超薄磨耗層SMA-5鋼渣瀝青混合料性能研究*

邱懷中 楊 超 吳少鵬 謝 君 張登峰

(湖北省交通運(yùn)輸廳漢十高速公路管理處1) 武漢 430000) (武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2) 武漢 430070)

0 引 言

鋼渣的有效資源化利用一直是一個(gè)業(yè)界難題[1-2].近年來研究發(fā)現(xiàn)破碎后的鋼渣具備抗滑耐磨等優(yōu)點(diǎn)，用其制備的瀝青混合料應(yīng)用在路面表層能有效保證行車安全和路面耐久性[3].

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼渣集料在瀝青路面抗滑磨耗層的應(yīng)用展開了大量的研究.王雅婷[4]制備了鋼渣超薄抗滑磨耗層瀝青混合料并測(cè)試其路用性能，結(jié)果表明鋼渣瀝青SMA和SAC混合料分別在鋼渣摻量為40%和60%時(shí)兩種鋼渣瀝青混合料的抗滑性能均滿足規(guī)范要求.相較于一般天然集料，鋼渣瀝青混合料表現(xiàn)出優(yōu)良的抗滑性能.馬永賓等[5]依托高速公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程，對(duì)鋼渣超薄抗滑磨耗層施工進(jìn)行質(zhì)量控制，并檢測(cè)鋼渣集料混合料性能與磨耗層性能.結(jié)果表明：鋼渣可替代磨耗層中部分優(yōu)質(zhì)石料，減少施工成本；同時(shí)鋼渣超薄磨耗層具有良好的抗滑性能與平整度，有效修復(fù)舊路面車轍，恢復(fù)路面摩擦力，提高安全性與舒適性.何培龍等[6]研究了鋼渣以不同摻配比例替代超薄磨耗層的細(xì)集料后的路用性能，結(jié)果表明鋼渣的摻入對(duì)混合料的水穩(wěn)定性沒有實(shí)質(zhì)性影響，不同鋼渣摻量的混凝土水穩(wěn)定性均能較好滿足規(guī)范要求，從而也間接證明了瀝青與鋼渣粘附性較好.Liapis等[7]研究了服役30～41個(gè)月的鋼渣和安山巖制備的磨耗層的路面性能，結(jié)果表明兩種路面的抗滑性能均滿足要求，但鋼渣抗滑薄層的滲透性和宏觀結(jié)構(gòu)深度較安山巖抗滑薄層更大，在雨水天氣會(huì)越少出現(xiàn)打滑和集料飛濺現(xiàn)象.萬九鳴[8]采用鋼渣和玄武巖制備了AC-5和SMA-5兩磨耗層材料，并研究了其對(duì)應(yīng)的路用性能.結(jié)果表明，SMA-5瀝青混合料擁有較好的擺值和構(gòu)造深度，其抗滑性能要優(yōu)于AC-5瀝青混合料；鋼渣的加入會(huì)減小AC-5瀝青混合料的層間剪切位移但提升SMA-5瀝青混合料的層間剪切位移.

以上研究表明，鋼渣抗滑耐磨的優(yōu)點(diǎn)能提升混合料的抗滑性能，用其制備的瀝青混合料的整體路用性能良好.文中基于三種產(chǎn)地鋼渣的性能研究，采用鋼渣和玄武巖復(fù)配工藝制備超薄磨耗層SMA-5鋼渣瀝青混合料，對(duì)比分析其路用性能差異，為鋼渣在超薄磨耗層的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ).

1 原材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

瀝青為內(nèi)蒙古生產(chǎn)的SBS改性瀝青，其基本性能指標(biāo)見表1.

表1 SBS改性瀝青的主要性能指標(biāo)

三種鋼渣分別來自廣西某公司、湖北某公司和包頭某公司的轉(zhuǎn)爐鋼渣(以下分別簡稱廣西鋼渣、湖北鋼渣和內(nèi)蒙鋼渣).三種鋼渣的宏觀外貌見圖1.通過文獻(xiàn)[9]對(duì)三種鋼渣的性能進(jìn)行檢測(cè)，其測(cè)試結(jié)果見表2.

圖1 三種鋼渣的外觀

表2 粗集料(2.36～4.75 mm)的相關(guān)性能測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)細(xì)集料統(tǒng)一采用湖北京山生產(chǎn)的玄武巖，其基本性能指標(biāo)見表3.

表3 玄武巖細(xì)集料(0～2.36 mm)的基本性能指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1鋼渣性能研究

集料的化學(xué)成分和微觀形貌分別采用Axios advanced波長色散型X射線熒光光譜儀(XRF)和JSM-5610LV掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行測(cè)試.三種鋼渣的f-CaO含量采用采用甘油乙醇溶解-苯甲酸無水乙醇溶液滴定法進(jìn)行測(cè)試.鋼渣中f-CaO含量的計(jì)算公式為

f-CaO%=TCaO×V×100/G×1 000

(1)

式中：TCaO為每毫升苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)溶液相當(dāng)于氧化鈣的毫升數(shù)，mg/mL；V為滴定消耗苯甲酸無水乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液的總體積，mL；G為待測(cè)樣品重量，g.

1.2.2鋼渣瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中粗集料(2.36～4.75 mm)采用鋼渣，細(xì)集料使用玄武巖，分別制備四種不同類型的SMA-5瀝青混合料，其合成級(jí)配曲線見圖2.依據(jù)馬歇爾設(shè)計(jì)方法成型四種瀝青混合料，在各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求下，確定鋼渣瀝青混合料和玄武巖瀝青混合料的最佳油石比分別為6.1%和6.3%.聚酯纖維的摻量為混合料質(zhì)量的0.3%.為進(jìn)行后期的性能對(duì)比研究，三種鋼渣瀝青混合料采用相同的油石比.

圖2 鋼渣和玄武巖SMA-5級(jí)配設(shè)計(jì)曲線圖

1.2.3鋼渣瀝青混合料性能研究

瀝青混合料的抗滑性能采用室內(nèi)成型車轍板試件(300 mm×300 mm×50 mm)的表面構(gòu)造深度和擺值指標(biāo)來進(jìn)行表征.其中，參考文獻(xiàn)[10]采用手工鋪砂法進(jìn)行測(cè)試，其計(jì)算公式為

(2)

式中：TD為瀝青混合料的表面構(gòu)造深度，mm；V為砂的體積(實(shí)驗(yàn)測(cè)試中為25 cm3)；D為攤平砂的平均直徑，mm.

瀝青混合料的擺值采用T0964—2008中的擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀(擺式儀)進(jìn)行測(cè)試，擺值最終確定需采用溫度修正值來進(jìn)行相應(yīng)的修正，其修正公式為

BPN20=BPNt+ΔBPN

(3)

式中：BPN20為換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃下的擺值；BPNt為實(shí)際測(cè)試時(shí)的擺值；ΔBPN為溫度修正值.

采用殘留穩(wěn)定度(RMS)和凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性.瀝青混合料的高溫抗車轍性能采用室內(nèi)成型的尺寸為300 mm×300 mm×50 mm車轍板的動(dòng)穩(wěn)定度來表征，測(cè)試溫度為標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的60 ℃.高溫性能采用60 ℃下車轍實(shí)驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度來表征.混合料的低溫性能測(cè)試采用小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試件的尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，實(shí)驗(yàn)溫度為-10 ℃.借助萬能試驗(yàn)機(jī)UTM-25對(duì)四種小梁測(cè)試，所得的最大荷載為

(4)

εB=6×h×d/L2

(5)

SB=RB/εB

(6)

式中：RB為試件的抗彎拉強(qiáng)度；εB為彎拉應(yīng)變；SB為勁度模量；L為試件的跨徑(實(shí)驗(yàn)取200 mm)；PB為小梁試件破壞時(shí)的最大荷載；b，h，d分別為小梁試件的寬度、高度、破壞時(shí)的擾度.

2 鋼渣集料性能研究

2.1 化學(xué)組成

三種鋼渣和玄武巖的化學(xué)組成見表4，雖然鋼渣的成分會(huì)受到原礦石的生產(chǎn)工藝影響，但不同產(chǎn)地鋼渣其元素含量具有相似性.鋼渣中含量最高的元素是Ca，這與煉鋼中加入的助熔劑有關(guān).三種鋼渣集料中，內(nèi)蒙鋼渣的CaO含量最高，同時(shí)其SiO2含量低.玄武巖的化學(xué)成分與鋼渣差異較大，其含量最高的元素是Si，其次是Al.鋼渣中含量高的堿性氧化物能與瀝青中的羧酸發(fā)生中和化學(xué)反應(yīng)生成具有強(qiáng)吸附性的鹼土鹽，從而在集料與瀝青間形成傳遞應(yīng)力的界面層，進(jìn)而增強(qiáng)礦料與瀝青之間的粘附性.

表4 鋼渣和玄武巖的化學(xué)組成

2.2 微觀形貌

鋼渣的表面較玄武巖粗糙，其表面含有許多不規(guī)則形狀，這些豐富的表面紋理會(huì)增大其與瀝青的有效接觸面積，從而提升其與瀝青的黏附性.鋼渣含有許多微小孔隙，這些孔隙使鋼渣的吸水率較高，同時(shí)也會(huì)提升對(duì)瀝青的吸收程度.三種鋼渣中，湖北鋼渣的孔隙結(jié)構(gòu)最為豐富.鋼渣和玄武巖的表面均出現(xiàn)微小粉塵聚集的現(xiàn)象，這些聚集粉塵是集料中CaCO3等礦物的水化產(chǎn)物[11].

2.3 f-CaO含量

f-CaO遇水其摩爾體積會(huì)膨脹近1倍，因此鋼渣集料中f-CaO含量直接影響其體積穩(wěn)定性.通過滴定法測(cè)試得到的三種鋼渣的f-CaO含量見圖5.廣西鋼渣的f-CaO含量的最低，其次是內(nèi)蒙鋼渣和湖北鋼渣，三種鋼渣的f-CaO含量均低于2%，遠(yuǎn)高于規(guī)范對(duì)瀝青混合料用鋼渣中不超過3%的要求.因此，三種鋼渣集料應(yīng)用瀝青磨耗層中均不會(huì)出現(xiàn)明顯的體積穩(wěn)定性不良等問題.

圖3 鋼渣的f-CaO含量測(cè)試結(jié)果

3 鋼渣超薄磨耗層性能研究

3.1 抗滑性能

混合料的構(gòu)造深度和換算成20 ℃的擺值見圖4.鋼渣瀝青混合料的構(gòu)造深度均高于玄武巖瀝青混合料.其中，內(nèi)蒙鋼渣的構(gòu)造深度最大，其次是廣西鋼渣和湖北鋼渣組.四種瀝青混合料的構(gòu)造深度均滿足規(guī)范中不小于0.55 mm的要求.內(nèi)蒙鋼渣瀝青混合料的擺值最大，達(dá)到81，遠(yuǎn)高于玄武巖瀝青混合料69的擺值.廣西鋼渣和湖北鋼渣的擺值均達(dá)到76和71，遠(yuǎn)超過規(guī)范中擺值大于45的要求.高的構(gòu)造深度和擺值說明鋼渣瀝青混合料的抗滑性能普遍由于傳統(tǒng)的玄武巖瀝青混合物，這源于鋼渣集料高的磨光值和豐富的表面紋理.

圖4 混合料的抗滑性能測(cè)試結(jié)果

3.2 高溫穩(wěn)定性能

四種瀝青混合料的車轍深度和動(dòng)穩(wěn)定度見表5.由表5可知，鋼渣瀝青混合料的后15 min的車轍深度低于玄武巖瀝青混合料.內(nèi)蒙鋼渣、廣西鋼渣和湖北鋼渣瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別為玄武巖瀝青混合料的1.21倍、1.12倍和1,08倍.這表明，鋼渣作為瀝青超薄磨耗層用集料能明顯提升其抗車轍性能.這是因?yàn)榇嬖阡撛械奈⑿】紫赌芪找欢康淖杂蔀r青，提升結(jié)構(gòu)瀝青與自由瀝青的比例，從而提升混合料的高溫穩(wěn)定性能.同時(shí)，鋼渣棱角豐富和表面粗糙等特點(diǎn)也能大幅提升其與瀝青的粘結(jié)面積，增大混合料的整體力學(xué)強(qiáng)度[12].

表5 瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果

3.3 水穩(wěn)定性能

四種瀝青混合料的穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果見圖5.由圖5可知，內(nèi)蒙鋼渣和湖北鋼渣的穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度(RMS)均高于玄武巖瀝青混合料，這表明采用這兩種鋼渣作為粗集料后，SMA-5瀝青混合料的抗水損害性能提到有效提升.湖北鋼渣瀝青混合料的RMS值略低于玄武巖瀝青混合料，但仍滿足規(guī)范要求.這是因?yàn)楹变撛目紫遁^多，其吸水率高，致使其制備的瀝青混合料由于空隙多的特點(diǎn)而吸收大量的水分，降低其浸水后的殘留穩(wěn)定度，這與前文湖北鋼渣SEM圖像孔隙多的結(jié)論一致.內(nèi)蒙鋼渣對(duì)SMA-5瀝青超薄磨耗層的水穩(wěn)定性的改善效果在于其高堿度的特征使得其瀝青的粘結(jié)性能得到大幅度的提升，從而防止混合料在浸水狀態(tài)下集料表面發(fā)生脫落.

圖5 四種混合料馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

圖6為混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果.由圖6可知，內(nèi)蒙鋼渣瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度比(TSR)值最大，達(dá)到92.4%，其次是玄武巖組和廣西鋼渣組，湖北鋼渣組最低.存在于鋼渣中的金屬陽離子，如Ca2+、Fe3+、Mg2+和Al3+等能與瀝青中的酸性成分通過化學(xué)反應(yīng)生成強(qiáng)粘結(jié)力的瀝青酸鹽，顯著提升鋼渣集料表面對(duì)瀝青的粘附性.較玄武巖瀝青混合料，廣西鋼渣組和湖北鋼渣組其TSR值降低幅度不大，這是因?yàn)檫@兩種鋼渣的吸水率較內(nèi)蒙鋼渣高，在高低溫凍融循環(huán)下孔隙中的水分在混合料內(nèi)部沉積.但是，整體看來，鋼渣集料作為瀝青磨耗層的粗集料不會(huì)對(duì)瀝青混合料的抗水損害性能造成較大影響，其混合料的RMS和TSR指標(biāo)仍遠(yuǎn)高于規(guī)范要求.

圖6 四種混合料劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

3.4 低溫抗裂性能

瀝青混合料在低溫下應(yīng)變大、勁度模量小，代表其在低溫下對(duì)應(yīng)力的抵抗更強(qiáng)，出現(xiàn)脆性斷裂的可能性更小[13].四種瀝青混合料的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)見表6.由表6可知，內(nèi)蒙鋼渣瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變均高于玄武巖瀝青混合料，表明其在低溫下對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)速度更快，其低溫抗裂性能更好.這是因?yàn)閮?nèi)蒙鋼渣的棱角更為豐富，能大幅提升瀝青在集料間隙的嵌擠效果，有效防止瀝青-集料界面在低溫荷載下的脆性斷裂現(xiàn)象.相較于玄武巖組，廣西鋼渣組和湖北鋼渣組的彎拉應(yīng)變指標(biāo)出現(xiàn)了一定程度的降低.這源于兩種鋼渣較高的吸水率，使得鋼渣表面存留的水分降低其與瀝青的有效粘結(jié)作用，同時(shí)存在于鋼渣孔隙中水分也加強(qiáng)了混合料低溫下的脆性斷裂.但兩種瀝青混合料的低溫彎拉應(yīng)變?nèi)詽M足規(guī)范要求，這表明，鋼渣作為粗集料在瀝青超薄磨耗層中的應(yīng)用不會(huì)對(duì)其低溫性能產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性不利影響，不影響其在磨耗層中的正常使用.

表6 瀝青混合料的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

1) 鋼渣具備的堿性氧化物含量高和表面粗糙的特征能有效提升其與瀝青的粘結(jié)性能.

2) 三種轉(zhuǎn)爐鋼渣的f-CaO含量均不超過2%，將鋼渣應(yīng)用瀝青磨耗層中不會(huì)出現(xiàn)明顯的體積穩(wěn)定性不良等問題.

3) 三種鋼渣瀝青混合料的構(gòu)造深度、擺值和動(dòng)穩(wěn)定度均高于對(duì)應(yīng)的玄武巖組，鋼渣在SMA-5瀝青混合料的應(yīng)用能顯著提升混合料的抗滑性能和高溫穩(wěn)定性能.

4) 廣西鋼渣和湖北鋼渣會(huì)適當(dāng)降低混合料的TSR值和彎拉應(yīng)變，但其性能指標(biāo)仍滿足規(guī)范要求.鋼渣在瀝青磨耗層中的應(yīng)用不會(huì)對(duì)混合料的路用性能產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性不利影響.