鋼渣瀝青混合料路用性能的實(shí)驗(yàn)研究

許建斌

（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系， 安徽 合肥 230051）

0 引言

鋼渣是煉鋼過程的副產(chǎn)品，屬于固體廢物，其產(chǎn)量約占鋼鐵產(chǎn)量的15%[1]。在我國，鋼渣的年產(chǎn)量已突破1 億噸，然而其有效利用率較低僅僅為22%左右[2]。因此，將鋼渣作用建筑材料應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域?qū)?huì)大大提高其利用率[3-5]。

在公路工程領(lǐng)域，研究人員開展了一系列關(guān)于鋼渣瀝青混合料（Steel Slag Asphalt Mixture, SSAM）的研究與實(shí)踐。申愛琴等人借助于多應(yīng)變水平下的疲勞試驗(yàn)研究了SSAM 的疲勞性能，并認(rèn)為摻加鋼渣可提升混合料的疲勞[6]。高振鑫等人研究了鋼渣對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響機(jī)理并認(rèn)為鋼渣可改善水穩(wěn)定性[7]。李偉等人研究了SSAM 的層間抗剪切性能，結(jié)果顯示SSAM 層間抗剪效果優(yōu)于普通瀝青混合料[8]。申愛琴等人還研究了鋼渣瀝青路面抗滑性能的衰減過程，結(jié)果表明鋼渣的紋理和孔結(jié)構(gòu)特征能夠提高抗滑性能的穩(wěn)定性[9]。除此之外，隨著近些年瀝青路面自愈合技術(shù)的飛速發(fā)展，研究人員將鋼渣作為增強(qiáng)瀝青自愈合技術(shù)的重要載體廣泛的應(yīng)用于瀝青混合料[10-11]。綜上所述，將鋼渣當(dāng)做集料應(yīng)用于瀝青路面不僅拓寬了鋼渣利用渠道，還能夠改善瀝青混合料的多項(xiàng)性能以及實(shí)現(xiàn)瀝青路面的多功能性。本文主要針對鋼渣作粗集料的瀝青混合料的路用性能展開實(shí)驗(yàn)研究，通過對比普通AC-13 型與鋼渣AC-13 瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能，進(jìn)一步明確鋼渣對瀝青混合料性能的影響程度，以期為工程實(shí)踐提供參考。

1 材料與實(shí)驗(yàn)方案

在本項(xiàng)研究中，研究鋼渣完全替代粗集料（≥2.36mm）時(shí)混合料的路用性能，并且采用玄武巖粗集料成型的瀝青混合料作為實(shí)驗(yàn)對照組。鋼渣與對照組瀝青混合料中細(xì)集料均使用玄武巖，填料均采用石灰?guī)r礦粉。集料與礦粉經(jīng)檢驗(yàn)均符合規(guī)范要求。根據(jù)施工技術(shù)規(guī)范（JTG F40-2004）要求，實(shí)驗(yàn)所用鋼渣已破碎且已存放6 個(gè)月以上。

實(shí)驗(yàn)所使用的瀝青為針入度70#基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)級配采用在我國使用較多的AC-13 型級配，其級配組成如表2 所示。瀝青混合料的設(shè)計(jì)根據(jù)我國規(guī)范使用Marshall 法以便為我國類似工程提供參考。

表2 瀝青混合料級配（AC-13）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鋼渣對最佳瀝青用量的影響及分析

根據(jù)室內(nèi)瀝青混合料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，SSAM 與普通AC-13 的最佳瀝青用量分別為5.1%和4.3%，即SSAM 的最佳瀝青用量比普通AC-13 高18.6%。Shaopeng Wu 等人曾將鋼渣應(yīng)用于SMA 瀝青混合料，并得到了鋼渣與玄武巖集料的掃描電鏡圖片，如圖1 所示。根據(jù)圖1 可知鋼渣顆粒表面存在很多小孔，而玄武巖集料表面未見明顯孔結(jié)構(gòu)，并且數(shù)據(jù)顯示鋼渣集料表面的孔隙率是玄武巖集料的24 倍（5.76% VS 0.24%）[12]。由此可見，SSAM 的最佳瀝青用量的增大

圖1 鋼渣（a）與玄武巖（b）的掃描電鏡圖[12]

可能是由于鋼渣顆粒存在較多的孔隙結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)消耗了更多的瀝青，這也會(huì)通過增加混合料中瀝青用量增加造價(jià)。另一方面由于孔結(jié)構(gòu)吸附了更多的瀝青，即存在一部分瀝青“滲入”鋼渣集料內(nèi)部，形成的這種結(jié)構(gòu)可能會(huì)增強(qiáng)鋼渣集料與瀝青界面的相互作用。

2.2 高溫性能

本研究使用60℃車轍試驗(yàn)（T 0719-2011）評價(jià)兩種瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。實(shí)驗(yàn)步驟完全按照實(shí)驗(yàn)規(guī)程要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表3 結(jié)果可知，兩種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均大于1000 次/min，即兩種瀝青混合料的抗車轍效果均能滿足規(guī)范要求。值得注意的是，普通AC-13 的動(dòng)穩(wěn)定度明顯低于SSAM，且比SSAM 低約12.3%。所以由上表結(jié)果可以看出，AC-13 型SSAM 的高溫抗車轍性能優(yōu)于普通AC-13，這可能是由于鋼渣顆粒表面較玄武巖集料更為粗糙，在混合料內(nèi)部提供了更大的摩阻力從而提升了抗車轍性能。并且其孔結(jié)構(gòu)吸附了瀝青提高了瀝青-集料的界面作用，提升了抗車轍性能。

2.3 低溫性能

本研究采用-10℃小梁彎曲實(shí)驗(yàn)（T 0715-2011）評價(jià)兩種瀝青混合料的低溫拉伸性能。實(shí)驗(yàn)步驟嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)規(guī)程要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在相同低溫（-10℃）狀態(tài)下，SSAM 的破壞彎拉應(yīng)變大于普通AC-13，說明了SSAM 在荷載作用下能承受更大的變形。而且SSAM的彎曲勁度模量明顯小于普通AC-13（約小11.55%）。結(jié)果說明了SSAM 的低溫抗裂性能更好。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是鋼渣粗糙且多孔的表面特征以及鋼渣的堿性性質(zhì)[13]，促使瀝青與其表面產(chǎn)生更強(qiáng)的粘附性，在低溫狀態(tài)下承受更大的彎拉應(yīng)變而不至于破壞。

2.4 水穩(wěn)定性

瀝青路面在水與荷載的耦合作用下容易出現(xiàn)松散剝落，即出現(xiàn)水損害。在本研究中使用凍融劈裂實(shí)驗(yàn)（T 0729-2000）評價(jià)兩種瀝青混合料的水穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 凍融劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，兩種瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比均大于75%，即均滿足施工技術(shù)規(guī)范要求。對比兩種瀝青混合料可知，SSAM 的凍融劈裂強(qiáng)度比雖小于普通AC-13，但兩者差值較小，說明SSAM 的水穩(wěn)定性較普通AC-13 區(qū)別并不明顯。

3 結(jié)論

本研究通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了普通AC-13 與鋼渣AC-13 兩種瀝青混合料，得出主要結(jié)論如下：

1）使用鋼渣作為瀝青混合料集料時(shí)會(huì)增加瀝青用量，其原因是由于鋼渣顆粒表面較為粗糙且存在大量的孔結(jié)構(gòu)，其孔結(jié)構(gòu)也可能會(huì)增強(qiáng)集料與瀝青之間的界面相互作用。

2）鋼渣瀝青混合料的高溫抗車轍性能與低溫抗裂性能優(yōu)于普通AC-13，在實(shí)際工程中可使用鋼渣作為集料改善密級配瀝青混合料的高低溫性能。

3）鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性稍弱于普通AC-13 型瀝青混合料，但兩者差別并不十分明顯，在工程應(yīng)用中應(yīng)注意其對水穩(wěn)定能的影響。