基于路用性能的摻鋼渣透水瀝青混合料設(shè)計(jì)*

劉明金, 柯望, 李闖民

(1.萍鄉(xiāng)公路勘察設(shè)計(jì)院, 江西 萍鄉(xiāng) 337000；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué), 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

鋼渣產(chǎn)量占鋼鐵總量的12%～15%，中國(guó)鋼渣年產(chǎn)量在1億t以上，而鋼渣綜合利用率僅為30%。對(duì)摻鋼渣瀝青混合料的研究一直在進(jìn)行，如Mansour Fakhri等的研究表明，瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度、抗水損壞能力和抗疲勞性能都隨著鋼渣摻量的增加而提高，而不同應(yīng)力條件下的相位角降低；Martinho F. C. G.等的試驗(yàn)結(jié)果表明，在瀝青混合料中添加電弧爐鋼渣可提升混合料的高溫穩(wěn)定性；Kavyashree L.Magadi等的研究表明，與采用傳統(tǒng)集料的瀝青混合料相比，所有含鋼渣瀝青混合料的質(zhì)量均符合道路運(yùn)輸和公路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求;Shen Der-Hsien等的試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)碎石相比，鋼渣的摻入可極大地減少瀝青路面產(chǎn)生的噪音，建議將碎石全部替換為轉(zhuǎn)爐鋼渣；Hugo Alexander等將不同摻量高爐鋼渣作為粗骨料對(duì)石灰?guī)r進(jìn)行替換，結(jié)果表明高爐鋼渣對(duì)石灰?guī)r的部分替換使瀝青混合料的路用性能顯著增強(qiáng)，但大量替換后瀝青混合料的路用性能降低，完全替換后路用性能較差；申愛琴等制備4種不同鋼渣摻量瀝青混合料進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，結(jié)果顯示，摻入30%鋼渣時(shí)，其疲勞壽命最長(zhǎng)。目前對(duì)透水瀝青混合料的研究集中在高黏劑的影響分析，鋼渣代替碎石主要集中在密級(jí)配瀝青混合料類型，應(yīng)用于透水瀝青混合料的研究較少。萍鄉(xiāng)市約有近千萬(wàn)噸的鋼渣堆積成山，污染當(dāng)?shù)丨h(huán)境。該文采用江西萍鄉(xiāng)萍鋼安源鋼鐵有限公司的鋼渣(下稱萍鋼鋼渣)進(jìn)行摻鋼渣透水瀝青混合料PAC-13優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究摻鋼渣透水瀝青混合料的適合摻量、級(jí)配和油石比。

1 原材料

1.1 瀝青

根據(jù)萍鄉(xiāng)的氣候和交通量特點(diǎn)，選用國(guó)產(chǎn)高黏改性瀝青，按照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)其進(jìn)行性能檢測(cè)，結(jié)果見表1，滿足CJJ/T 190-2012《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》對(duì)改性瀝青的技術(shù)要求。

表1 HVA高黏改性瀝青性能檢測(cè)結(jié)果

1.2 萍鋼鋼渣

1.2.1 鋼渣的物理力學(xué)性能

將鋼渣作為骨料摻配到瀝青混合料中，與其相關(guān)的規(guī)范有GB/T 25824-2010《道路用鋼渣》和JT/T 1086-2016《瀝青混合料用鋼渣》，與JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》相比，這2個(gè)規(guī)范在某些技術(shù)要求上有所不同，主要體現(xiàn)在表觀密度、吸水率、針片狀和磨耗值等方面。采用陳伏期1年以上的萍鋼鋼渣(見圖1)，依據(jù)JT/T 1086-2016《瀝青混合料用鋼渣》對(duì)其進(jìn)行物理力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果見表2。

圖1 萍鋼鋼渣

表2 鋼渣的物理力學(xué)性能指標(biāo)

由表2可知：萍鋼鋼渣的各項(xiàng)物理力學(xué)性能均滿足JT/T 1086-2016《瀝青混合料用鋼渣》的技術(shù)要求，可用來(lái)制備摻鋼渣透水瀝青混合料。

1.2.2 鋼渣混合料的穩(wěn)定性

鋼渣中的游離氧化鈣遇水會(huì)生成Ca(OH)2，造成體積膨脹。采用浸水膨脹率評(píng)價(jià)鋼渣混合料的體積穩(wěn)定性。依據(jù)GB/T 24175-2009《鋼渣穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》對(duì)鋼渣浸水膨脹率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 鋼渣混合料10 d膨脹量

由表3可知：3個(gè)鋼渣樣品的浸水膨脹率分別為1.03%、1.08%、1.1%，符合JT/T 1086-2016《瀝青混合料用鋼渣》中鋼渣浸水膨脹率小于1.8%的技術(shù)要求。

1.3 粗細(xì)集料和礦粉

粗集料選用輝綠巖，細(xì)集料為0～5 mm機(jī)制砂。根據(jù)JTG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表4、表5。

表4 輝綠巖的性能檢測(cè)結(jié)果

表5 機(jī)制砂的性能檢測(cè)結(jié)果

1.4 填料

按照J(rèn)TG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)填料進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表6。

表6 礦粉的性能檢測(cè)結(jié)果

1.5 纖維穩(wěn)定劑

采用絮狀木質(zhì)纖維，其性能檢測(cè)結(jié)果見表7，滿足規(guī)范對(duì)瀝青混合料用木質(zhì)纖維的技術(shù)要求。

表7 木質(zhì)纖維的性能檢測(cè)結(jié)果

2 摻鋼渣瀝青混合料PAC-13級(jí)配優(yōu)選

影響摻鋼渣瀝青混合料PAC-13配合比設(shè)計(jì)的因素包括級(jí)配、鋼渣摻量及油石比。采用正交試驗(yàn)對(duì)這3個(gè)因子進(jìn)行研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定最佳組合因子。

(1) 級(jí)配。級(jí)配是影響體積參數(shù)的重要因素。構(gòu)建3條級(jí)配曲線，使關(guān)鍵篩孔2.36 mm通過(guò)率為中值、偏上限和偏下限。該級(jí)配合成曲線以各檔輝綠巖的篩分?jǐn)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，根據(jù)各檔規(guī)格集料篩分結(jié)果，PAC-13合成級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果見表8。合成級(jí)配的通過(guò)率視為體積通過(guò)率。

表8 PAC-13合成級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果

(2) 鋼渣摻量。根據(jù)PAC-13級(jí)配設(shè)計(jì)3種鋼渣與碎石比例，考慮到萍鋼細(xì)鋼渣的游離氧化鈣和含泥量難以有效抑制，只將鋼渣作為粗集料替換，比例分別為鋼渣∶輝綠巖碎石=25∶75、鋼渣:輝綠巖碎石=50∶50、鋼渣∶輝綠巖碎石=75∶25。中國(guó)按照體積的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，對(duì)于相對(duì)密度差0.2以內(nèi)的不同集料，這種設(shè)計(jì)方法不會(huì)帶來(lái)太嚴(yán)重的后果，但如果兩種集料之間密度差別很大，則會(huì)造成實(shí)際顆粒組成與設(shè)計(jì)級(jí)配嚴(yán)重不符。因此，鋼渣與輝綠巖集料密度相差較大時(shí)，需對(duì)鋼渣進(jìn)行等體積換算(換算方法見文獻(xiàn)[22])，調(diào)整各檔集料之間的質(zhì)量組成比例，使鋼渣摻入后可保持相同的級(jí)配，避免出現(xiàn)級(jí)配變化。

(3) 油石比。采用國(guó)產(chǎn)高黏改性瀝青，選取3種油石比，分別為4.5%、5.0%、5.5%。

采用L9(34)正交試驗(yàn)表，在各因子各水平下進(jìn)行體積參數(shù)測(cè)定。正交因子水平見表9，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表10。

表9 正交因子水平

根據(jù)表10，選取空隙率、連通空隙率作為優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表11。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，分析鋼渣摻量、級(jí)配、油石比對(duì)空隙率和連通空隙率的影響，結(jié)果見表12。

表10 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表11 空隙率和連通空隙率的正交試驗(yàn)結(jié)果

表12 正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

由表12可知：3個(gè)因子對(duì)空隙率和連通空隙率的影響程度大小依次為級(jí)配、油石比、鋼渣摻量。

PAC-13最佳組合因子條件是滿足體積參數(shù)要求、油石比最大、設(shè)計(jì)空隙率盡量接近目標(biāo)空隙率，要求空隙率為18%～25%、連通空隙率大于14%、目標(biāo)設(shè)計(jì)空隙率為21%，綜合考慮，確定最佳組合因子為級(jí)配2、油石比5.0%、鋼渣摻量25%。

3 不同摻量鋼渣瀝青混合料最佳油石比及體積參數(shù)

確定最佳油石比的方法，透水瀝青混合料與傳統(tǒng)密級(jí)配瀝青混合料不盡相同。對(duì)于大空隙瀝青混合料，常使用析漏和飛散試驗(yàn)確定，析漏試驗(yàn)確定最大瀝青用量，飛散試驗(yàn)確定最小瀝青用量。根據(jù)析漏損失和飛散損失與油石比的關(guān)系確定最佳瀝青用量的合適范圍，一般將該范圍的中值作為最佳瀝青用量。選取級(jí)配2，對(duì)3種鋼渣摻量混合料與不摻鋼渣的輝綠巖瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比，纖維摻量固定為混合料質(zhì)量的0.3%。確定的最佳油石比和體積參數(shù)見表13。

表13 不同鋼渣摻量透水混合料的最佳油石比和體積參數(shù)

由表13可知：鋼渣的摻入使PAC-13的最佳油石比增大，鋼渣的多孔特性使其擁有比輝綠巖集料更強(qiáng)的吸油特性；空隙率和連通空隙率隨著鋼渣的摻入略微增加，鋼渣的棱角比輝綠巖更豐富是造成空隙率變大的原因；穩(wěn)定度也隨著鋼渣的摻入而增大，鋼渣擁有較高的強(qiáng)度是穩(wěn)定度增大的主要原因；3種摻量混合料的流值、析漏損失和飛散損失均滿足規(guī)范要求。

4 摻鋼渣瀝青混合料技術(shù)性能試驗(yàn)與分析

選擇不摻鋼渣和鋼渣摻量為25%、50%、75%的礦料級(jí)配，纖維摻量固定為混合料質(zhì)量的0.3%，在各自最佳油石比下配制透水瀝青混合料進(jìn)行路用性能試驗(yàn)。

4.1 高溫穩(wěn)定性

通過(guò)車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)摻鋼渣透水瀝青混合料的高溫性能，試驗(yàn)結(jié)果見表14。

表14 摻鋼渣PAC-13瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表14可知：鋼渣的摻入增大了混合料的動(dòng)穩(wěn)定度。在50%鋼渣摻量時(shí)，車轍深度最小，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最大，為5 127次/mm，比不摻鋼渣的輝綠巖混合料提高26.1%，鋼渣的摻入改善了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。其原因可能是強(qiáng)堿性鋼渣與弱酸性瀝青發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，羧基與碳?xì)滏I結(jié)合產(chǎn)生較高的黏聚力，使混合料在高溫條件下抵抗變形的能力增強(qiáng)；同時(shí)鋼渣粗糙的表面增強(qiáng)了集料間的嵌擠力，進(jìn)而提高了混合料的抗剪強(qiáng)度。

4.2 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)研究摻鋼渣透水瀝青混合料的水穩(wěn)定性，殘留穩(wěn)定度見表15，凍融試驗(yàn)強(qiáng)度比見表16。

表15 摻鋼渣PAC-13瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表16 摻鋼渣PAC-13瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表15、表16可知：不同鋼渣摻量混合料和不摻鋼渣混合料的殘留穩(wěn)定度、凍融試驗(yàn)強(qiáng)度比均滿足規(guī)范的技術(shù)要求。隨著鋼渣摻量的增加，混合料的水穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，鋼渣的摻入提高了瀝青混合料的抗水損害能力。其原因可能在于鋼渣超強(qiáng)的堿性與瀝青中的酸性基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，鋼渣對(duì)瀝青的吸附力比輝綠巖更強(qiáng)，增加了鋼渣-瀝青之間的黏附力。結(jié)合浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果，相對(duì)于輝綠巖，摻鋼渣能提高瀝青混合料的抗水損害能力。

4.3 低溫抗裂性

采用彎曲試驗(yàn)研究摻鋼渣透水瀝青混合料的低溫性能，試驗(yàn)結(jié)果見表17。

表17 摻鋼渣PAC-13瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表17可知：摻入鋼渣后，混合料的最大彎拉應(yīng)變變化不大，鋼渣的摻入并沒有明顯提升混合料的低溫彎拉應(yīng)變。低溫開裂性能主要受瀝青性質(zhì)的影響，集料的性質(zhì)對(duì)低溫性能無(wú)明顯質(zhì)的提升。在最大彎拉應(yīng)變相同的情況下，勁度模量越高，混合料的承載能力越強(qiáng)，隨著鋼渣摻量的增加，透水瀝青混合料的勁度模量增大，說(shuō)明鋼渣提高了混合料的承載能力。

4.4 體積穩(wěn)定性

摻鋼渣透水瀝青混合料的體積穩(wěn)定性關(guān)乎鋼渣是否可以應(yīng)用到瀝青混合料中。為研究因游離氧化鈣的存在而引起的瀝青砼膨脹，檢測(cè)摻鋼渣瀝青混合料的體積膨脹率，結(jié)果見表18。

表18 摻鋼渣PAC-13瀝青混合料體積膨脹率檢測(cè)結(jié)果

由表18可知：不同鋼渣摻量下透水瀝青混合料的膨脹率均小于1.5%，滿足規(guī)范要求。原因是所用鋼渣在自然條件下已陳伏1年以上，鋼渣自身的游離氧化鈣已消解到限制范圍。隨著鋼渣摻量的增大，瀝青混合料的膨脹率逐漸增大。原因主要是摻入鋼渣越多，混合料中游離氧化鈣越多。

4.5 疲勞性能

瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范將層底拉應(yīng)變?cè)O(shè)置為瀝青混合料層疲勞開裂的控制指標(biāo)，且拉應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)在20 ℃條件下進(jìn)行。采用偏正弦、控制應(yīng)變的方式對(duì)試件進(jìn)行加載，加載頻率為10 Hz，應(yīng)變水平控制在400×10-6。對(duì)摻鋼渣透水瀝青混合料進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表19。

表19 摻鋼渣PAC-13瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由表19可知：鋼渣摻量為25%時(shí)PAC-13的疲勞壽命最大，為50%時(shí)與輝綠巖混合料持平，75%摻量時(shí)疲勞壽命下降。部分鋼渣摻入帶來(lái)混合料疲勞性能提升的原因，主要是瀝青混合料的開裂集中在瀝青-礦料界面處，瀝青-礦料的界面強(qiáng)度是影響瀝青混合料疲勞性能的關(guān)鍵因素，鋼渣粗糙表面的復(fù)雜紋理增大了集料和瀝青之間化學(xué)交互作用的接觸面積，且鋼渣集料表面的某些堿活性與瀝青中的酸性基團(tuán)產(chǎn)生反應(yīng)，極大增強(qiáng)了鋼渣與瀝青的黏附作用和相容性；鋼渣的多孔特性為瀝青膠漿提供了豐富的浸潤(rùn)界面，瀝青膠漿可在與鋼渣的接觸面上嵌入一定深度，從而增大了瀝青膜厚度，使瀝青-礦料的界面結(jié)構(gòu)更穩(wěn)固，混合料的疲勞壽命提高。但過(guò)多的鋼渣會(huì)使混合料的疲勞壽命降低，其原因是鋼渣摻量大的瀝青混合料的初始勁度模量大，在相同應(yīng)變水平下受到的疲勞應(yīng)力增大，疲勞壽命降低。

4.6 動(dòng)態(tài)模量

動(dòng)態(tài)模量是反映瀝青混合料黏彈性的重要指標(biāo)，也是設(shè)計(jì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。選用單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)試摻鋼渣透水瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量，加載頻率10 Hz，試驗(yàn)溫度20 ℃。透水瀝青混合料在最佳油石比下的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果見表20。

表20 摻鋼渣PAC-13瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

由表20可知：摻鋼渣透水瀝青混合料PAC-13的動(dòng)態(tài)模量比不摻鋼渣混合料的高。在相同溫度和荷載條件下，動(dòng)態(tài)模量越大，混合料的抗高溫變形能力越強(qiáng)?？梢?，鋼渣的摻入提高了混合料的高溫性能。但也存在一個(gè)適合摻量，原因是適合的鋼渣摻量在一定程度上提高了透水混合料的整體性。

綜合考慮摻鋼渣瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性、低溫性能、體積穩(wěn)定性和疲勞性能，對(duì)于PAC-13瀝青混合料，萍鋼鋼渣的最佳級(jí)配為級(jí)配2，鋼渣適宜摻量為25%～50%，采用體積法進(jìn)行摻鋼渣瀝青混合料級(jí)配合成，用析漏和飛散試驗(yàn)確定最佳油石比，如此設(shè)計(jì)的摻鋼渣透水瀝青混合料的綜合路用性能最優(yōu)。

5 結(jié)論

為設(shè)計(jì)綜合性能最佳的摻鋼渣透水瀝青混合料，選取級(jí)配、鋼渣摻量和油石比進(jìn)行正交試驗(yàn)制備透水瀝青混合料，以最佳級(jí)配、不同摻量鋼渣進(jìn)行透水瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)和路用性能試驗(yàn)，獲得以下結(jié)論：

(1) 對(duì)摻鋼渣透水瀝青混合料空隙率的影響程度依次為級(jí)配、油石比、鋼渣摻量。以PAC-13體積參數(shù)滿足規(guī)范要求為目標(biāo)，優(yōu)選的最佳組合因子為級(jí)配2、鋼渣摻量25%、油石比5%。

(2) 隨鋼渣摻量增加，透水瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度和凍融試驗(yàn)強(qiáng)度比均出現(xiàn)不同幅度增長(zhǎng)，體積膨脹率增大，最佳摻量為50%。鋼渣摻量為25%，摻鋼渣瀝青混合料PAC-13的疲勞壽命最大。鋼渣的摻入增大了混合料的動(dòng)態(tài)模量，最佳摻量為25%。鋼渣的摻入并未明顯改善瀝青混合料的低溫性能，但彎曲應(yīng)變滿足規(guī)范要求。

(3) 設(shè)計(jì)綜合路用性能最優(yōu)的摻鋼渣透水瀝青混合料PAC-13的條件是采用級(jí)配2，鋼渣摻量為25%～50%，通過(guò)析漏和飛散試驗(yàn)確定最佳油石比。