摻鋼渣再生瀝青混凝土的制備及路用性能研究

沈凡，龐若楠，韋國蘇，盧吉

(1.武漢工程大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430205；2.武漢市市政建設集團有限公司)

中國在20世紀80-90年代修建了大量的瀝青混凝土路面，按照路面交通規(guī)范要求的設計壽命為10～15年計算，國家“十三五”期間，中國將有超過總里程數35%的瀝青道路需要進行翻修，產生的廢棄瀝青混合料將達到34億t。針對此類問題，研究人員圍繞瀝青混凝土的再生技術開展了大量的研究工作，開發(fā)出瀝青再生技術。其主要技術原理是：通過再生劑恢復廢棄瀝青混凝土中老化瀝青的性能，并將回收瀝青混凝土與新集料、新瀝青通過組成優(yōu)化設計，從而制備出滿足使用要求的再生瀝青混凝土材料。此技術通常采用開采的天然石材充當新集料，大量天然石材的開采會對環(huán)境產生破壞。而鋼渣的堆存對環(huán)境尤其是土壤造成了嚴重的污染，使用鋼渣代替天然石材作為再生瀝青混凝土的新集料可提高其消納率。丁慶軍在鋼渣作為瀝青混凝土集料的研究中發(fā)現(xiàn)鋼渣內部f-CaO及f-MgO的消解產物是氫氧化鈣與氫氧化鎂，這些會導致鋼渣體積的膨脹，但鋼渣在使用前一般會進行陳化處理，陳化6個月以后的活性成分可以減少到一定程度可用于瀝青混合料當中。隨著研究的推進，熱悶工藝的使用可以使鋼渣中游離的氧化鈣和氧化鎂遇水蒸氣發(fā)生水解反應。這種水解反應消除了鋼渣的不穩(wěn)定性。中國于2016年也發(fā)布了JT/T 1086-2016《瀝青混合料用鋼渣》規(guī)范對鋼渣的規(guī)格、技術要求等作了規(guī)定。但目前鋼渣在瀝青混凝土中應用的研究對象主要是鋼渣與天然集料所制備的鋼渣瀝青混凝土，鋼渣作為新集料用于再生瀝青混凝土的研究還鮮有報道。針對以上問題，該文以回收瀝青路面材料(RAP)和工業(yè)廢棄物鋼渣為全部集料制備摻鋼渣再生瀝青混凝土，設計兩種級配類型AC和SMA，研究不同RAP摻量下?lián)戒撛偕鸀r青混凝土路用性能及力學性能的變化規(guī)律。

1 摻鋼渣再生瀝青混凝土試驗設計

試驗組采用鋼渣與RAP為集料進行瀝青混凝土的拌制，設計級配為AC-13，RAP摻量分別為25%、30%、35%，添加鋼渣、礦粉和新的基質瀝青制備RAP摻量不同的AC-13型摻鋼渣再生瀝青混凝土。為了對比試驗制備了RAP摻量為11%的SMA-13摻鋼渣再生瀝青混凝土試件(RAP作為細集料摻入，SMA中細集料用量較少，所以摻量僅為11%)。對比組1的RAP摻量為0%，集料全部采用鋼渣，級配設計類型為AC-13，對照組2的RAP摻量為0%，集料全部采用石灰石，級配設計類型為AC-13。對比組3和對比組4的集料分別全部采用鋼渣和石灰石，RAP摻量為0%，設計類型均為SMA-13(對比組1、2、3、4在下文中簡稱D1、D2、D3、D4)。采用瀝青混合料車轍試驗、浸水馬歇爾試驗、劈裂試驗、低溫彎曲試驗，研究RAP摻量的變化對摻鋼渣再生瀝青混凝土體積指標和路用性能、力學性能的影響規(guī)律，以評價路面類型的各項性能指標。

1.1 試驗材料

(1)采用的鋼渣為存放1年的熱悶渣，對其吸水率、密度以及力學性能進行試驗，結果如表1所示。

表1 鋼渣物理性能試驗結果

(2)RAP：回收廢棄瀝青混凝土的基本信息如表2所示，通過高溫燃燒爐法處理后進行水篩，得到RAP的級配和油石比如表3所示。采用離心抽提法，與旋轉蒸發(fā)器法對老化瀝青進行抽提分離，并測試瀝青老化后的軟化點、針入度、延度、黏度指標，結果如表4所示。

表2 回收廢棄瀝青混凝土的基本信息

表3 RAP油石比及級配

表4 老化瀝青性能指標

(3)瀝青：使用70#基質瀝青。改性瀝青采用I-D改性瀝青，纖維為聚酯纖維，摻量為混合料質量的0.3%。

(4)天然集料和礦粉：天然集料為石灰石，礦粉為石灰石礦粉。毛體積密度為2.690 g/cm3，吸水率為0.4%。

1.2 級配設計及試驗內容

1.2.1 級配設計

3組不同RAP摻量的試驗組與對比組最佳油石比及配合比見表5。表5中D2所用的1#、2#、3#、4#料為石灰石，其他組所用的1#、2#、3#、4#料均為鋼渣。合成級配、級配中值及級配范圍如表6所示，制備的摻鋼渣瀝青混合料的瀝青包括RAP中的老化瀝青和新瀝青，油石比為混合料中瀝青用量與集料用量的比值。因鋼渣的密度遠大于RAP的密度，設計配合比為體積配合比，但在混凝土制備中質量配合比更便于稱量，參照文獻[14]提出的密度換算方法，換算得到質量配合比見表7。

表5 AC-13型鋼渣再生瀝青混凝土配合比及最佳油石比

表6 AC-13型鋼渣再生瀝青混凝土合成級配

表7 RAP摻量為25%的AC-13摻鋼渣瀝青混合料體積配合比-質量配合比換算

同樣的體積配合比-質量配合比換算方法對AC-13所有試驗組進行換算，結果如表8所示。

表8 AC-13體積配合比-質量配合比換算結果

另外一組試驗組的RAP摻量為11%，目標空隙率為4%，級配設計類型為SMA-13。最佳油石比及配合比見表9，表9中RAP摻量為11%的試驗組和D3所用的1#、2#、3#、4#料為鋼渣，D4所用的1#、2#、3#、4#料為石灰石。合成級配、級配中值及級配范圍如表10所示。根據同樣的體積配合比-質量配合比換算方法對配合比進行換算，結果見表11。

表9 SMA-13型鋼渣再生瀝青混凝土配合比及最佳油石比

表10 SMA-13型鋼渣再生瀝青混凝土合成級配

表11 SMA-13體積配合比-質量配合比換算結果

1.2.2 試驗內容

(1)體積指標

按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的標準擊實法制作標準馬歇爾試件，測定試件的毛體積密度、礦料間隙率、瀝青飽和度，對混合料的體積指標進行評價。

(2)高溫穩(wěn)定性性能試驗

通過車轍試驗評價混凝土的高溫穩(wěn)定性能，按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》T0719-2011進行車轍試驗。

(3)水穩(wěn)定性

通過浸水馬歇爾試驗對混合料的水穩(wěn)定性能進行評價，浸水馬歇爾試驗參照JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》T0709-2011進行。

(4)劈裂試驗

通過劈裂試驗對瀝青混合料在規(guī)定溫度和加載速率時的劈裂破壞或處于彈性階段的力學性質進行評價。劈裂試驗參照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》 T0716-2011進行。

(5)低溫彎曲試驗

彎曲蠕變試驗參照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》 T0728-2000進行。試驗環(huán)境溫度為-10 ℃。

2 試驗結果及分析

2.1 體積指標

按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的標準擊實法制作標準馬歇爾試件，測定試件的毛體積密度、礦料間隙率、瀝青飽和度，對混合料的體積指標進行評價。試驗結果見表12、13。

(1)由表12可知：RAP摻量為25%、30%、35%時的摻鋼渣再生瀝青混凝土空隙率均滿足設計規(guī)范3%～5%的要求，3組試件的VMA(礦料間隙率)均≥17%(規(guī)范要求≥14%)；除RAP摻量為35%的混合料VFA(瀝青飽和度)略高于75%外，其他組的VFA均為70%～75%(規(guī)范要求65%～75%)，滿足規(guī)范要求。RAP摻量為30%與RAP摻量為35%的混合料所用油石比相同，但RAP摻量不同，則RAP摻量為35%的混合料熱拌融合后瀝青多于RAP摻量為30%的混合料，RAP摻量為35%的混合料瀝青飽和度略高。相對于D1和D3鋼渣瀝青混凝土而言，RAP的摻入會降低摻鋼渣再生瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)定度，且隨著RAP摻量的增大而降低。但摻鋼渣再生瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)定度均大于20.00 kN，相對于D2和D4普通瀝青混凝土，在滿足規(guī)范要求的基礎上，高于普通瀝青混凝土。

表12 AC-13摻鋼渣再生瀝青混凝土體積指標

(2)由表13可得：摻鋼渣再生瀝青混合料制備的SMA-13的空隙率、VMA、VFA等各項體積指標均滿足規(guī)范要求。

表13 SMA-13摻鋼渣再生瀝青混凝土體積指標

2.2 高溫穩(wěn)定性

通過車轍試驗評價混凝土的高溫穩(wěn)定性能，按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行車轍試驗。結果見表14。

表14 AC-13摻鋼渣再生瀝青混凝土車轍試驗結果

由表14可知：RAP摻量為25%、30%、35%時摻鋼渣再生瀝青混凝土動穩(wěn)定度均大于2 000次/mm(規(guī)范要求1 000次/mm)，較高于普通瀝青混凝土D2。但是隨著RAP摻量的增加，AC-13摻鋼渣再生瀝青混凝土的動穩(wěn)定度逐漸降低，這是因為雖然RAP中老化瀝青黏度大于新瀝青，可提高混合料的勁度，從而提高混合料的高溫性能，但由于加入新瀝青后瀝青黏度被調和，從而RAP摻量的增加對混合料的勁度提高能力不明顯；另一方面，因為鋼渣大部分作為粗集料加入，因其本身材料模量大，所以瀝青混凝土的動穩(wěn)定度會增加，表明鋼渣的摻入可改善混凝土的高溫性能。RAP摻量增加，鋼渣的摻量減少，所以混合料的動穩(wěn)定度逐漸下降。

2.3 水穩(wěn)定性

浸水馬歇爾試驗結果如表15所示。

表15 AC-13摻鋼渣再生瀝青混凝土浸水殘留穩(wěn)定度試驗結果

由表15可得：除RAP摻量為35%的試驗組外，各組的浸水殘留穩(wěn)定度均大于80%。但是隨著RAP摻量的增加，混合料的浸水殘留穩(wěn)定度降低，且RAP為25%的混合料浸水殘留穩(wěn)定度高于對比組1，這是因為RAP剛剛加入混合料時，再生混合料模量增加，從而水穩(wěn)定性會增加，但隨著舊料的摻量增大，再生料的抗水損害能力會降低，且混合料中舊料的增多使得混合料受老化瀝青的影響要大于再生瀝青混凝土模量增加的影響，所以水穩(wěn)定性會下降。主要是因為水進入了骨料和瀝青界面之間，逐漸使瀝青與骨料脫落形成界面破壞，RAP的老化瀝青與骨料之間黏附性低于新瀝青與骨料，所以水會更加容易進入，形成界面破壞降低水穩(wěn)定性。但是對比D2和D1組可知，鋼渣的加入可提高混合料的水穩(wěn)定性，所以摻鋼渣再生瀝青混凝土的水穩(wěn)定性依然可滿足規(guī)范要求。

2.4 劈裂試驗

劈裂試驗結果如表16所示。

表16 AC-13摻鋼渣再生瀝青混凝土劈裂強度試驗結果

由表16可得：AC-13摻鋼渣再生瀝青混凝土劈裂強度呈下降趨勢，主要因為舊料的老化影響增加會降低劈裂強度。RAP增加則混合料的劈裂強度降低，但鋼渣瀝青混凝土的劈裂強度(D1)明顯大于普通瀝青混凝土(D2)，則說明鋼渣的勁度模量大，可提高混合料抗彎效果，3組試驗組的劈裂強度仍大于普通瀝青混凝土。

2.5 低溫性能

低溫彎曲蠕變試驗結果如表17所示。

表17 AC-13摻鋼渣再生瀝青混凝土低溫彎曲蠕變試驗結果

由表17可知：AC-13摻鋼渣再生瀝青混凝土的梁底彎拉應變值均大于普通瀝青混凝土。但是隨著RAP摻量的增加，混合料的梁底彎拉應變值逐漸減小，但仍大于普通瀝青混凝土，由此可得鋼渣的摻入可提高再生瀝青混合料的低溫性能，但隨著RAP摻量的增加，再生瀝青混合料的低溫性能逐漸降低。根據低溫破壞原理，低溫斷裂過程中，裂縫擴散中遇到的粒徑越大，裂縫就會更容易沿著顆粒表面延伸展開。結合混合料的合成級配結果(表6)可知，混合料4.75 mm通過率隨著RAP摻量的增加而降低，級配逐漸變“粗”，RAP摻量的增加使混合料的級配變粗從而降低了混合料的低溫性能。但由于鋼渣的摻入，鋼渣與瀝青的黏結性較強，可對低溫性能有較大改善，摻鋼渣再生瀝青混合料的低溫性能仍優(yōu)于普通瀝青混凝土。

2.6 SMA-13試驗結果與分析

SMA試驗結果如表18所示。

表18 SMA-13摻鋼渣瀝青混凝土性能試驗結果

由表18可知：SMA-13高低溫性能、水穩(wěn)定性以及劈裂強度滿足規(guī)范要求，且優(yōu)于普通瀝青混凝土。

3 結論

(1)鋼渣與RAP作為全部集料制備的AC和SMA型摻鋼渣再生瀝青混凝土，其高低溫性能、劈裂強度、水穩(wěn)定性均滿足路面設計規(guī)范要求，摻鋼渣再生瀝青混凝土用于路面鋪裝，可提高RAP與鋼渣的消納率。

(2)RAP摻量的增加會降低摻鋼渣再生瀝青混凝土的高溫性能和低溫性能，鋼渣相比于天然集料與RAP制備再生瀝青混合料時，鋼渣有助于提高再生瀝青混合料的高低溫性能，RAP摻量為35%時，混合料的動穩(wěn)定度仍可達到2 431次/mm，梁底彎拉應變可達到2 483.3 με。RAP摻入會降低瀝青混合料的水穩(wěn)定性，摻入鋼渣后可得到改善，摻鋼渣再生瀝青混凝土在RAP摻量為30%時浸水殘留穩(wěn)定度為83.1%，滿足規(guī)范要求。另外，摻鋼渣再生瀝青混凝土的劈裂強度也隨RAP摻量的增加而降低，但均大于2 MPa，仍高于普通瀝青混凝土。

(3)SMA-13摻鋼渣再生瀝青混凝土的動穩(wěn)定度可達3 773次/mm，劈裂強度為1.86 MPa，梁底彎拉應變也可達2 572.1 με，浸水殘留穩(wěn)定度為82.1%，均滿足規(guī)范要求。