鋼渣瀝青混合料路用性能及粗集料棱角性分析研究

王恩波 王小冬 侯博元

摘 要：為了研究鋼渣對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析了以玄武巖和鋼渣為粗集料時(shí)，AC-13和SMA-13兩種瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性﹑低溫抗裂性﹑水穩(wěn)定性﹑抗滑性和動(dòng)態(tài)流變性能，并由數(shù)字圖像分析技術(shù)對(duì)比了SMA-13中玄武巖和鋼渣顆粒的棱角性。試驗(yàn)結(jié)果顯示：鋼渣對(duì)AC-13的高溫穩(wěn)定性起弱化作用，對(duì)SMA-13的高溫穩(wěn)定性起增強(qiáng)作用;鋼渣對(duì)AC-13和SMA-13的低溫抗裂性﹑水穩(wěn)定性和抗滑性都起到明顯的增強(qiáng)作用，且能提高兩種瀝青混合料在高溫和低溫時(shí)的車轍因子，改變?yōu)r青混合料的動(dòng)態(tài)流變屬性;相比于玄武巖顆粒，鋼渣顆粒的棱角性更明顯。

關(guān)鍵詞：道路工程;鋼渣瀝青混合料;路用性能;動(dòng)態(tài)流變性能;棱角性

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）10-0178-04

Analysis and Research on Pavement Performance and Rough Aggregate Angularity of Steel Slag Asphalt Mixture

Wang Enbo1， Wang Xiaodong2， Hou Boyuan3

（1. Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China; 2. China United Northwest Institute for Engineering Design & Research Co.， Ltd.， Xi an 710082， China ; 3. Beijing Anjie Engineering Consulting Co.， Ltd.， Beijing 100037， China）

Abstract：In order to study the influence of steel slag on the pavement performance of asphalt mixture， this paper compares and analyzes the high temperature stability， low temperature crack resistance， water stability， skid resistance and dynamic rheological properties of AC-13 and SMA-13 asphalt mixtures when basalt and steel slag are used as coarse aggregates through experiments， and by digital image analysis technology compared SMA-13 basalt and steel slag particles angularity. The results show that steel slag weakens the high temperature stability of AC-13 and enhances the high temperature stability of SMA-13， and steel slag enhances the low temperature anti-crack water stability and anti-slide property of AC-13 and SMA-13， the rutting factor of two kinds of asphalt mixture at high and low temperature can be improved， and the dynamic rheological property of asphalt mixture can be changed， compared with basalt particles， the angularity of steel slag particles is more obvious.

Key words：road engineering; slag asphalt mixture; road performance; dynamic rheological performance; angularity

0 前言

鋼渣是煉鋼時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物，在我國(guó)每年的產(chǎn)量都維持在一億噸作用，但其利用率僅為25%左右[1～3]，大量的廢棄鋼渣不僅占用了大量的土地，而且對(duì)環(huán)境造成了極大的污染[4～5]，因此如何合理利用鋼渣對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)至關(guān)重要。另一方面隨著我國(guó)道路交通事業(yè)的迅速發(fā)展，且對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的路面碎石集料來(lái)源受到越來(lái)越多的限制[6～8]，因此尋求優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的新型道路材料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而鋼渣具有良好的棱角性，較高的硬度和強(qiáng)度，耐磨性能好，力學(xué)性質(zhì)與天然石料較接近[9～10]，將其應(yīng)用在道路工程中，不僅能實(shí)現(xiàn)廢棄材料的再利用，而且能對(duì)節(jié)省工程造價(jià)和保護(hù)環(huán)境產(chǎn)生良好的效應(yīng)。然而將鋼渣摻入瀝青混合料中，瀝青混合料路用性能會(huì)發(fā)生怎樣的改變，值得深入研究?；诖?，文章選用AC-13和SMA-13兩種瀝青混合料，測(cè)定鋼渣摻入后兩種瀝青混合料路用性能和動(dòng)態(tài)流變性能的變化規(guī)律，分析鋼渣在道路工程中利用的可行性，為鋼渣的循環(huán)再利用提高理論參考。

1 原材料

瀝青選用AS70#基質(zhì)瀝青，基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示;鋼渣采用北京某公司生產(chǎn)的陳伏鋼渣，經(jīng)過(guò)篩分后取4.75～16mm為試驗(yàn)所用，經(jīng)測(cè)定鋼渣的各項(xiàng)物理力學(xué)性能指標(biāo)均能滿足《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE 42—2005）的要求，鋼渣主要化學(xué)成分如表2所示。AC-13和SMA-13的合成級(jí)配如表3所示。經(jīng)馬歇爾試驗(yàn)確定的玄武巖AC-13﹑鋼渣AC-13﹑玄武巖SMA-13和鋼渣SMA-13四種瀝青混合料的最佳油石比分別為4.9%、5.2%、4.0%和4.3%。

2 鋼渣瀝青混合料路用性能

對(duì)4種瀝青混合料分別進(jìn)行車轍試驗(yàn)﹑小梁低溫彎曲試驗(yàn)﹑浸水馬歇爾試驗(yàn)和抗滑性能試驗(yàn)，對(duì)比分析4種瀝青混合料的路用性能指標(biāo)，研究鋼渣對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，鋼渣AC-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度小于玄武巖AC-13，而鋼渣SMA-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度大于玄武巖SMA-13，表明瀝青混合料級(jí)配類型不同，鋼渣對(duì)高溫穩(wěn)定性的影響不同。解釋其原因主要為，在骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)中，粗集料顆粒相互嵌擠，相比于玄武巖顆粒，鋼渣骨料顆粒相互接觸時(shí)具有更高的內(nèi)摩阻力，因此對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性起到改善作用;而在懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)中，鋼渣顆粒與細(xì)集料的物理屬性不同，在外力作用下更容易隨細(xì)集料發(fā)生流動(dòng)變形，因此反而對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性起弱化作用。鋼渣AC-13瀝青混合料和玄武巖AC-13瀝青混合料的彎拉應(yīng)變值差別較小，而在SMA-13瀝青混合料中，鋼渣的摻入明顯提高了彎拉應(yīng)變;AC-13和SMA-13兩種瀝青混合料中，鋼渣的摻入都能明顯提高瀝青混合料的斷裂能，表明鋼渣能改善瀝青混合料的低溫抗裂性，且對(duì)SMA-13的改善效果更明顯。這是因?yàn)殇撛鼮r青混合料瀝青用量更大，低溫荷載作用下瀝青混合料的變形能力更好，因此低溫抗裂性更佳。

AC-13和SMA-13兩種瀝青混合料，用鋼渣代替玄武巖粗集料后，兩種瀝青混合料的馬歇爾殘留穩(wěn)定度均有所提高，表明鋼渣能提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。解釋其原因主要為，鋼渣本身在高溫水環(huán)境下的膨脹率較小，且鋼渣呈堿性，與酸性的瀝青有更強(qiáng)的粘結(jié)力，在水作用下發(fā)生剝落的可能性較小，因此瀝青混合料水穩(wěn)定性更佳。AC-13和SMA-13兩種瀝青混合料中，以鋼渣替代玄武巖粗集料都會(huì)使路面的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)增大，抗滑性能得到改善，這主要是因?yàn)殇撛陨淼哪ズ闹荡笥谛鋷r集料，鋼渣表面更佳的紋理結(jié)構(gòu)能為路面提供更好的摩擦力，因此提高了抗滑性。

3 鋼渣瀝青混合料動(dòng)態(tài)流變性能

為了研究鋼渣對(duì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)流變性能的影響，利用動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，測(cè)定4種瀝青混合料復(fù)數(shù)模量E*和相位角δ 隨加載頻率的變化規(guī)律，并得到10℃和45℃時(shí)瀝青混合料的車轍因子E*/sin δ，評(píng)價(jià)低溫和高溫時(shí)4種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)流變性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，在低溫條件下，同種集料的AC-13和SMA-13瀝青混合料的車轍因子相差很小，而當(dāng)瀝青混合料級(jí)配相同時(shí)，以鋼渣為粗集料的瀝青混合料的車轍因子明顯大于以玄武巖集料為粗集料的瀝青混合料，表明低溫時(shí)瀝青混合料的動(dòng)態(tài)流變性主要取決于粗集料種類，受混合料級(jí)配類型的影響較小。這主要是因?yàn)榈蜏貢r(shí)瀝青模量和粘聚力較大，對(duì)瀝青混合料整體的承載力貢獻(xiàn)較多，因此級(jí)配類型對(duì)動(dòng)態(tài)流變性能的影響較小。而集料不同，瀝青混合料低溫受力時(shí)整體的骨架承載力不同，相比于玄武巖集料，鋼渣具有更高的力學(xué)強(qiáng)度，因此鋼渣瀝青混合料的車轍因子更大。

高溫時(shí)相同集料的瀝青混合料，SMA-13的車轍因子明顯大于AC-13，當(dāng)瀝青混合料級(jí)配類型一致時(shí)，鋼渣瀝青混合料高溫時(shí)的車轍因子明顯大于玄武巖瀝青混合料。這主要是因?yàn)楦邷貢r(shí)，瀝青粘度降低，粘性成分比例增大。此時(shí)SMA-13良好的骨架結(jié)構(gòu)有利于抵抗荷載作用下瀝青混合料的變形的能力較好，因此車轍因子大于AC-13。瀝青混合料級(jí)配類型相同時(shí)，鋼渣較好的力學(xué)強(qiáng)度為瀝青混合料提供了更好的承載力，因此比玄武巖瀝青混合料的車轍因子大。

4 粗集料棱角性分析

為了探究鋼渣對(duì)瀝青混合料性能的改善機(jī)理，選用SMA-13瀝青混合料，利用數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)瀝青混合料中兩種集料的棱角性進(jìn)行對(duì)比分析。

分析時(shí)將粗集料顆粒看成是與圖形區(qū)域擁有相同二階中心矩的橢圓，等效橢圓表征了圖形整體的輪廓形狀。選取的評(píng)價(jià)集料棱角性的的二維參數(shù)指標(biāo)有：

（1）表征集料宏觀形狀的等效橢圓的偏心率：對(duì)應(yīng)在圖形上即為橢圓的離心率，偏心率的大小代表了集料形狀偏圓或是細(xì)長(zhǎng)。

（2）棱角性指標(biāo)J：表征集料輪廓的復(fù)雜程度，計(jì)算公式如下：

式中：P為顆粒輪廓周長(zhǎng);Pe為等效橢圓周長(zhǎng)。

表征集料輪廓飽滿程度的填充系數(shù)：對(duì)應(yīng)到圖形中即為圖形面積與外接盒面積的比值。

表征集料細(xì)觀棱角個(gè)數(shù)的Harris角點(diǎn)個(gè)數(shù)。

圖2為兩種粗集料對(duì)應(yīng)的SMA-13時(shí)間界面的拍攝照片，將其通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行灰度化、圖像增強(qiáng)和圖像分割之后，濾去4.75mm及以下的顆粒和瀝青膠漿，得到粗集料的二值圖，如圖3所示。

將圖3對(duì)應(yīng)的圖像在MATLAB中計(jì)算等效橢圓的偏心率、棱角性指標(biāo)和填充系數(shù)。將二值圖壓縮至283×283像素（如圖4所示），搜索兩種瀝青混合料中粗集料的角點(diǎn)數(shù)，其中玄武巖SMA-13中搜索到265個(gè)角點(diǎn)，鋼渣SMA-13中搜索到326個(gè)角點(diǎn)。利用MATLAB對(duì)harris函數(shù)公開(kāi)代碼計(jì)算得到平均每個(gè)集料擁有的角點(diǎn)個(gè)數(shù)。圖像分析的結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，玄武巖粗集料的等效橢圓偏心率和棱角性指標(biāo)小于鋼渣，表明鋼渣集料表面的邊緣復(fù)雜程度較高;玄武巖的填充系數(shù)大于鋼渣，平均角點(diǎn)個(gè)數(shù)小于鋼渣，表明鋼渣的棱角性較強(qiáng)。這就解釋了鋼渣瀝青混合料比玄武巖瀝青混合料路用性能較佳的原因。

5 結(jié)論

鋼渣對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響與集料級(jí)配類型有關(guān)，對(duì)AC-13起弱化作用，對(duì)SMA-13起增強(qiáng)作用;鋼渣能明顯改善AC-13和SMA-13瀝青混合料的低溫抗裂性﹑水穩(wěn)定性和抗滑性。

低溫時(shí)瀝青混合料的車轍因子受集料級(jí)配類型的影響較小，而高溫時(shí)SMA-13的車轍因子明顯大于AC-13，這主要與高低溫時(shí)瀝青的粘彈性變化有關(guān);高低溫狀態(tài)時(shí)，鋼渣的摻入都能明顯提高瀝青混合料的車轍因子，改變?yōu)r青混合料的動(dòng)態(tài)流變性能。

由數(shù)字圖像分析可知，相比于玄武巖顆粒，鋼渣顆粒的棱角性更明顯，顆粒表面的邊緣復(fù)雜程度更高。

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