深褐色,表面粗糙多孔,但形狀較為規(guī)則且統(tǒng)一,還具有一些囊狀結(jié)構(gòu),是較優(yōu)良的鋼渣集料。采用石灰?guī)r骨料配制瀝青混合料,集料堅硬、表面光滑且潔凈、富有棱角、孔隙極少,為機制砂。鋼渣和石灰?guī)r的主要物理性能指標見表2。

表2 集料的基本物理性能

采用XRF對鋼渣和石灰?guī)r的化學(xué)組成進行測試,結(jié)果見表3。鋼渣的主要化學(xué)組成為CaO,主要的化學(xué)元素包括鈣、鐵和鋁。鋼渣的堿度為2.72,屬于高堿度鋼渣,與瀝青具有較好的粘附性。鋼渣和石灰?guī)r集料的各項指標均滿足瀝青混合料所用集料的技術(shù)標準。

表3 集料的基本化學(xué)組成

1.2 試驗方案

采用馬歇爾設(shè)計方法,按照體積法配制OGFC-13混合料,對預(yù)先篩分好的各檔石灰?guī)r集料及礦粉進行級配組成設(shè)計,將鋼渣集料(13.2～16 mm、13.2～9.5 mm、4.75～9.5 mm)分四種不同替代率(25%、50%、75%、100%)等體積替代相同粒級的石灰?guī)r集料;考慮聚酯纖維對瀝青混合料性能的影響,設(shè)置了五種纖維摻量(0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%)。根據(jù)設(shè)定的配合比,采用半圓彎曲試驗探究不同鋼渣摻量和纖維摻量對鋼渣瀝青混合料的低溫抗裂性能。

1.3 配合比設(shè)計

采用開級配骨架密實型OGFC-13級配(圖1)。根據(jù)開級配瀝青混合料的配合比設(shè)計方法,采用析漏試驗和飛散試驗確定最佳瀝青用量。按照經(jīng)驗法為不同鋼渣替代率下的混合料確定初始瀝青用量,并以0.5%梯度進行試驗,確定不同鋼渣替代率下的最佳瀝青用量;隨后,進一步試驗確定包含不同纖維摻量下的最佳瀝青用量;通過5×36次試驗,確定不同試驗組的最終配合比設(shè)計參數(shù),結(jié)果見表4。

表4 試驗配合比及對應(yīng)最佳油石比

由表4可知,在其他因素保持恒定下,最佳瀝青用量隨著鋼渣摻量增加而提高,約0.2%～0.3%/梯度;類似地,在鋼渣摻量不變情況下,最佳瀝青用量受纖維摻量的影響較少,但仍然隨其摻量增加而提高,但僅為0.05%～0.1%/梯度。因為鋼渣的吸水率高于石灰?guī)r,使得在拌合過程中隨著鋼渣增加,瀝青用量逐漸提高。類似地,纖維摻量的增加將使得混合料更加粘稠,此時需要提高瀝青摻量來提高試件的流值。

2 分析與討論

2.1 極限拉應(yīng)力

根據(jù)試驗規(guī)程成型馬歇爾半圓試件,并將其在0、-10 ℃、-20 ℃下保溫6 h,采用萬能試驗機測試其低溫抗裂性能,加載速率為5 mm/min,停止荷載為0.1 kN。不同試驗溫度和纖維摻量下,鋼渣替代率對瀝青混合料極限拉應(yīng)力的結(jié)果如圖2所示?？傮w上,在試驗溫度和纖維摻量相同的情況下,隨著鋼渣摻量的增加,混合料的極限拉應(yīng)變要么先增大后減少,要么先以低速減少后快速減少;此時判斷最佳鋼渣替代率的方法可通過定點或速率變化的拐點。由此可知,在試驗溫度不變情況下,隨著聚酯纖維摻量的提高,鋼渣最佳替代率將逐漸增加。0 ℃、-10 ℃、-20 ℃下,最佳的鋼渣和纖維摻量組合分別為:25%+0.40%、50%+0.60%、50%+0.60%。因此,在溫度較低時,鋼渣瀝青混合料的最佳摻量應(yīng)為50%+0.60%,此時與傳統(tǒng)瀝青混合料相比,最大極限拉應(yīng)力可達6.41 MPa,增加14.08%。此外,瀝青混合料的抗裂性能受試驗溫度的影響較大,纖維的摻入對瀝青混合料的抗裂性有一定促進作用,但過量的摻加也會降低其性能。隨著纖維摻量的提高,在相同的溫度下,極限拉應(yīng)力先增大后減少,在多數(shù)情況下,均在0.60%達到峰值。

2.2 極限拉應(yīng)變

通常情況下,0 ℃、-10 ℃、-20 ℃下的試驗溫度分別表示粘彈性、玻璃態(tài)。在零下溫度,玻璃態(tài)的瀝青呈現(xiàn)高脆性狀態(tài),塑性降低,易發(fā)生脆性斷裂。因此,針對兩種抗裂類型,除采用上述極限拉應(yīng)力外,該文還采用極限拉應(yīng)變來表征抗裂性能,以反映瀝青混合料在0 ℃與負溫條件下的抗裂特征及差異性,結(jié)果見表4?？傮w上,隨著試驗溫度降低,集料拉應(yīng)變均逐漸降低;無論在何種試驗溫度下,鋼渣和聚酯纖維的摻入對瀝青混合料的抗裂性能的提高均有促進效果,且不同溫度下的改善效果差異顯著。在負溫條件下,纖維的最佳摻量提高0.2%,而鋼渣的最佳替代率也增加,這是因為纖維和瀝青中形成的網(wǎng)狀晶相結(jié)構(gòu)在改善低溫性能方面能發(fā)揮重要作用。此外,與對照組相比,發(fā)現(xiàn)鋼渣50%+纖維0.60%下,瀝青混合料的極限拉應(yīng)變增長速度隨溫度降低而增加,而鋼渣0.25%+纖維0.40%卻與此相反,這是因為前者具有更高的瀝青含量,使得纖維、鋼渣、瀝青具有更強的粘附性和裹附效果,進而具有更高的抗變形能力。

表4 極限拉應(yīng)變結(jié)果

2.3 斷裂能

為進一步分析纖維與鋼渣對瀝青混合料低溫抗裂性效果,選擇最佳鋼渣和纖維摻量,計算了不同試驗溫度下的斷裂能指數(shù),即根據(jù)荷載-位移曲線,計算出試件不同豎向位移與荷載的乘積和,以表征瀝青混合料從加載至斷裂全過程的荷載和豎向位移,結(jié)果如圖3所示。

1)瀝青混合料的斷裂能指數(shù)隨纖維摻量均呈波動式變化,最佳纖維摻量為0.60%。分析原因可知,聚酯纖維均勻的分散在混合料中,能夠形成致密的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),能夠?qū)r青混合料起到加筋固結(jié)效果,且充分分散的纖維可將應(yīng)力傳遞至各個區(qū)域,能夠提高混合料內(nèi)聚能,因此,在破壞性試驗時,所需的斷裂能更大。與對照組(纖維摻量和鋼渣摻量均為0)相比,三種試驗溫度下,其斷裂能分別提高8.69%、29.7%、30.2%。而在其他摻量下斷裂能減少,可能是因為纖維未能充分分布到瀝青混合料內(nèi)部的各個區(qū)域,使得與骨料的搭接效果并不顯著;而類似地,過多的纖維將導(dǎo)致團聚,進而產(chǎn)生應(yīng)力集中。

2)不同鋼渣摻量對瀝青混合料斷裂能的影響規(guī)律相似,最佳鋼渣摻量為50%;與對照組(纖維摻量和鋼渣摻量均為0)相比,三種試驗溫度下,斷裂能分別提高17.3%、14.92%、12.6%,即隨著溫度減少而逐漸減少,說明與纖維相比,瀝青混合料的溫度敏感性受鋼渣摻量影響更大。產(chǎn)生最佳斷裂能的關(guān)鍵在于尋找鋼渣與石灰?guī)r機械嵌擠最佳時機。50%摻量下的鋼渣具有最好搭接效果,使得混合料的內(nèi)粘聚性能較高。由此可見,根據(jù)極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變得出的最佳纖維和鋼渣摻量能夠產(chǎn)生最佳的抗裂效果,尤其是低溫抗裂性能。

2.4 水穩(wěn)定性

采用馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗評估水穩(wěn)定性,結(jié)果見表5。與對照組相比,瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度逐漸提高,最大為95.6%,且劈裂強度比也逐漸增加至88.2%,與對照組相比,兩種性能分別提高了7.2%、8.2%,表明鋼渣/纖維改性瀝青混合料具有較好的水穩(wěn)定性能,且最佳摻量為鋼渣50%+纖維0.60%。

表5 不同溫度下的斷裂能指數(shù)

分析其原因可知,鋼渣摻量過大,使得瀝青混合料表面較為粗糙、孔隙增多、脆性增大,而25%和50%鋼渣摻量下能夠獲得較合適的孔隙率。此時,鋼渣-石灰?guī)r的嵌擠結(jié)構(gòu)通過吸附更多的自由瀝青能夠達到相對穩(wěn)定的狀態(tài),且鋼渣上特殊化學(xué)成分及凹槽結(jié)構(gòu)能夠提高與瀝青的咬合力,從而提高鋼渣和瀝青的粘附性。同時,纖維的摻入提高混合料的斷裂韌性,提高了瀝青和纖維的附著力,進而提高整個瀝青混合料的結(jié)構(gòu)整體性。

3 結(jié) 論

利用極限拉應(yīng)力、極限拉應(yīng)變、斷裂能和殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度指標,分析鋼渣替代率和纖維對瀝青混合料的抗裂、水穩(wěn)定性能的影響。得到主要研究結(jié)論如下:

a.鋼渣摻量對瀝青混合料性能影響顯著;0、-10 ℃、-20 ℃下,最佳的鋼渣和纖維摻量組合分別為:25%+0.40%、50%+0.60%、50%+0.60%。

b.與纖維相比,瀝青混合料的斷裂能隨鋼渣的摻量逐漸減少,纖維的摻入可適當提高斷裂能,因此,纖維在鋼渣改性開級配瀝青混合料是必要的。

c.隨溫度降低,鋼渣瀝青混合料的極限拉應(yīng)力先增大后減少,而極限拉應(yīng)變和斷裂能持續(xù)降低,鋼渣50%+纖維0.60%的組合能產(chǎn)生最佳的抗裂性能,可將斷裂能提高30.2%。

d.鋼渣50%+纖維0.60%可提高8.2%的水穩(wěn)定性能,在開級配瀝青混合料中摻入鋼渣能夠強化級配,聚酯纖維能夠發(fā)揮增粘、加筋作用,提高瀝青混合料水穩(wěn)定性。