鋼渣玻璃纖維瀝青混凝土性能研究

王超 張彩利 王偉

摘要 將鋼渣和玻璃纖維兩種材料加入到瀝青混凝土中，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)法確定鋼渣瀝青混凝土最佳油石比，并采用對(duì)比試驗(yàn)，分析了鋼渣瀝青混凝土路用性能，再添加不同含量的玻璃纖維，分析其對(duì)鋼渣混凝土的影響。結(jié)果表明，在瀝青混凝土中摻入鋼渣，瀝青混凝土低溫抗裂性能有所下降，摻入適量的玻璃纖維可以彌補(bǔ)該性能的下降，其最佳玻璃纖維摻量為0.2%。

關(guān) 鍵 詞 廢鋼渣；玻璃纖維；瀝青混凝土；馬歇爾試驗(yàn)；路用性能

中圖分類(lèi)號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

鋼渣是煉鋼中產(chǎn)生的廢渣，其排放量為鋼產(chǎn)量的15%左右。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)顯示，2017年1至10月，我國(guó)鋼產(chǎn)量為7.10 億t，同比增長(zhǎng)6.1%，鋼渣產(chǎn)生量為 1.06 億t。然而，鋼渣中含有重金屬，傳統(tǒng)掩埋處理不僅侵占土地而且還淤塞河流、污染環(huán)境。因此，必須對(duì)鋼渣進(jìn)行再利用，減少環(huán)境污染。國(guó)內(nèi)外人員就鋼渣在瀝青路面方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究。馮艷瑾[1]通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了鋼渣細(xì)集料與鋼渣粉在SMA-13瀝青混凝土中應(yīng)用的可行性，對(duì)鋼渣SMA-13瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)、路用性能以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究，認(rèn)為鋼渣可以作為瀝青混凝土集料使用。李偉等[2]進(jìn)行了鋼渣瀝青混凝土的滲水試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)以及疲勞壽命試驗(yàn)，分析不同級(jí)配對(duì)鋼渣瀝青混凝土滲透性、壓縮性及耐久性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼渣瀝青混凝土骨料最大公稱(chēng)粒徑增加時(shí)，鋼渣瀝青混凝土的滲水系數(shù)和初始勁度模量會(huì)增加，抗壓模量和疲勞壽命次數(shù)會(huì)減小，并且隨著油石比增大，抗壓強(qiáng)度會(huì)降低。Pasetto M，Baldo N. M[3] 通過(guò)電爐鋼渣的物理力學(xué)性能試驗(yàn)和鋼渣瀝青混凝土試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所有電爐鋼渣混合料均滿(mǎn)足道路行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，適用于道路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，且具有比全天然骨料更好的力學(xué)性能。

另外，我國(guó)每年的廢玻璃數(shù)量龐大，對(duì)廢玻璃的回收和利用，不但經(jīng)濟(jì)上受益，而且符合可持續(xù)發(fā)展的理念。Aysar NAJD等[4]從斷裂力學(xué)角度出發(fā)，研究了玻璃纖維瀝青罩面的抵抗開(kāi)裂能力和裂縫擴(kuò)展能力，發(fā)現(xiàn)加入玻璃纖維后，瀝青混凝土的斷裂韌性會(huì)有所提高。朱春鳳，肖波[5]發(fā)現(xiàn)加入玻璃纖維后，瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度和水穩(wěn)定性會(huì)提高、永久變形會(huì)減小。王增先[6]在玻璃工藝的浸潤(rùn)劑中加入硅烷偶聯(lián)劑，從而提高了玻璃纖維的表面性能，進(jìn)一步改善了瀝青混凝土的粘結(jié)性和拌和均勻性，且改善后的玻璃纖維對(duì)各種溫拌瀝青混凝土具有較好的適用性。

雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼渣或玻璃纖維在瀝青混凝土中的應(yīng)用已有大量研究，但鋼渣和玻璃纖維同時(shí)應(yīng)用于瀝青混凝土的研究卻不多。因此，為了探究鋼渣和玻璃纖維能否同時(shí)應(yīng)用于瀝青混凝土中，需要對(duì)其配合比設(shè)計(jì)和使用性能進(jìn)行研究。

1 瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

鋼渣和石料的路用性能試驗(yàn)參照J(rèn)TG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》，其主要性能見(jiàn)表1。

從表1可以看出，鋼渣的吸水率超過(guò)了規(guī)范要求的2%，原因在于鋼渣孔隙較多，當(dāng)鋼渣應(yīng)用于瀝青混凝土?xí)r，會(huì)吸收較多的瀝青。鋼渣的抗壓碎能力較好，壓碎值為17.3，鋼渣表觀密度較大，達(dá)到了3.239，比石料的表觀密度高出16%。且鋼渣針片狀含量較低，這說(shuō)明鋼渣形狀規(guī)整，比石灰石更易于形成骨架結(jié)構(gòu)，顆粒與顆粒之間傳力更為均勻。

相關(guān)文獻(xiàn)顯示[7]，鋼渣中的游離氧化鈣含量可占到6%，這些游離氧化鈣水解時(shí)體積將增大[8]。因此，鋼渣瀝青混凝土在使用過(guò)程中，遇水可能會(huì)產(chǎn)生路面開(kāi)裂等病害，所以必須按JTG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》和JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》測(cè)定所用鋼渣的膨脹率。

由表2可看出，鋼渣膨脹率最大，但也滿(mǎn)足規(guī)范要求的2.0%。鋼渣粘附性最好，這是由于鋼渣中的堿性物質(zhì)能夠與瀝青中的酸性物質(zhì)充分結(jié)合，并且鋼渣孔隙多，對(duì)瀝青吸附性強(qiáng)。但是由于每批鋼渣游離氧化鈣數(shù)量不一樣，因此在使用鋼渣作為骨料時(shí)，必須檢測(cè)合格才能使用。

采用的玻璃纖維為短切無(wú)堿原絲，其長(zhǎng)度約為6 mm。玻璃纖維物理、力學(xué)性能見(jiàn)表3。

從表3可以看出，玻璃纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度和熔點(diǎn)，剛性大，極限拉伸應(yīng)變低，脆性大，并且由于玻璃纖維吸水率低，其吸附瀝青的性能較差。當(dāng)油石比較大時(shí)，玻璃纖維不能吸附多余瀝青，瀝青混凝土是否會(huì)出現(xiàn)泛油，需要進(jìn)一步研究。

瀝青采用重交90號(hào)A級(jí)道路石油瀝青，其三大指標(biāo)見(jiàn)表4。

細(xì)集料采用的石料為石灰?guī)r，其主要物理性質(zhì)指標(biāo)如表5所示，選用的礦粉技術(shù)指標(biāo)如表6。

1.2 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

以AC-13級(jí)配類(lèi)型進(jìn)行對(duì)比研究，分別以鋼渣摻用量的不同，劃分為3種瀝青混凝土進(jìn)行對(duì)比分析。鋼渣AC-13、碎石AC-13、粗鋼細(xì)石AC-13，其中鋼渣AC-13是指粗集料和細(xì)集料都采用鋼渣（礦粉除外）；粗鋼細(xì)石AC-13是指粗集料全部采用鋼渣，細(xì)集料采用石灰?guī)r；碎石AC-13是指粗集料和細(xì)集料都使用石灰?guī)r，不摻任何鋼渣，以作對(duì)比。3種瀝青混凝土礦料級(jí)配如表7。

1.3 最佳油石比

3種瀝青混凝土的最佳油石比采用馬歇爾試驗(yàn)方法進(jìn)行確定，馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

計(jì)算得出瀝青混凝土最佳油石比為4.8，鋼渣瀝青混凝土最佳油石比為5.9，鋼石瀝青混凝土最佳油石比為5.2。

2 路用性能分析

2.1 水穩(wěn)定性檢驗(yàn)

水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)采用JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)綜合評(píng)價(jià)。試驗(yàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

3種瀝青混凝土凍融劈裂數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。

從表8和表9的數(shù)據(jù)可以看出，3種瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度，均滿(mǎn)足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求，其中鋼渣瀝青混凝土的水穩(wěn)定性能最好。

2.2 鋼渣瀝青混凝土低溫抗裂性

采用JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》小梁低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料低溫抗裂性能。其結(jié)果如表10所示，3種集料組合的瀝青混凝土最大彎拉應(yīng)變都滿(mǎn)足規(guī)范要求。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，鋼渣AC-13的低溫抗裂性最差。這是由于加入鋼渣后瀝青混凝土的剛度有所提高，模量增大，瀝青混凝土的變形能力變差，最大彎拉應(yīng)變存在一定程度的降低。因此，當(dāng)瀝青路面發(fā)生溫度突變時(shí)，溫度應(yīng)力可能會(huì)超過(guò)材料拉伸強(qiáng)度的極限，必須采取一定的措施提高鋼渣瀝青混凝土的抗拉伸性能。

2.3 鋼渣瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性

鋼渣瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性采用馬歇爾穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行評(píng)價(jià)。3種瀝青混凝土浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表11。

由表11可見(jiàn)，3種瀝青混凝土的穩(wěn)定度和流值均滿(mǎn)足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。鋼渣 AC-13穩(wěn)定度最大，這說(shuō)明鋼渣對(duì)于提高瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度有幫助。

動(dòng)穩(wěn)定度常用來(lái)反映瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性。對(duì)不同鋼渣摻量下的瀝青混凝土進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表12。

由表12可看出，3種集料瀝青混凝土動(dòng)穩(wěn)定度值符合規(guī)范要求，鋼渣 AC-13動(dòng)穩(wěn)定度最好。鋼渣瀝青混凝土動(dòng)穩(wěn)定度高的原因是鋼渣集料的針片狀顆粒較少，內(nèi)磨阻力大。經(jīng)壓實(shí)后，顆粒與顆粒之間相互嵌擠，抗剪性能高。鋼渣孔隙多，能吸附多余的瀝青，在高溫季節(jié)，有利于提高瀝青路面的抗變形能力。

3 玻璃纖維用量

參考相關(guān)文獻(xiàn)[9]，玻璃纖維的摻入量采用外摻法，摻加量分別為0%、0.1%、0.2%、0.3%，0.4%。由于玻璃纖維吸水率低、用量較少，可以認(rèn)為對(duì)鋼渣瀝青混凝土最佳瀝青用量影響較少，不再探究最佳瀝青用量和玻璃纖維的摻入量之間的關(guān)系。并按JTG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》和JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》檢驗(yàn)鋼渣瀝青混凝土相關(guān)主要性能，結(jié)果見(jiàn)表13。

由表13試驗(yàn)結(jié)果得出，添加玻璃纖維能夠顯著提高瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度。當(dāng)玻璃纖維摻量為0.4%時(shí)，與不添加玻璃纖維相比，車(chē)轍穩(wěn)定度提高了110%，試驗(yàn)結(jié)果表明，玻璃纖維可以顯著的提升瀝青混凝土的抗車(chē)轍能力。這是因?yàn)閾饺氩ＡЮw維后，玻璃纖維在鋼渣瀝青混凝土中起到加筋作用，并且形成良好的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在車(chē)輛荷載作用下，可以防止材料之間的相對(duì)滑移，進(jìn)而使得鋼渣瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性得到提高。

當(dāng)玻璃纖維摻量為0.2%時(shí)，與不添加玻璃纖維相比，瀝青混凝土最大彎拉應(yīng)變提高了30.5%。表明玻璃纖維對(duì)瀝青混凝土低溫性能影響較大，瀝青混凝土最大彎拉應(yīng)變隨著纖維摻量增加先增大后減少，在0.2%時(shí)達(dá)到最大值，說(shuō)明摻加適量玻璃纖維可以通過(guò)加筋增韌作用提高瀝青混凝土的低溫抗裂能力。當(dāng)纖維摻量過(guò)多時(shí)，玻璃纖維會(huì)減少瀝青膜厚度，反而導(dǎo)致瀝青混凝土低溫性能下降，因此摻入適當(dāng)?shù)牟ＡЮw維可以緩解由于摻入鋼渣而降低的最大彎拉應(yīng)變。

當(dāng)玻璃纖維的摻入量為 0.1%、0.2%時(shí)，TSR均有不同程度的增加。其中，玻璃纖維摻入量為 0.2%時(shí)，TSR增加的幅度最大。因此，纖維的摻入量為 0.2%時(shí)，試件的水穩(wěn)定性能得到明顯的提高。但當(dāng)玻璃纖維的摻入量為 0.3%時(shí)，相比于摻入量為 0.2%時(shí)的試件，TSR有明顯的降低，比未摻入玻璃纖維的試件還要低，這是因?yàn)椴ＡЮw維摻入量過(guò)高時(shí)，多余的玻璃纖維相互纏繞、重疊，降低了瀝青混凝土之間的連接與整體性，從而降低了瀝青混凝土的水穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）將鋼渣和玻璃纖維同時(shí)應(yīng)用到瀝青混凝土?xí)r，鋼渣玻璃纖維瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫性能都滿(mǎn)足規(guī)范要求。因此，初步判定將鋼渣和玻璃纖維同時(shí)應(yīng)用到瀝青混凝土是可行的。

2）鋼渣玻璃纖維瀝青混凝土中含有CaO，適量的CaO可以提高瀝青與鋼渣的粘附性，但是過(guò)量的CaO會(huì)使瀝青混凝土產(chǎn)生體積膨脹，可能會(huì)導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生裂縫等病害。因此，不同CaO含量的鋼渣對(duì)于瀝青混凝土的影響性還需進(jìn)一步研究。

3）摻入鋼渣后，瀝青混凝土的低溫抗變形能力下降，但摻入適量的玻璃纖維可以改善鋼渣瀝青混凝土的低溫抗變形能力。

4）玻璃纖維摻量為0.2%時(shí)，瀝青混凝土的水穩(wěn)定性和低溫性能良好。然而，當(dāng)玻璃纖維摻量超過(guò)0.2%時(shí)，則會(huì)影響瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，不利于提高瀝青混凝土的路用性能，故鋼渣瀝青混凝土中玻璃纖維最佳摻量為0.2%。

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯 楊 屹]