鋼渣SAC-10瀝青混合料路用性能研究

牟存玉， 凌天清， 陸亞， 王雅婷(.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶市 0007；.重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院；

3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院； 4.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司)

近年來，隨著人們環(huán)保意識(shí)越來越強(qiáng)，如何實(shí)現(xiàn)鋼渣等工業(yè)廢渣的二次利用已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。大量研究結(jié)果表明：將鋼渣應(yīng)用于瀝青混合料中部分或全部替代天然集料是可行的。用于瀝青路面面層作為磨耗層的SAC-10瀝青混合料，不僅起到路面抗滑與抗磨耗的作用，而且受自然環(huán)境因素影響較大，因此對瀝青混合料各項(xiàng)路用性能技術(shù)指標(biāo)要求較高。鋼渣作為工業(yè)廢渣，若處理不當(dāng)將會(huì)污染環(huán)境且不利于資源的有效利用。但由于其良好的材料特性，可作為集料用于瀝青混合料中，用適當(dāng)級配的鋼渣等比例替換SAC-10瀝青混合料中的集料，能夠改進(jìn)SAC-10瀝青混合料各項(xiàng)路用性能，與此同時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)資源的循環(huán)利用。

該文首先運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)研究方法，獲得SAC-10瀝青混合料在不同鋼渣等比例替換摻量下的最佳瀝青用量。再通過車轍試驗(yàn)確定出鋼渣的最佳摻量，最后采用間接拉伸試驗(yàn)以及浸水馬歇爾試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)，對其余各項(xiàng)路用性能指標(biāo)進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，并對各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果加以分析，以便更好地指導(dǎo)鋼渣代替天然集料在SAC-10瀝青混合料中的推廣應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料及技術(shù)指標(biāo)

1.1 鋼渣礦物組成及化學(xué)組分

試驗(yàn)采用重慶鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司(簡稱“重鋼”)轉(zhuǎn)爐鋼渣，化學(xué)組分及含量見表1。

表1 鋼渣的化學(xué)組分及含量 %

由常用堿度計(jì)算公式，計(jì)算得到該文采用的重鋼鋼渣堿度值為3.55，屬于高堿度渣(>2.5為高堿度渣)。具有強(qiáng)堿性的鋼渣集料能夠與具有弱酸性的瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得集料與膠結(jié)料的黏結(jié)力變大，鋼渣瀝青混合料的力學(xué)強(qiáng)度隨之增大。

1.2 鋼渣體積穩(wěn)定性

高堿度鋼渣組分中存有不穩(wěn)定狀態(tài)的游離氧化鈣，這種不穩(wěn)定成分遇水時(shí)會(huì)發(fā)生水解，造成鋼渣表觀體積變大。為了避免因鋼渣體積膨脹造成瀝青混合料的黏結(jié)失效甚至發(fā)生強(qiáng)度破壞，對試驗(yàn)采用的重鋼鋼渣進(jìn)行膨脹性檢測，觀察重鋼鋼渣經(jīng)過10 d浸水處理后膨脹率變化情況，觀測結(jié)果見表2。

由表2可知：3種樣品的10 d浸水膨脹率均值為1.25%。滿足YB/T 4184-2009《鋼渣混合料路面基層施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的路用鋼渣浸水過后的膨脹率小于等于2.0%的要求。

表2 鋼渣10 d膨脹變化情況

1.3 鋼渣的物理力學(xué)特性

通過不同試驗(yàn)方法測定鋼渣物理力學(xué)指標(biāo)，并與JTG F40-2004《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對各種用于集料的路面材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，結(jié)果見表3。

由表3可知：除吸水率不滿足規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值外，其余各項(xiàng)力學(xué)技術(shù)指標(biāo)都滿足JTG F40-2004《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求。分析鋼渣吸水率偏大的原因，很大程度上是由于其表面粗糙多孔的構(gòu)造特征。這種多孔結(jié)構(gòu)對水的物理吸附作用增強(qiáng)，導(dǎo)致鋼渣吸水率偏大。導(dǎo)致在進(jìn)行混合料的配合比設(shè)計(jì)時(shí)，瀝青膠結(jié)料用量增多，但對于混合料路用性能的影響并不十分顯著。

1.4 鋼渣的篩分結(jié)果

為了保證回收重鋼鋼渣用于瀝青混合料集料的可行性，根據(jù)JTG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》T0302-2005粗集料及集料混合料的篩分試驗(yàn)方法對重鋼鋼渣進(jìn)行篩分，結(jié)果見表4。

表3 鋼渣物理力學(xué)性能指標(biāo)

表4 重鋼鋼渣篩分結(jié)果

由表4可以看出：重鋼鋼渣的大粒徑顆粒的含量較少，粒徑主要分布在0.3～13.2 mm之間，這為鋼渣等比例替換SAC-10瀝青混合料中的各檔集料提供了良好的條件。

1.5 其他材料

膠結(jié)料選用SBS改性瀝青，粗集料選用玄武巖，細(xì)集料選用石灰?guī)r石屑，填料選用石灰?guī)r礦粉，材料的技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果見表5～8。

表5 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)測定結(jié)果

表6 粗集料技術(shù)指標(biāo)測定結(jié)果

表7 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)測定結(jié)果

表8 石灰?guī)r礦粉技術(shù)指標(biāo)測定結(jié)果

2 鋼渣瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 級配設(shè)計(jì)

采用文獻(xiàn)[6]中提出的多碎石瀝青混凝土SAC系列標(biāo)準(zhǔn)對SAC-10瀝青混合料的推薦級配，級配值見表9。

2.2 最佳油石比確定

按照級配設(shè)計(jì)結(jié)果的礦料級配進(jìn)行配料，將玄武巖、石灰?guī)r按照級配設(shè)計(jì)值以及不同鋼渣摻量值進(jìn)行稱量，分別取不同油石比的SBS改性瀝青膠結(jié)料，并按照J(rèn)TG F-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范實(shí)施手冊》標(biāo)準(zhǔn)制備標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，確定最佳油石比。試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表9 SAC-10瀝青混合料級配設(shè)計(jì)值

由表10可知：隨著鋼渣等比例替換摻量的不斷增多，鋼渣SAC-10瀝青混合料的油石比含量持續(xù)增大，分析造成這種趨勢的原因，主要是鋼渣表面粗糙而且多孔的結(jié)構(gòu)造成的。鋼渣摻量越多，集料的總體表觀密度越大，礦料間隙率也隨之增大，需要的瀝青用量也就越多，最終造成混合料的油石比增大。

表10 SAC-10瀝青混合料油石比試驗(yàn)結(jié)果 %

注：a1為視密度最大值的油石比；a2為穩(wěn)定度最大值的油石比；a3為規(guī)范建議空隙率范圍中值的油石比；a4為瀝青飽和度范圍中值的油石比；OAC1為由a1、a2、a3、a4確定的瀝青用量；OAC2為由瀝青混合料技術(shù)標(biāo)注規(guī)定的OACmin及OACmax確定的瀝青用量；OAC為由OAC1及OAC2確定的最佳瀝青用量。

2.3 鋼渣SAC-10瀝青混合料吸水率試驗(yàn)

鋼渣集料的吸水率較大，在測定最佳油石比的基礎(chǔ)上，根據(jù)JTGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T0705-2011壓實(shí)瀝青混合料密度試驗(yàn)(表干法)，測定等比例替換天然集料不同鋼渣摻量下，SAC-10瀝青混合料最佳油石比成型馬歇爾試件的吸水率，試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11 鋼渣SAC-10瀝青混合料吸水率試驗(yàn)結(jié)果

由表11可知：隨著鋼渣摻量的增加，SAC-10瀝青混合料的吸水率呈現(xiàn)出持續(xù)增大的趨勢，鋼渣摻量為100%時(shí)相比于未摻加鋼渣時(shí)的SAC-10瀝青混合料的吸水率增加了0.9%，雖然鋼渣的吸水率較大，但由于瀝青對于鋼渣集料的裹附作用，鋼渣瀝青混合料的吸水率受鋼渣摻量的影響并不顯著。

3 混合料路用性能研究

3.1 高溫穩(wěn)定性

相比于馬歇爾試驗(yàn)，車轍試驗(yàn)?zāi)軌蚋尤娴乜紤]到瀝青混合料在高溫條件下發(fā)生變形的力學(xué)環(huán)境，能夠比較真實(shí)地反映瀝青路面的實(shí)際荷載作用情況。因此，運(yùn)用車轍試驗(yàn)的方法檢測瀝青混合料的高溫性能結(jié)果會(huì)更加可靠。對于SAC-10瀝青混合料，按照每檔集料的等比例替換方式，將鋼渣摻量從0%以20%等間距加到100%，采用表10中的最佳油石比稱取各檔集料和SBS瀝青膠結(jié)料的質(zhì)量并制成標(biāo)準(zhǔn)車轍板試件，以動(dòng)穩(wěn)定度(DS)作為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行車轍試驗(yàn)，最終結(jié)果見圖1。

圖1 SAC-10瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可以看出：隨著鋼渣等比例替換摻量的增加，SAC-10瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度值表現(xiàn)為先上升后下降的走勢，當(dāng)鋼渣等比例替換摻量為60%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度值高達(dá)7 700次/mm，相對于未替換集料時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定度值3 706次/mm增加了1倍多，說明鋼渣的摻入在很大程度上改善了SAC-10瀝青混合料的高溫性能，但鋼渣摻量與混合料的高溫性能變優(yōu)不成正比。對于SAC-10瀝青混合料來說，高溫性能最好時(shí)鋼渣的最佳摻入量為每檔等比例替換60%。

鋼渣作為集料明顯地改善了SAC-10瀝青混合料的高溫性能，分析其主要原因如下：① 具有弱酸性的瀝青與堿度較高的重鋼鋼渣，產(chǎn)生一系列化學(xué)耦合作用，使得SAC-10瀝青混合料的力學(xué)性能變好，進(jìn)而使得瀝青路面經(jīng)受高溫變形的能力變大；② 重鋼鋼渣表面粗糙且為多孔結(jié)構(gòu)，孔的吸附作用使得集料表面有效瀝青的物理吸附力增大，路面在高溫季節(jié)條件下的泛油幾率減小，延緩了行車作用下路面產(chǎn)生較大車轍變形的時(shí)間，最終使得瀝青路面的整體壽命周期加以延長。

3.2 低溫抗裂性

通常瀝青路面的抗拉強(qiáng)度受不利季節(jié)條件下低溫環(huán)境的影響較大，溫度過低造成路面溫縮裂縫是瀝青混合料常見的病害之一。該文選用間接拉伸試驗(yàn)對鋼渣代替天然集料每檔等比例摻量分別為0%和60%時(shí)的SAC-10瀝青混合料低溫抗裂性能進(jìn)行試驗(yàn)對比分析，施加荷載速度為50 mm/min，最終試驗(yàn)結(jié)果見表12。

表12 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表12可知：鋼渣SAC-10瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度和勁度模量隨著溫度的下降表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢，破壞拉伸應(yīng)變持續(xù)增大。鋼渣每檔等比例代替摻量分別為0%和60%時(shí)，對于低溫抗裂性能沒有太大差別，摻入鋼渣后的勁度模量略有減小，說明鋼渣對SAC-10瀝青混合料低溫路用性能技術(shù)指標(biāo)并無不利影響，且在很大程度上對混合料的低溫性能有所改善。

3.3 水穩(wěn)定性

3.3.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

浸水馬歇爾試驗(yàn)可用來檢測SAC-10瀝青混合料在水的作用之后，混合料的結(jié)構(gòu)抵抗剝落的能力。首先制備兩組標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，取兩個(gè)相同條件的(60±0.5) ℃水浴試驗(yàn)箱，將各組試件放置在編號不同的水浴試驗(yàn)箱中保溫處理30 min和48 h，然后測定各組的馬歇爾穩(wěn)定度，結(jié)果見表13。

表13 瀝青混合料SAC-10(60%鋼渣摻量)

由表13可知：SAC-10瀝青混合料水浴之后的殘留穩(wěn)定度值為95.1%，滿足技術(shù)指標(biāo)大于等于75%的規(guī)范要求，說明鋼渣每檔等比例替換天然集料的比例為60%后明顯提高了SAC-10瀝青混合料抵抗浸水破壞的能力。

3.3.2 凍融劈裂試驗(yàn)

凍融劈裂試驗(yàn)通過檢測SAC-10瀝青混合料在不同溫度的水浴中經(jīng)受凍融循環(huán)之后劈裂破壞的強(qiáng)度比，從而判定混合料的水穩(wěn)定性。對SAC-10瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，首先制備兩組標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，將其中一組試件進(jìn)行真空保水處理后，依次進(jìn)行(-18±1) ℃和(60±1) ℃溫度的凍融循環(huán)處理，進(jìn)行劈裂試驗(yàn)；另一組試件直接進(jìn)行劈裂試驗(yàn)。劈裂試驗(yàn)條件參照J(rèn)TJ 052-2000《凍融劈裂試驗(yàn)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)選取，劈裂試驗(yàn)溫度為(25±0.5) ℃，加載速率設(shè)定為50 mm/min。分別計(jì)算未進(jìn)行凍融和經(jīng)過凍融后試件的劈裂抗拉強(qiáng)度值，最后進(jìn)行比值計(jì)算，得出劈裂強(qiáng)度比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表14。

表14 瀝青混合料SAC-10(60%)凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表14可知：鋼渣每檔等比例替換天然集料的比例為60%后，SAC-10瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度比值為85.1%，滿足SAC-10瀝青混合料對于水穩(wěn)定性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)大于等于80%規(guī)范值的要求。

3.4 膨脹性

雖然該文在試驗(yàn)材料及技術(shù)指標(biāo)部分已經(jīng)對鋼渣的浸水膨脹率進(jìn)行測試，結(jié)果也滿足規(guī)范要求。但為了保證鋼渣SAC-10瀝青路面的使用壽命，路面不致發(fā)生膨脹而損壞，現(xiàn)對鋼渣SAC-10瀝青混合料進(jìn)行膨脹性試驗(yàn)。成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，首先測定其體積V1，然后把測定后的試件放置在(60±0.5) ℃溫度的水浴箱里進(jìn)行保溫處理72 h，并測定水浴處理后的體積V2，膨脹性試驗(yàn)結(jié)果見表15。

表15 瀝青混合料SAC-10(60%)膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

由表15可知：SAC-10瀝青混合料的浸水膨脹率為0.87%，遠(yuǎn)小于SAC-10瀝青混合料膨脹率小于等于1.5%的技術(shù)要求。此外，由表2可以看出：鋼渣的10 d體積變化均值為1.25%，說明瀝青膠結(jié)料將鋼渣包裹后，對鋼渣的膨脹有抑制作用，這對于混合料的長期穩(wěn)定性是非常有利的，可提高瀝青路面的使用壽命。

3.5 抗滑性

利用擺式儀檢測SAC-10瀝青混合料的抗滑性能。成型標(biāo)準(zhǔn)車轍板試件進(jìn)行試驗(yàn)，并將測得的擺值換算為橫向力系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表16。

表16 瀝青混合料SAC-10(60%)抗滑性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼渣SAC-10瀝青混合料的擺值BNP為95.2，大于標(biāo)準(zhǔn)值92.7，橫向力系數(shù)SFC60值為139，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范對于高等級路面橫向力系數(shù)大于等于54的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，說明鋼渣等比例替換SAC-10瀝青混合料的天然集料后在很大程度上能夠提高SAC-10瀝青混合料的抗滑性。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

鋼渣每檔等比例摻量為60%(0%)時(shí)，混合料的最佳油石比為6.12%(4.80%)，測定最佳瀝青用量為5.77%(4.58%)，毛體積密度為2.469 2 g/cm3(2.519 9 g/cm3)。通過對材料單價(jià)的市場調(diào)查，得知成品SBS改性瀝青的價(jià)格約為5 600元/t，鋼渣為20元/t，石灰?guī)r碎石為35元/t，玄武巖價(jià)格為55元/t，礦粉為165元/t。測算出未摻加鋼渣的SAC-10瀝青混合料的成本為625元/m3，鋼渣摻量為60%的SAC-10瀝青混合料的成本為706元/m3，鋼渣SAC-10瀝青混合料的成本稍有增加。但從長遠(yuǎn)來看，鋼渣SAC-10瀝青混合料良好的路用性能能夠延長路面使用壽命，可以最大限度地減少路面運(yùn)營期間的養(yǎng)護(hù)成本。此外，將鋼渣應(yīng)用于公路建設(shè)，既減少堆放節(jié)約空間資源，又可節(jié)約天然石材。因此，鋼渣集料用于瀝青混合料經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益良好。

5 結(jié)論

對用于瀝青路面磨耗層的SAC-10瀝青混合料，集料的表面紋理和構(gòu)造特性對混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其耐磨性能的影響較大，這是由于瀝青膠結(jié)料更容易與表面多孔而且粗糙的集料黏結(jié)。鋼渣表面粗糙多孔的構(gòu)造特征，能夠?qū)r青形成較強(qiáng)的物理吸附作用，使得集料與瀝青的整體黏結(jié)性能增強(qiáng)。將鋼渣摻入SAC-10瀝青混合料中，通過理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證得到以下結(jié)論：

(1) 鋼渣等比例替換摻入后明顯地改善了SAC-10瀝青混合料的路用性能，這是因?yàn)殇撛砻娲植诘奈锢硖匦约案邏A度的化學(xué)特征，使得摻入鋼渣的SAC-10瀝青混合料中集料與瀝青膠結(jié)料的物理化學(xué)耦合作用增強(qiáng)，改善了混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，當(dāng)鋼渣每檔等比例替換天然集料比例為60%時(shí)SAC-10瀝青混合料的高溫性能最佳。

(2) 鋼渣每檔等比例替換天然集料比例為60%時(shí)，進(jìn)行其他路用性能技術(shù)指標(biāo)的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果分析表明：SAC-10瀝青混合料的低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、體積穩(wěn)定性及抗滑性能較好且均滿足技術(shù)要求。

(3) 該文只針對鋼渣等比例替換天然集料的SAC-10瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，并未進(jìn)行工程實(shí)踐驗(yàn)證，對于鋼渣SAC-10瀝青混合料的工程應(yīng)用及施工工藝等有待進(jìn)一步研究。