鋼渣殘留含水率對其瀝青混合料水穩(wěn)定性影響研究*

尹亞東 尚 宇 彭愛紅 楊俊霖 侯 強(qiáng) 羅 蓉

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術(shù)研究中心2) 武漢 430063) (江西省交通工程集團(tuán)公司3) 南昌 330038) (江西省公路橋梁工程有限公司4) 南昌 330029)

0 引 言

鋼渣作為冶金工業(yè)中產(chǎn)生的廢渣，其產(chǎn)生量為粗鋼產(chǎn)量的12%～15%，2012年全世界排鋼渣量約為1.8億t[1].中國的鋼渣產(chǎn)生量也隨著工業(yè)的高速發(fā)展而迅速增長，因此，鋼鐵企業(yè)廢渣和資源化利用也越來越受到重視.在國家“十一五”發(fā)展規(guī)劃中明確指出，鋼渣的綜合利用率應(yīng)達(dá)86%以上，基本上實現(xiàn)“零排放”.然而，目前綜合利用的現(xiàn)狀與該規(guī)劃還相去甚遠(yuǎn)，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的鋼渣不能及時處理，致使大量鋼渣占用土地，污染環(huán)境[2]，因此，將鋼渣作為筑路材料不僅可以緩解目前優(yōu)質(zhì)石料短缺的問題，還可以達(dá)到廢物再利用的綠色環(huán)保目的[3].鋼渣具有強(qiáng)度高、表面粗糙、耐久和耐磨性好、容重大、穩(wěn)定性好、與瀝青結(jié)合牢固等優(yōu)點，相對于普通的碎石還有耐低溫開裂的特性，因而可以廣泛用于道路工程當(dāng)中[4].

由于鋼渣的吸水性較好，所以主要考慮的是鋼渣的殘留含水率對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響[5-6].本文選取多孔鋼渣及50#基質(zhì)瀝青制備AC-20連續(xù)密級配鋼渣瀝青混合料，選取5.1%的油石比，分別制作不同殘留含水率鋼渣下瀝青混合料試件并對其水穩(wěn)定性進(jìn)行研究，最終通過對比實驗結(jié)果來確定鋼渣殘留含水率與其水穩(wěn)定性之間的關(guān)系.

1 原材料性能

1.1 集料

瀝青混合料的粗細(xì)集料均采用多孔鋼渣，鋼渣來自江西省九江市萍鋼鋼鐵有限公司.鋼渣的外表為灰黑色，棱角性明顯且孔隙較多.其性能見表1.

表1 鋼渣性能試驗結(jié)果

1.2 瀝青

試驗所采用的瀝青為50#基質(zhì)瀝青，產(chǎn)于南京煉油廠有限責(zé)任公司，且各項指標(biāo)都滿足試驗要求，其性能指標(biāo)見表2.

表2 瀝青基本性能指標(biāo)

1.3 填料

以礦物質(zhì)為原料，經(jīng)粉碎細(xì)化或添加劑等進(jìn)行活化處理，其性能見表3.

表3 礦粉基本性能指標(biāo)

2 鋼渣殘留含水率的測量

針對鋼渣材料因吸水率較大，在烘干過程中水分殘留較多從而降低與瀝青黏附性和增加施工難度等問題，設(shè)計試驗?zāi)M拌和站對集料烘干的環(huán)境溫度，建立加熱時間與含水率之間的關(guān)系，并且得到不同含水率下的鋼渣，用以進(jìn)行后續(xù)的鋼渣瀝青混合料水穩(wěn)定性能研究工作[7-8].

首先得到鋼渣含水率隨加熱時間的變化規(guī)律，試驗設(shè)備由烘箱、臺秤、集料盤等裝置進(jìn)行組合得到，試驗設(shè)備示意圖見圖1.試驗裝置可以模擬集料在烘箱模擬拌和站烘干的環(huán)境下，集料的質(zhì)量損失變化，損失的質(zhì)量為水分散失的質(zhì)量.然后設(shè)定鋼渣初始加熱的狀態(tài)，并將取樣的鋼渣在浸水條件下保持24 h，使鋼渣處于飽水狀態(tài)，浸水時間達(dá)到后將鋼渣取出并擦拭至表干，此時的鋼渣含水率作為試驗初始的含水率.

圖1 實驗設(shè)備示意圖

將試驗準(zhǔn)備好的鋼渣放入加熱保溫稱量系統(tǒng)后，調(diào)整烘箱溫度，模擬拌和站對集料烘干的加熱溫度與加熱環(huán)境，每間隔一定時間觀測并記錄臺秤稱量的示數(shù)變化，開始加熱的時間段質(zhì)量變化會稍快，記錄間隔時間應(yīng)做出相應(yīng)調(diào)整，保證得到所需要的數(shù)據(jù).通過記錄數(shù)據(jù)就可計算得到鋼渣殘留含水率w，見式(1)，根據(jù)計算得到鋼渣殘留含水率數(shù)據(jù)后，可以繪制其與加熱時間的圖像，直觀的反映鋼渣殘留含水率隨加熱時間變化規(guī)律.

(1)

式中：mi為任一加熱時間所對應(yīng)的鋼渣與集料盤的質(zhì)量之和；m0為鋼渣與集料盤完全烘干的質(zhì)量；m為干燥狀態(tài)下集料盤的質(zhì)量；w為鋼渣殘留含水率.

用于試驗的鋼渣級配范圍和AC-20瀝青混合料的設(shè)計級配一致，一次試驗所用的鋼渣質(zhì)量為5 kg，鋼渣殘留含水率的測量按照上述步驟進(jìn)行，試驗加熱使用的烘箱溫度控制在為160 ℃左右，通過多次試驗調(diào)整后，逐漸確定試驗數(shù)據(jù)記錄的間隔時間.試驗開始的前10 min，由于水分散失較快，每隔2 min記錄一次試驗數(shù)據(jù)，加熱時間在10～40 min時間段，質(zhì)量損失的速率逐漸下降，因此，每間隔5 min記錄一次試驗數(shù)據(jù)，而加熱時間超過40 min后，水分散失的速率較慢，所以試驗數(shù)據(jù)記錄的間隔時間改為10 min.將試驗數(shù)據(jù)繪制成折線圖后可以較為清楚地得出鋼渣殘留含水率的變化規(guī)律，見圖2.

圖2 高溫條件下鋼渣殘留含水率隨時間變化趨勢

由圖2可知，在初始的短暫時間內(nèi)，鋼渣殘留含水率下降的速率較慢，原因是鋼渣及其內(nèi)部的水分已經(jīng)開始吸收熱量，而其表面水分只是處于加熱的狀態(tài)，為液體，所以只有少量的水分散失；在隨后的十幾分鐘內(nèi)，鋼渣殘留含水率的下降速度變快，因為鋼渣在不斷地吸收熱量且達(dá)到了水分蒸發(fā)所需要的溫度，大量殘留水分變?yōu)闅鈶B(tài)；最后的時間段內(nèi)，鋼渣殘留含水率降低的速率變緩，因為鋼渣中大部分水分已經(jīng)被烘干，只剩殘留的一些細(xì)小空隙中的少量水分，隨著加熱的持續(xù)也漸漸蒸發(fā)，直至鋼渣被全部烘干.

3 鋼渣瀝青混合料水穩(wěn)定性研究

瀝青混合料的水穩(wěn)定性的影響因素有很多，包括集料性能影響、瀝青性能影響、混合料類型的影響和施工操作方面的影響等等.鋼渣作為吸水率大的集料，若能充分干燥，部分瀝青會被吸入集料內(nèi)部，對水穩(wěn)定性能有一定程度上的幫助.但是不能說吸水率大的集料對于水穩(wěn)定性一定好，由于集料吸水率較大，會使施工難度加大，瀝青用量增加，實際施工中也很難保證集料干燥充分，使得其水穩(wěn)定性受到影響.由于鋼渣的孔隙分布較多，吸水率大于現(xiàn)有規(guī)范要求的上限2%，是一種典型的吸水率大的材料，因此，考慮到鋼渣無法充分干燥的實際情況，以下為研究鋼渣在有水的情況下所成型的試件將表現(xiàn)出的抗水損害能力.

3.1 浸水馬歇爾試驗研究

試驗采用的是AC-20全級配的瀝青混合料來進(jìn)行浸水馬歇爾試驗，瀝青混合料的最佳油石比5.1%，孔隙率為4.5%，試驗按照擊實法成型馬歇爾試件，擊實次數(shù)為雙面各75次，在60 ℃的恒溫水槽中的保溫48 h.通過穩(wěn)定度測試儀得到馬歇爾殘留穩(wěn)定度和真空飽水浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性能.本試驗分別選取鋼渣的殘留含水率為0.4%，0.8%，1.2%，1.6%這四個具有代表性的點作為試驗組，鋼渣殘留含水率為0%的作為對照組，經(jīng)測量得到穩(wěn)定度的相關(guān)參數(shù)，按照規(guī)范要求計算出浸水殘留穩(wěn)定度的指標(biāo)，計算方法為

(2)

式中：MS為試件的穩(wěn)定度，kN；MS1為試件浸水48 h穩(wěn)定度，kN；MS0為試件的浸水殘留穩(wěn)定度，%.

計算得結(jié)果見表4.

表4 鋼渣殘留穩(wěn)定度

根據(jù)計算結(jié)果，繪制瀝青混合料殘留穩(wěn)定度與鋼渣的殘留含水率的曲線，見圖3.當(dāng)鋼渣完全干燥時，成型的瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度值達(dá)到88.7%，表明鋼渣瀝青混合料具有較好的抗水損害性能；當(dāng)鋼渣未充分干燥時，孔隙中的水分影響了鋼渣對瀝青的吸附，減少了瀝青與鋼渣黏附作用面積；同時水分的存在導(dǎo)致鋼渣內(nèi)部溫度有所下降，這也在一定程度上影響了鋼渣與瀝青的黏附效果.并且隨著殘留含水率的增大，試件的殘留穩(wěn)定度不斷降低.當(dāng)殘留含水率為1.2%時，其殘留穩(wěn)定度指標(biāo)已不滿足要求.

圖3 瀝青混合料殘留穩(wěn)定度與鋼渣的殘留含水率關(guān)系圖

3.2 凍融劈裂試驗研究

凍融劈裂試驗在試件進(jìn)行劈裂之前要通過真空飽水、低溫和高溫三個步驟，目的是增加瀝青混合料的水損害程度，使其貼近實際路面使用情況，更準(zhǔn)確的反映瀝青混合料真實的水穩(wěn)定性.試驗采用馬歇爾擊實儀成型兩組試件，每組四個，擊實次數(shù)為正反面各50次，目的是為了使試件孔隙率變大，更容易使水侵入試件.試件需要滿足的其余要求與浸水馬歇爾試驗的試件相同.試件同樣分為試驗組和對照組，試驗組試件需要放入水槽中，打開泵吸裝置使槽內(nèi)氣壓保持在97.3～98.7 kPa，持續(xù)15 min，目的是為了使水加速并充分進(jìn)入試件內(nèi)部，之后在讓試件在常壓下浸水30 min.將試件放入密封塑料袋中，注入10 mL水，扎緊后將試件放入冰箱中冷凍16 h，冰箱溫度為-18 ℃.時間到達(dá)后取出試件并放入60 ℃恒溫水箱中保溫24 h.對照組的試件只需在常溫下保存相同的時間.待試驗組試件保溫24 h后，兩組試件同時在溫度為25 ℃的恒溫水箱中保溫2 h.完成上述所有操作后，使用穩(wěn)定度儀對兩組試件逐個施加荷載，測試其劈裂狀態(tài)下的荷載值，并通過下列公式計算得到凍融劈裂強(qiáng)度比.

(3)

將不同殘留含水率與對應(yīng)的凍融劈裂強(qiáng)度比之間的關(guān)系見圖4.由圖4可知，當(dāng)鋼渣完全干燥時，成型的瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比達(dá)到88.6%，表明鋼渣瀝青混合料此時的凍融劈裂強(qiáng)度比很好的符合規(guī)范要求；而隨著殘留含水率的增大，試件的凍融劈裂強(qiáng)度比不斷降低.當(dāng)殘留含水率為1.2%時，其凍融劈裂強(qiáng)度比指標(biāo)已不滿足要求.

圖4 鋼渣混合料凍融劈裂強(qiáng)度比與其殘留含水率關(guān)系圖

4 結(jié) 論

1) 在鋼渣集料加熱過程中，殘留含水率隨著加熱時間的延長而逐漸減少，在加熱開始的前5 min時，鋼渣殘留含水率下降的速率較慢；在隨后的十幾分鐘內(nèi)，鋼渣殘留含水率的下降速度很快；最后的一段時間內(nèi)，鋼渣殘留含水率降低的速率變緩 ，鋼渣中的殘余水分隨著加熱的持續(xù)也漸漸蒸發(fā)，直至鋼渣被全部烘干.

2) 通過對不同殘留含水率的鋼渣瀝青混合料試件進(jìn)行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗得到其殘留穩(wěn)定度值和凍融劈裂強(qiáng)度比值，結(jié)果得出隨著鋼渣殘留含水率的增加，瀝青混合料的水穩(wěn)定性有顯著降低，并且當(dāng)鋼渣的殘留含水率在0.8%～12%時，瀝青混合料的水穩(wěn)定性達(dá)到規(guī)范要求的最小值.

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