作者簡介：寧武強(qiáng)（1991—），工程師，主要從事高速公路項目建設(shè)管理工作。

摘要：為研究鋼渣改性瀝青混合料路用性能，文章設(shè)計將鋼渣部分替代石灰?guī)r，以SBS瀝青為膠結(jié)料，制備不同摻量鋼渣改性瀝青混合料，采用微觀測試手段對比分析鋼渣與石灰?guī)r成分差異以及表面形態(tài)差異，通過馬歇爾體積設(shè)計法獲得不同摻量鋼渣改性瀝青混合料的最佳油石比，并在最佳油石比下開展鋼渣改性瀝青混合料高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性能研究。結(jié)果表明：鋼渣替代石灰?guī)r后，改性瀝青混合料高溫性能隨鋼渣摻量增加先提高后降低，低溫性能隨鋼渣摻量增加而線性增加；水穩(wěn)定性在不同鋼渣摻量下變化較為復(fù)雜，隨摻量增加凍融劈裂強(qiáng)度比與浸水殘留穩(wěn)定度有明顯的波動，且在鋼渣摻量較高時這兩個水穩(wěn)定性評價指標(biāo)的評價結(jié)果并不統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞：道路工程；鋼渣；改性瀝青混合料；路用性能

中圖分類號：U416.03

0 引言

隨著我國公路建設(shè)體量和建設(shè)范圍的增大，優(yōu)質(zhì)集料愈發(fā)缺乏。在綠色環(huán)保政策不斷深入實施的背景下，一些地區(qū)限制了天然砂石的開采，因此公路路面建設(shè)所需的集料亟須拓展。鋼鐵冶煉過程中會產(chǎn)生大量的鋼渣副產(chǎn)品，這些副產(chǎn)品長期堆放不僅會浪費土地資源，也存在污染隱患^［1］。近年來，我國學(xué)者對鋼渣應(yīng)用于瀝青路面展開大量研究。李燦華等^［2］通過試驗確定摻鋼渣粗集料的OGFC-16瀝青混合料路用性能，結(jié)果表明其能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求。秦仁杰等^［3］研究鋼渣代替輝綠巖作為SMA-13瀝青混合料的粗集料，通過試驗驗證了鋼渣在SMA-13瀝青混合料應(yīng)用中的路用性能能夠滿足規(guī)范要求，且經(jīng)濟(jì)性較好。何亮等^［4］對鋼渣瀝青混合料的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了文獻(xiàn)總結(jié)，認(rèn)為鋼渣的安定性差、用油量大、密度大是制約鋼渣在瀝青路面的關(guān)鍵因素，鋼渣瀝青混合料的研究應(yīng)側(cè)重于長期性能。上述研究表明鋼渣應(yīng)用于瀝青混合料具備技術(shù)可行性，但同時由于鋼渣本身的特性，需要研究鋼渣用量對瀝青混合料各項性能的影響。本文研究了鋼渣代替石灰?guī)r后其摻量對瀝青混合料性能的影響，結(jié)果可為鋼渣在瀝青路面領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 原材料及配合比設(shè)計

1.1 原材料

本文采用SBS改性瀝青作為瀝青膠結(jié)料，開展三大指標(biāo)試驗，檢測指標(biāo)試驗結(jié)果見表1。鋼渣和石灰?guī)r粗集料均選用粒徑為4.75～13.2 mm、13.2～19.0 mm的兩檔集料，相應(yīng)的檢測指標(biāo)試驗結(jié)果見表2和表3。對比表2和表3可知，鋼渣集料相比石灰?guī)r集料具有較好的耐磨性能和抗壓碎能力，強(qiáng)度較高，但表觀相對密度較大?？紤]到鋼渣具有較強(qiáng)的吸附性能，采用鋼渣細(xì)集料在配合比設(shè)計階段會造成較高的油石比，不利于鋼渣瀝青混合料的經(jīng)濟(jì)性，因此細(xì)集料和礦粉采用石灰?guī)r，檢測指標(biāo)見下頁表4和表5。

1.2 配合比設(shè)計

本文設(shè)計鋼渣粗集料全部代替、部分代替、不代替石灰?guī)r粗集料共5種級配的AC-16改性瀝青混合料?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中規(guī)定在設(shè)計瀝青混合料級配時采用的是體積設(shè)計法，往往忽略不同檔集料的密度差異，將級配的體積通過率等同于質(zhì)量通過率^［5］。這對于普通的石灰?guī)r瀝青混合料而言，微小的差異并不影響配合比設(shè)計結(jié)果，但鋼渣粗集料表觀密度是石灰?guī)r的1.18倍左右，因此在配合比設(shè)計過程中，對鋼渣粗集料代替石灰?guī)r時分析鋼渣質(zhì)量比需要進(jìn)行體積-質(zhì)量換算。采用毛體積相對密度換算鋼渣瀝青混合料的質(zhì)量通過率和體積通過率，如表6所示為密度換算方法。

每種代替方案所對應(yīng)的鋼渣質(zhì)量比以及級配見表7。其中，級配5為全鋼渣粗集料，級配1為全石灰?guī)r粗集料。對5種級配開展目標(biāo)配合比設(shè)計，得出級配1到級配5所對應(yīng)的最佳油石比分別為4.63%、4.78%、4.87%、4.98%、5.05%。從油石比結(jié)果來看，鋼渣摻量越高，鋼渣改性瀝青混合料的油石比越高，這與鋼渣多孔可吸附瀝青的性質(zhì)相同。配合比設(shè)計結(jié)果見表8。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼渣理化特性分析

對石灰?guī)r和鋼渣進(jìn)行X射線熒光光譜試驗（XRD），開展石灰?guī)r與鋼渣的化學(xué)組成分析，試驗結(jié)果見表9。由表9可知，鋼渣與石灰?guī)r化學(xué)組成有很大不同，鋼渣主要成分為CaO，這與鋼渣的煉化工藝有關(guān)，而石灰?guī)r的主要成分同樣為CaO，但在Fe₂O₃、MgO兩個成分上與鋼渣相差較大?；瘜W(xué)成分的不同對集料與瀝青的吸附作用有一定影響。

Mason根據(jù)CaO、SiO₂、P₂O₅三者的相對含量評價集料的活性，定義集料的堿度^［6］。鋼渣堿度的計算方法見式（1），由式（1）可知該鋼渣的堿度為2.09，石灰?guī)r集料的堿度為2.64。從計算結(jié)果來看，鋼渣的堿度低于石灰?guī)r。

式中：M——集料的堿度（無量綱）；

W——含量（%）。

對鋼渣集料（主要為鋼渣粉末）開展XRD測試，分析鋼渣的礦物組成，試驗結(jié)果見圖1。由圖1可知，鋼渣的礦物組成主要為CaCO₃，其次為Ca₂SiO₄、Ca₂FeO₅以及少量的RO相，其中R代表Fe和Mg。

對鋼渣粗集料和石灰?guī)r粗集料開展掃描電鏡（SEM）試驗，試驗結(jié)果見圖2。由圖2可知，石灰?guī)r粗集料相比鋼渣粗集料表明孔隙較少，更為光滑，而鋼渣粗集料不僅表面孔隙較多、粗糙度較高，且比表面積更大，表面構(gòu)造更為復(fù)雜，有利于瀝青膠結(jié)料的吸附。

上述的理化特性分析表明，鋼渣集料相比石灰?guī)r集料更利于瀝青膠結(jié)料的吸附，對瀝青混合料的集料-瀝青界面強(qiáng)度有提升作用。

2.2 高溫性能

根據(jù)前文試驗結(jié)果，獲得5種級配鋼渣瀝青混合料的最佳油石比，在最佳油石比下成型車轍板，開展車轍試驗，試驗溫度為60 ℃，其余試驗參數(shù)參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）中的T0719-2011，試驗結(jié)果見圖3。由圖3可知，鋼渣改性瀝青混合料動穩(wěn)定度隨著鋼渣的摻量增加有明顯變化，具體的變化規(guī)律為先增大后減小。在鋼渣質(zhì)量摻量＜38%時，鋼渣改性瀝青混合料動穩(wěn)定度隨鋼渣摻量增加而增加的現(xiàn)象較易解釋，主要的原因為鋼渣吸附瀝青的能力較強(qiáng)，從而提升了鋼渣改性瀝青混合料的高溫性能。而鋼渣質(zhì)量摻量＞38%時，鋼渣改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度明顯下降，且55%、72%兩個摻量下的鋼渣改性瀝青混合料動穩(wěn)定度相差較小，即當(dāng)鋼渣摻量＞38%后，鋼渣改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度有明顯的“平臺期”。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因為鋼渣質(zhì)量摻量增大，單位體積內(nèi)瀝青用量也增加，在吸附較少時可以穩(wěn)固瀝青-集料的界面強(qiáng)度，而吸附過多在高溫作用下富余瀝青的“副作用”較為明顯，從而降低了鋼渣瀝青混合料的高溫性能。

2.3 低溫性能

在最佳油石比下制備鋼渣改性瀝青混合料試件，開展低溫小梁彎曲試驗，試驗溫度為-10 ℃，其余參數(shù)參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）中的T0715-2011，采用最大彎拉應(yīng)變指標(biāo)評價鋼渣改性瀝青混合料的低溫性能，試驗結(jié)果見后頁圖4。由圖4可知，隨著鋼渣摻量的增加，鋼渣改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變線性增加，表明鋼渣改性瀝青混合料的低溫性能得到改善。瀝青混合料的低溫性能與瀝青膠結(jié)料有很大關(guān)系，而鋼渣的摻入增加了瀝青含量，這是鋼渣改性瀝青混合料的低溫性能得到改善的主要原因。另外，鋼渣表面特性決定了鋼渣摻入瀝青混合料后集料與瀝青膠結(jié)料的粘附性能得到增強(qiáng)，而低溫下并沒有像高溫環(huán)境下產(chǎn)生富余瀝青，因此綜合提高了鋼渣改性瀝青混合料的低溫性能。

2.4 水穩(wěn)定性能

采用凍融劈裂和浸水馬歇爾試驗評價鋼渣改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，試驗過程參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）中的T0709-2011和T0729-2011。具體而言，采用凍融劈裂強(qiáng)度比和浸水殘留穩(wěn)定度兩個指標(biāo)綜合評價鋼渣改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，試驗結(jié)果見圖5。由圖5可知，鋼渣改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能指標(biāo)與其動穩(wěn)定度和最大彎拉應(yīng)變指標(biāo)變化規(guī)律有很大不同，存在一定的波動性，且劈裂強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度這兩個指標(biāo)在評價高摻量鋼渣改性瀝青混合料（鋼渣質(zhì)量摻量＞38%）時結(jié)果相悖，這顯示了鋼渣改性瀝青混合料的復(fù)雜性。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要還是與鋼渣-瀝青的界面強(qiáng)度有關(guān)，在水分滲入的情況下，不能用富余瀝青的理論解釋，有待進(jìn)一步的深入研究。

3 結(jié)語

本文對鋼渣理化特性以及不同摻量的鋼渣改性瀝青混合料路用性能展開研究，得出如下結(jié)論：

（1）鋼渣集料主要成分為CaO，與石灰?guī)r類似，但在Fe₂O₃、MgO兩種成分上相差較大。鋼渣相比于石灰?guī)r集料具有更粗糙的表面和更大的比表面積，有利于瀝青的吸附，提高集料-瀝青的界面強(qiáng)度。

（2）鋼渣改性瀝青混合料的高溫性能和低溫性能隨著鋼渣集料的摻量增加有較為清晰的變化規(guī)律，其中動穩(wěn)定度隨著鋼渣摻量增加而先增大后減小，而最大彎拉應(yīng)變隨著鋼渣摻量增加而線性增加。

（3）鋼渣改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能較復(fù)雜，隨著鋼渣摻量增加有明顯的波動，且不同的水穩(wěn)定性評價指標(biāo)在鋼渣摻量較高（＞38%）時評價結(jié)果不統(tǒng)一。

參考文獻(xiàn)：

［1］周啟偉.公路鋼渣基層與鋼渣瀝青混合料路用性能研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2011.

［2］李燦華，向曉東，周溪瀅.鋼渣開級配透水瀝青混合料及性能研究［J］.建筑材料學(xué)報，2015，18（1）：168-171.

［3］秦仁杰，孫 超，孫 明，等.鋼渣在SMA-13瀝青混合料中的應(yīng)用研究［J］.中外公路，2015，35（1）：272-274.

［4］何 亮，詹程陽，呂松濤，等.鋼渣瀝青混合料應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.交通運輸工程學(xué)報，2020，20（2）：15-33.

［5］牛 哲.鋼渣瀝青混合料的制備與性能研究［D］.南京：東南大學(xué)，2016.

［6］王 瓊.鋼渣活性激發(fā)技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］.粉煤灰，2014，26（6）：15-17.