鋼渣瀝青混合料疲勞性能及改善機理

申愛琴， 喻沐陽， 郭寅川， 崔 濤， 劉 波

(長安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064)

鋼渣屬于煉鋼過程中排出的固體廢渣，將其作為粗集料用于道路工程中對解決鋼渣環(huán)境污染和筑路石料匱乏等問題具有重要意義[1]，若用于瀝青路面則可發(fā)揮其堿性強、耐磨性好的優(yōu)勢[2]，對提高瀝青路面的耐久性具有至關(guān)重要的影響.

研究表明鋼渣的優(yōu)質(zhì)集料特性主要來源于其表面的囊狀構(gòu)造[3].鋼渣的力學(xué)性能較軋制的天然集料更加優(yōu)異，不但耐磨耗、棱角性好，而且與瀝青有較好的黏附性[4].鋼渣瀝青混合料具有較高的抗拉強度，凍融循環(huán)后體積膨脹率在1%以下.與玄武巖瀝青混合料相比，鋼渣瀝青混合料疲勞壽命略有提升，原因是鋼渣作為粗集料不會破壞瀝青混合料的相容性，而且在達到疲勞破壞時也不會出現(xiàn)貫穿型裂縫，裂縫長度也明顯小于前者[5].鋼渣瀝青路面實體工程也表現(xiàn)出了優(yōu)異的路用性能.然而現(xiàn)有研究大多采用鋼渣替代全部粗集料或細集料的方案，缺乏針對不同鋼渣摻量瀝青混合料疲勞性能的研究，對鋼渣瀝青混合料疲勞性能改善機理的研究也鮮有報道.

本文基于現(xiàn)象學(xué)法[6]，以應(yīng)變水平和鋼渣摻量1)為變量，采用應(yīng)變控制四點彎曲疲勞試驗對鋼渣瀝青混合料的疲勞性能進行研究.結(jié)合鋼渣瀝青混合料在疲勞試驗中勁度模量衰減規(guī)律來分析其疲勞損傷演化過程.在此基礎(chǔ)上分析疲勞裂紋擴展路徑特征，以揭示瀝青混合料疲勞開裂機理.最后從鋼渣物理化學(xué)性質(zhì)和鋼渣-瀝青界面相結(jié)構(gòu)兩個方面深入研究了鋼渣瀝青混合料疲勞性能改善機理，以期為鋼渣在瀝青路面中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1)文中涉及的摻量除特別說明外均為質(zhì)量分數(shù).

1 原材料和疲勞試驗方法

1.1 試驗材料

粗集料采用鋼渣(SS)和輝綠巖，規(guī)格均為9.5～16mm， 4.75～9.5mm，鋼渣選用陜西龍門鋼鐵集團生產(chǎn)的轉(zhuǎn)爐鋼渣，輝綠巖為商州匯金石料廠生產(chǎn)，粗集料技術(shù)指標(biāo)見表1；細集料為蒲城泉溝產(chǎn)石灰?guī)r機制砂；填料為蒲城泉溝產(chǎn)石灰?guī)r礦粉.

表1 試驗用粗集料技術(shù)指標(biāo)

本文采用的橡膠瀝青由韓國SK牌90#瀝青外摻20%橡膠粉(0.600mm,30目)和0.5%的PA-1型抗剝落劑制備而成.橡膠瀝青黏度大、彈性恢復(fù)效果較好，能使疲勞荷載產(chǎn)生的能量更多地以熱能形式散失，可以有效避免路面因累計損傷而導(dǎo)致的疲勞失效破壞.同時為兼顧高溫抗車轍性能，外摻0.3%的抗車轍劑(以瀝青混合料總質(zhì)量計).

1.2 鋼渣瀝青混合料配合比設(shè)計

本文鋼渣瀝青混合料參考SMA-13礦料級配范圍，由于采用橡膠瀝青作為膠結(jié)料，橡膠粉顆粒替代了部分礦粉而對混合料的空隙起到了一定的填充作用，因此對0.075篩孔通過率進行了下調(diào)，礦料級配如表2所示.其中粗集料分別采用外摻0%，30%，50%，70%鋼渣(以粗集料質(zhì)量計)的方案，瀝青混合料設(shè)計采用馬歇爾設(shè)計方法，設(shè)計空隙率(體積分數(shù))均為4.0%，技術(shù)指標(biāo)如表3所示.由表3可見，各瀝青混合料均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求.而且隨著鋼渣摻量wSS的增加，鋼渣瀝青混合料油石比也有明顯提升，這與鋼渣表面豐富的孔結(jié)構(gòu)特征相對應(yīng)[7].

表2 鋼渣瀝青混合料的礦料級配

表3 鋼渣瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)

1.3 試驗裝置

應(yīng)用現(xiàn)象學(xué)法進行疲勞試驗的方法很多，考慮到試驗周期和耗資等因素，本文采用了適用性較好的四點彎曲疲勞試驗，有效模擬了實際瀝青路面應(yīng)力應(yīng)變交迭變化狀態(tài)[8-9].疲勞試驗采用澳大利亞生產(chǎn)的BFA(beam fatigue apparatus)試驗裝置.采用振動輪碾成型儀和金剛石切割機制作尺寸為380.0mm×63.5mm×50.0mm的疲勞試件，并根據(jù)體積指標(biāo)進行檢測和篩選，以減少平行試件性能差異對試驗結(jié)果的影響.

1.4 試驗參數(shù)設(shè)定

疲勞荷載控制方式對疲勞性能的評價有至關(guān)重要的影響，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究，應(yīng)力控制模式主要適用于厚度大于25cm的路面，而應(yīng)變控制模式對較薄的路面具有較好的適應(yīng)性[10]，而且瀝青結(jié)合料層疲勞開裂壽命控制指標(biāo)為層底拉應(yīng)變，因此本文選用應(yīng)變控制模式.

作為一種黏彈性材料，瀝青混合料在高溫狀態(tài)下具有一定自愈合能力，因此疲勞試驗溫度設(shè)定不宜過高[11]，而且中國JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中瀝青層底拉應(yīng)變設(shè)計指標(biāo)采用的是20℃的參考值.因此本文疲勞試驗溫度設(shè)定為20℃.

根據(jù)車輛行駛速度和瀝青路面受力特性，車輛行駛速度越快，荷載作用時間越短，對應(yīng)的頻率就越高.結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究[8]，本文荷載頻率采用10Hz 偏正弦荷載，大致相當(dāng)于60～120km/h的行車速度.

應(yīng)變水平的選擇需要考慮瀝青路面實際狀況和試驗設(shè)備參數(shù)設(shè)定范圍，應(yīng)變水平過大會導(dǎo)致試件快速破壞，不能真實反映材料的疲勞性能，與瀝青路面實際受力情況嚴重不符，而應(yīng)變水平過小不僅會使材料無法達到疲勞失效狀態(tài)，還會導(dǎo)致試驗周期過長.因此應(yīng)變水平的選擇應(yīng)該涵蓋一定的范圍，本文將應(yīng)變水平設(shè)定為400×10-6，600×10-6，800×10-6，1000×10-6.相同試驗條件下進行6次平行試驗，確保每組試驗有效試件不少于4個.

1.5 疲勞壽命確定方法

瀝青混合料疲勞壽命確定方法參考AASHTO T321-07規(guī)范[12].定義第50次加載對應(yīng)的勁度模量S50為初始勁度模量，試驗終止條件設(shè)為勁度模量下降到初始勁度模量的20%，最大加載次數(shù)為250000 次，試驗結(jié)束后采用式(1)所示的指數(shù)函數(shù)方程來擬合疲勞試驗勁度模量數(shù)據(jù).

S=AeBN

(1)

式中：S為勁度模量；N為循環(huán)加載次數(shù)；A，B為擬合參數(shù).

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)回歸擬合結(jié)果，計算勁度模量衰減至擬合參數(shù)A的50%(Sf，50)時所對應(yīng)的加載次數(shù)(Nf,50)作為該應(yīng)變水平下的疲勞壽命，也可直接通過式(2)計算.

Nf,50=[ln(Sf,50/A)]/B=[ln(1/2)]/B=

-0.6931B

(2)

2 疲勞試驗結(jié)果與分析

2.1 鋼渣摻量對疲勞性能的影響

圖1是在400×10-6應(yīng)變水平下瀝青混合料疲勞壽命與鋼渣摻量的關(guān)系.由圖1可見，隨著鋼渣摻量的增加，瀝青混合料疲勞壽命呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)鋼渣摻量為30%時，瀝青混合料的疲勞壽命達到峰值，與鋼渣摻量為0%的輝綠巖瀝青混合料相比提高了26.26%.當(dāng)鋼渣摻量從30%增加到70%時，瀝青混合料的疲勞壽命反而有較大幅度的下降，甚至低于不摻加鋼渣時的瀝青混合料.究其原因，鋼渣摻量過大會導(dǎo)致瀝青混合料初始勁度模量增加(如圖2所示)，使其在相同應(yīng)變水平下所受到的疲勞應(yīng)力增大，因此表現(xiàn)出了較低的疲勞壽命.

圖1 瀝青混合料疲勞壽命與鋼渣摻量的關(guān)系Fig.1 Relationship between fatigue life of asphalt mixture and steel slag content

圖2 瀝青混合料初始勁度模量與鋼渣摻量的關(guān)系Fig.2 Relationship between initial stiffness modulus of asphalt mixture and steel slag content

2.2 應(yīng)變水平對疲勞性能的影響

圖3是鋼渣摻量為0%和30%時瀝青混合料初始勁度模量與應(yīng)變水平的關(guān)系.由圖3可見，鋼渣瀝青混合料M30的初始勁度模量隨著應(yīng)變水平的增大而減小，當(dāng)應(yīng)變水平由400×10-6增大到1000×10-6時，鋼渣瀝青混合料M30的初始勁度模量減小了42.39%.這是因為應(yīng)變水平越大，裂縫擴展損耗的能量就越多，所以M30的初始勁度模量就越小.鋼渣的摻入降低了瀝青混合料的初始勁度模量，而且應(yīng)變水平越大，其初始勁度模量降低越明顯，最大降幅達50.94%.

圖3 不同應(yīng)變水平下瀝青混合料的初始勁度模量Fig.3 Initial stiffness modulus of asphalt mixture under different strain levels

圖4是鋼渣摻量為0%和30%時瀝青混合料在不同應(yīng)變水平下的疲勞壽命.由圖4可見，鋼渣瀝青混合料M30的疲勞壽命隨應(yīng)變水平的提高而大幅降低，當(dāng)應(yīng)變水平由400×10-6增大到1000×10-6時，M30的疲勞壽命減小了88.74%，輝綠巖瀝青混合料M0的疲勞壽命減小了99.04%，說明輝綠巖瀝青混合料疲勞壽命對應(yīng)變水平的增加更敏感.相同應(yīng)變水平條件下鋼渣瀝青混合料疲勞壽命與輝綠巖瀝青混合料相比有較大提升，且應(yīng)變水平越高，前者的優(yōu)勢也越明顯.

圖4 不同應(yīng)變水平下瀝青混合料的疲勞壽命Fig.4 Fatigue life of asphalt mixture under different strain levels

2.3 鋼渣瀝青混合料疲勞損傷分析

2.3.1疲勞損傷過程分析

在不同應(yīng)變水平下，鋼渣瀝青混合料M30的勁度模量與加載進度N/Nt(荷載作用次數(shù)與最大加載次數(shù)的比值)的關(guān)系如圖5所示.由圖5可見，M30的勁度模量隨N/Nt的增加而不斷降低.當(dāng)應(yīng)變水平為800×10-6和1000×10-6時，其疲勞損傷過程可分為失穩(wěn)、平衡、失效3個階段.在第1階段，由于瀝青混合料內(nèi)部和表面存在裂縫和孔隙等缺陷，局部區(qū)域因應(yīng)力集中形成疲勞裂縫，使其勁度模量急劇減??；在第2階段，內(nèi)部缺陷附近區(qū)域的高密度能量通過裂縫擴展得到釋放，使得損傷發(fā)展得到抑制；在第3階段，勁度模量在疲勞荷載作用下迅速降低，疲勞損傷速度急劇增加直至失效.而在低應(yīng)變水平下瀝青混合料疲勞損傷速率較慢，試驗停止時還處于平衡階段，因此在400×10-6和600×10-6應(yīng)變水平下只出現(xiàn)前2個階段.

圖5 鋼渣瀝青混合料M30的勁度模量與N/Nt的關(guān)系Fig.5 Relationship between stiffness modulus of steel slag asphalt mixtures M30 and N/Nt

2.3.2疲勞失效勁度模量衰減比

將疲勞失效時的勁度模量(Sr)與初始勁度模量(S50)的比值Sr/S50定義為疲勞失效勁度模量衰減比，可作為失效損傷量的評價指標(biāo).瀝青混合料M0和M30的疲勞失效勁度模量衰減比Sr/S50與應(yīng)變水平的關(guān)系如圖6所示.由圖6可見，不同應(yīng)變水平下鋼渣瀝青混合料M30的Sr/S50均小于50%，并隨著應(yīng)變水平的增大而逐漸減小，說明應(yīng)變水平越大，鋼渣瀝青混合料達到疲勞失效時產(chǎn)生的損傷也越大.相同應(yīng)變水平下，鋼渣瀝青混合料的Sr/S50較輝綠巖瀝青混合料有較大提高.

圖6 疲勞失效勁度模量衰減比與應(yīng)變水平的關(guān)系Fig.6 Relationship between failure stiffness modulus attenuation ratio and strain level

2.4 疲勞裂紋擴展路徑分析

在四點彎曲疲勞試驗過程中，部分輝綠巖瀝青混合料試件出現(xiàn)了明顯的疲勞開裂現(xiàn)象，本文對產(chǎn)生開裂的試件裂紋擴展路徑進行了分析.圖7為不同應(yīng)變水平下輝綠巖瀝青混合料疲勞裂紋擴展路徑.

由圖7可知，應(yīng)變水平對輝綠巖瀝青混合料疲勞裂紋擴展路徑有較大影響，當(dāng)應(yīng)變水平為600×10-6和800×10-6時，疲勞裂紋擴展路徑復(fù)雜且呈曲線形，裂紋沿著礦料-瀝青界面處擴展，礦料未見有明顯斷裂損壞現(xiàn)象，因此在低應(yīng)變水平下，輝綠巖瀝青混合料疲勞性能主要受礦料-瀝青界面相強度的影響，受礦料力學(xué)性質(zhì)的影響則較小.當(dāng)應(yīng)變水平為1000×10-6時，疲勞裂紋形狀整齊且呈直線型，擴展路徑相對較短，并出現(xiàn)了礦料斷裂損壞的痕跡.可見在高應(yīng)變水平下，除礦料-瀝青界面相強度外，礦料的力學(xué)性能對輝綠巖瀝青混合料疲勞性能也有較大影響.但實際路面瀝青層底拉應(yīng)變往往處于較低水平，因此從實際意義出發(fā)，影響混合料疲勞性能的主要因素是礦料-瀝青界面相強度.

圖7 不同應(yīng)變水平下輝綠巖瀝青混合料M0的疲勞裂紋擴展路徑Fig.7 Fatigue crack propagation path of M0 under different strain levels

3 鋼渣瀝青混合料疲勞性能改善機理

3.1 礦料化學(xué)組成和表面形貌

采用X射線熒光光譜分析(XRF)對鋼渣和輝綠巖進行物相檢測并確定其化學(xué)組成，結(jié)果如表4所示.由表4可見，2種礦料化學(xué)組成相似，但含量有較大差異.輝綠巖中SiO2含量為44.10%，鋼渣中SiO2含量則僅為15.28%，遠低于輝綠巖.另外，鋼渣中CaO含量較輝綠巖要高.

圖8，9分別為鋼渣和輝綠巖的掃描電鏡(SEM)圖.集料顆粒的表面微觀構(gòu)造對瀝青混合料疲勞性能具有顯著的影響.從圖8可清楚地觀察到鋼渣表面較為粗糙，具有復(fù)雜的紋理構(gòu)造，并呈現(xiàn)出明顯的多孔特性，可有效增加礦料與瀝青膠漿的接觸面積和嵌入深度.由圖9可見，輝綠巖表面光滑致密，紋理構(gòu)造較為簡單，不利于其與瀝青膠漿的結(jié)合和黏結(jié).

表4 粗集料的化學(xué)組成

圖8 鋼渣表面SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM micrographs of steel slag surface

圖9 輝綠巖表面SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM micrographs of diabase surface

3.2 礦料-瀝青界面相結(jié)構(gòu)

礦料-瀝青界面相結(jié)構(gòu)作為影響瀝青混合料疲勞性能的主要因素，本文對其進行了深入分析.圖10，11分別是鋼渣和輝綠巖與瀝青膠漿界面的SEM形貌.

圖10，11中顏色較深部分為瀝青膠漿，顏色較淺且表面紋理構(gòu)造豐富的部分即為礦料.圖10中，瀝青膠漿均勻緊密地裹附在鋼渣表面并形成一定的嵌入深度，界面相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定密實，有效增強了瀝青混合料抵抗疲勞損傷的能力；圖11中，輝綠巖-瀝青界面充滿微小的坑槽和孔洞，瀝青膠漿未能緊密地裹附在輝綠巖表面，界面相結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)半分離的狀態(tài)，因此在疲勞荷載作用下很容易發(fā)生界面相結(jié)構(gòu)破壞，從而導(dǎo)致瀝青混合料發(fā)生疲勞開裂破壞.

圖10 鋼渣-瀝青界面SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM micrographs of interface between steel slag and asphalt

圖11 輝綠巖-瀝青界面SEM照片F(xiàn)ig.11 SEM micrographs of interface between diabase and asphalt

3.3 改善機理分析

鋼渣瀝青混合料疲勞性能改善機理主要表現(xiàn)在2個方面：一是交互黏附作用.鋼渣復(fù)雜的表面構(gòu)造為鋼渣-瀝青化學(xué)交互作用提供了較大的接觸面積，鋼渣表面堿活性成分與橡膠瀝青中酸性基團發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生能量的交換并形成黏附作用，增強了礦料與瀝青膠漿的相容性；二是嵌入錨固作用.鋼渣表面豐富的孔結(jié)構(gòu)為瀝青膠漿提供了較大的浸潤界面，使瀝青膠漿在鋼渣表面形成一定嵌入和錨固深度，提高了瀝青膜厚度和結(jié)構(gòu)瀝青比例，形成了穩(wěn)固的鋼渣-瀝青界面相結(jié)構(gòu)，從而有效提高了瀝青混合料的疲勞性能.

4 結(jié)論

(1)鋼渣摻量是影響瀝青混合料疲勞性能的重要因素，其最佳摻量為30%.適量摻加鋼渣可有效提高瀝青混合料疲勞壽命，并對緩解瀝青路面疲勞開裂有重要意義.

(2)鋼渣瀝青混合料勁度模量與疲勞壽命隨著應(yīng)變水平的增加而大幅減小.與輝綠巖瀝青混合料相比，在高應(yīng)變水平下鋼渣瀝青混合料的優(yōu)勢更加明顯.

(3)鋼渣瀝青混合料疲勞損傷演化過程可分為失穩(wěn)、平衡、失效3個發(fā)展階段，疲勞失效勁度模量衰減比Sr/S50小于50%，并隨著應(yīng)變水平的增大而逐漸減小.

(4)瀝青混合料疲勞開裂主要發(fā)生在礦料-瀝青界面處，礦料-瀝青界面相結(jié)構(gòu)對混合料疲勞性能有顯著影響，高應(yīng)變水平下混合料的疲勞破壞機理與低應(yīng)變水平下不同.

(5)鋼渣的化學(xué)性質(zhì)和表面構(gòu)造為界面相結(jié)構(gòu)提供了交互黏附和嵌入錨固作用，可有效改善礦料-瀝青界面相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高瀝青混合料的疲勞性能.

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