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(guó)經(jīng)濟(jì)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(diǎn),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(shí)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(píng)價(jià)方法和控制指標(biāo)。張爭(zhēng)奇等[8]分析了鋼渣摻量、粒徑大小對(duì)瀝青混合料的抗滑性能進(jìn)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(jí)配透水混凝土方面的應(yīng)用卻較少。大孔隙開級(jí)配磨耗層OGFC透水瀝青混合料對(duì)骨料的力學(xué)性能較高,同時(shí)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(duì)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(yàn)方案

1.1 原材料

試驗(yàn)用瀝青為新疆某高黏改性瀝青SBS-Ⅰ,瀝青技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)用聚酯纖維厚度約為20 μm,長(zhǎng)度為12 mm,斷裂伸長(zhǎng)率最高為35%,抗拉強(qiáng)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(jiān)硬、表面光滑且潔凈、富有棱角、孔隙極少,為機(jī)制砂。鋼渣和石灰?guī)r的主要物理性能指標(biāo)見表2。

表2 集料的基本物理性能

采用XRF對(duì)鋼渣和石灰?guī)r的化學(xué)組成進(jìn)行測(cè)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(xiàng)指標(biāo)均滿足瀝青混合料所用集料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 集料的基本化學(xué)組成

1.2 試驗(yàn)方案

采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法,按照體積法配制OGFC-13混合料,對(duì)預(yù)先篩分好的各檔石灰?guī)r集料及礦粉進(jìn)行級(jí)配組成設(shè)計(jì),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(jí)的石灰?guī)r集料;考慮聚酯纖維對(duì)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(yàn)探究不同鋼渣摻量和纖維摻量對(duì)鋼渣瀝青混合料的低溫抗裂性能。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

采用開級(jí)配骨架密實(shí)型OGFC-13級(jí)配(圖1)。根據(jù)開級(jí)配瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)方法,采用析漏試驗(yàn)和飛散試驗(yàn)確定最佳瀝青用量。按照經(jīng)驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn),確定不同鋼渣替代率下的最佳瀝青用量;隨后,進(jìn)一步試驗(yàn)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(yàn),確定不同試驗(yàn)組的最終配合比設(shè)計(jì)參數(shù),結(jié)果見表4。

表4 試驗(yàn)配合比及對(duì)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?yàn)殇撛奈矢哂谑規(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(shí)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(yàn)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(yàn)機(jī)測(cè)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(yàn)溫度和纖維摻量下,鋼渣替代率對(duì)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(yàn)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(shí)判斷最佳鋼渣替代率的方法可通過定點(diǎn)或速率變化的拐點(diǎn)。由此可知,在試驗(yàn)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(shí),鋼渣瀝青混合料的最佳摻量應(yīng)為50%+0.60%,此時(shí)與傳統(tǒng)瀝青混合料相比,最大極限拉應(yīng)力可達(dá)6.41 MPa,增加14.08%。此外,瀝青混合料的抗裂性能受試驗(yàn)溫度的影響較大,纖維的摻入對(duì)瀝青混合料的抗裂性有一定促進(jìn)作用,但過量的摻加也會(huì)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(dá)到峰值。

2.2 極限拉應(yīng)變

通常情況下,0 ℃、-10 ℃、-20 ℃下的試驗(yàn)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(duì)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(fù)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(yàn)溫度降低,集料拉應(yīng)變均逐漸降低;無論在何種試驗(yàn)溫度下,鋼渣和聚酯纖維的摻入對(duì)瀝青混合料的抗裂性能的提高均有促進(jìn)效果,且不同溫度下的改善效果差異顯著。在負(fù)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?yàn)槔w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(duì)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?cè)鲩L(zhǎng)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?yàn)榍罢呔哂懈叩臑r青含量,使得纖維、鋼渣、瀝青具有更強(qiáng)的粘附性和裹附效果,進(jìn)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(jìn)一步分析纖維與鋼渣對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性效果,選擇最佳鋼渣和纖維摻量,計(jì)算了不同試驗(yàn)溫度下的斷裂能指數(shù),即根據(jù)荷載-位移曲線,計(jì)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(dòng)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(gè)區(qū)域,能夠提高混合料內(nèi)聚能,因此,在破壞性試驗(yàn)時(shí),所需的斷裂能更大。與對(duì)照組(纖維摻量和鋼渣摻量均為0)相比,三種試驗(yàn)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?yàn)槔w維未能充分分布到瀝青混合料內(nèi)部的各個(gè)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(tuán)聚,進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力集中。

2)不同鋼渣摻量對(duì)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(duì)照組(纖維摻量和鋼渣摻量均為0)相比,三種試驗(yàn)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(jī)械嵌擠最佳時(shí)機(jī)。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(yàn)評(píng)估水穩(wěn)定性,結(jié)果見表5。與對(duì)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(qiáng)度比也逐漸增加至88.2%,與對(duì)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(shí),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(dá)到相對(duì)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(shí),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(jìn)而提高整個(gè)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(qiáng)度指標(biāo),分析鋼渣替代率和纖維對(duì)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(duì)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(dāng)提高斷裂能,因此,纖維在鋼渣改性開級(jí)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(jí)配瀝青混合料中摻入鋼渣能夠強(qiáng)化級(jí)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。