AC-20全鋼渣集料瀝青混凝土路用性能試驗研究

林志平，肖光書,楊斌，楊黎宏,袁燕,劉勇

(1.福建省高速公路集團有限公司，福建 福州 350001；2.福建路橋建設有限公司，福建 福州 350009；3.漳州通廣云平高速公路有限公司，福建 漳州363305；4.福州大學土木工程學院，福建 福州 350102)

改革開放以來，我國的公路建設取得了舉世矚目的成就。在這個過程中，公路高速的建設消耗了大量石料，大量開采石料導致環(huán)境破壞，這與“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念背道而馳，尋找新集料替代品迫在眉睫。另一方面，煉鋼過程中產生大量鋼渣，數(shù)量約占粗鋼產量的12%～15%[1]。而現(xiàn)階段我國鋼渣的綜合利用率僅為22%[2]，進而導致大量鋼渣堆積，浪費土地，甚至造成嚴重的環(huán)境污染問題。因此將鋼渣用于瀝青混合料具有重要的現(xiàn)實意義，不僅解決道路建設材料不足的問題，而且將鋼渣變廢為寶，減少環(huán)境污染。

國內外對鋼渣在路面中的應用進行了大量的研究。Wang等[3-4]對鋼渣的膨脹特性進行了研究，得出以下結論：可以通過游離氧化鈣的含量估算鋼渣膨脹率；正常情況下，鋼渣膨脹率遠小于其內部孔隙率。Asi等[5]研究了鋼渣在瀝青混合料中的應用，結果表明，用鋼渣代替部分石灰?guī)r粗集料能顯著提高瀝青混合料的間接拉伸強度、蠕變模量、抗車轍能力、疲勞壽命和抗剝落性能。Chen等[6]對密級配鋼渣瀝青混合料和SMA鋼渣瀝青混合料的工程性能進行了研究，結果表明鋼渣瀝青混合料比普通石料瀝青混合料具有更高的間接拉伸強度和彈性模量；鋼渣在密級配混合料中對其抗車轍能力無明顯影響，而在SMA級配中車轍量顯著減少。蔣子杰等[7]對比研究了鋼渣與玄武巖的特性及其相應瀝青混合料的性能，研究表明，鋼渣能大幅提高混合料的動穩(wěn)定度和彎拉應變；鋼渣對混合料的水穩(wěn)定性無不利影響，認為鋼渣粗集料可以用于瀝青路面上面層。薛永杰[8]對SMA鋼渣瀝青混合料的材料基本性能和混合料路用性能進行了較為全面的研究，認為鋼渣瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性以及疲勞性能都比玄武巖和石灰?guī)r瀝青混合料優(yōu)異。Chen等[9]研究了鋼渣細集料用于瀝青混合料的可行性，提出了一套改良流程對鋼渣細集料表面進行處理，發(fā)現(xiàn)其用油量提升較少，路用性能和體積穩(wěn)定性良好。盧發(fā)亮等[10]研究了AC-20鋼渣瀝青混合料和石灰?guī)r瀝青混合料的路用性能，發(fā)現(xiàn)鋼渣瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性，但水穩(wěn)定性較石灰?guī)r混合料差，建議將鋼渣用于路面中下面層。李偉等[11]對鋼渣瀝青混凝土抗壓強度進行研究，發(fā)現(xiàn)油石比對鋼渣瀝青混凝土抗壓強度影響較大，相同級配下，油石比越大，抗壓強度越低，應控制瀝青用量。劉興姚等[12]研究了粗細鋼渣取代部分天然粗集料和細集料對瀝青混凝土抗疲勞性能的影響，結果表明，加入鋼渣能大幅提高瀝青混凝土的抗疲勞性能，其中細鋼渣代替細集料對性能提升最顯著。沈凡等[13]研究了鋼渣再生瀝青混凝土的路用性能，結果表明，AC和SMA級配鋼渣再生瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、劈裂強度均滿足規(guī)范要求。趙小彥[14]研究不同鋼渣的瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性，研究表明，較熱潑鋼渣和熱悶鋼渣，滾筒鋼渣瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性較好。

綜上可知，國內外對鋼渣瀝青混合料實際應用問題做了許多細致研究。鋼渣在破碎時會產生不同粒徑的顆粒，而各種粒徑的顆粒都可能成為瀝青混合料的集料，但國內對鋼渣微粉替代礦粉制備瀝青混合料的可行性研究較少。目前在實驗中僅有鋼渣代替瀝青混合料中的粗骨料進行研究，而用鋼渣和鋼渣微粉代替瀝青混合料中全部粗細骨料研究較少。因此本文通過鋼渣瀝青混合料和砂巖瀝青混合料的對比，分析鋼渣和鋼渣微粉代替瀝青混合料中粗細骨料的可能性。

1 原材料特性及試驗方法

1.1 試驗材料及集料級配

AC-20瀝青混合料分為鋼渣試驗組和砂巖對比組，鋼渣試驗組的粗細集料均為某鋼鐵廠所產鋼渣，砂巖對比組的粗細集料均使用砂巖，其余材料兩者相同。填料為摻入20%消石灰的礦粉，瀝青為70#道路石油瀝青。原材料的技術指標如表1～表3所示，礦料級配見表4。根據(jù)配合比試驗結果，鋼渣試驗組最佳油石比為4.9%，砂巖對比組最佳油石比為4.5%。

表1 70#道路石油瀝青指標Tab.1 Properties of 70# road asphalt

表2 砂巖和鋼渣性能指標Tab.2 Properties of sandstone and steel slag

表3 鋼渣浸水膨脹率試驗結果Tab.3 Test results of steel slag swelling rate by immersion in water

表4 AC-20瀝青混合料集料合成級配Tab.4 Gradation of aggregate for asphalt mixture AC-20

1.2 試驗方法

采用掃描電子顯微鏡進行鋼渣微觀表面觀測。通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗和室內標準車轍試驗測試高溫穩(wěn)定性，試驗參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[15]進行。通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗測試其水穩(wěn)定性，凍融劈裂試驗參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》。通過間接拉伸試驗評價低溫抗裂性，試驗參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》。通過擺式摩擦儀和手工鋪砂法，測定路面抗滑性相關系數(shù)，試驗參照JTG 3450—2019《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》[16]。采用JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》[17]的方法測定瀝青混合料的膨脹性。

2 試驗結果與討論

2.1 鋼渣的顯微結構

采用Quanta 250型掃描電子顯微鏡對鋼渣和砂巖微觀表面進行觀測，兩種集料的顯微結構如圖1、圖2所示。

圖1 放大10 000倍的鋼渣表面Fig.1 10 000 times magnified steel slag surface

圖2 放大10 000倍的砂巖表面Fig.2 10 000 times magnified sandstone surface

可知，鋼渣內的晶體結構各不相同，呈網狀連接在一起，在表面形成孔隙且孔隙大而密集。而砂巖呈塊狀和條索狀紋理結構，塊狀和條索表面相比鋼渣來說微構造較少。二者與道路石油瀝青標準黏附性試驗等級均達到4級，表面豐富的紋理構造發(fā)揮一定作用。

2.2 高溫穩(wěn)定性

目前國內外有多種評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的方法，主要包括室內車轍試驗、力學指標試驗和大型足尺試驗三大類[18]。本試驗采用馬歇爾穩(wěn)定度和室內標準車轍實驗評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，試驗結果如表5、表6與圖3所示。

表5 馬歇爾穩(wěn)定度試驗結果Tab.5 Test result of Marshall stabilitys

由表5可知，鋼渣試驗組的馬歇爾穩(wěn)定度與流值試驗結果與砂巖對比組相比，結果無明顯差別，前者的兩項指標結果較后者均提高11%左右。表6中，鋼渣試驗組的動穩(wěn)定度計為>10 000次，而在實際的室內試驗中，鋼渣試驗組的動穩(wěn)定度計算值實際為無窮大，相應的砂巖對比組為3 032，從動穩(wěn)定度的角度來說，可以認為本次試驗配制的AC-20鋼渣瀝青混合料具有極好的抗車轍性能。但鋼渣組的總車轍深度較砂巖對比組提高了58%。從圖3中可以看出，鋼渣試驗組前20 min車轍深度增長很快，20 min后車轍深度曲線趨于穩(wěn)定，幾乎不再變化，幾組平行試驗的結果相當一致，圖中給出的是其中有代表性的一組曲線。

表6 瀝青混合料車轍試驗結果Tab.6 Test results of asphalt aixture rutting

t/min圖3 車轍深度隨時間變化Fig.3 Rutting depth changes with time

綜上可知，馬歇爾試驗結果和車轍試驗結果總體一致。穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度均表示混合料高溫下能抵抗車輪荷載作用的能力，試驗結果均是鋼渣組優(yōu)于砂巖組，只是程度不同；流值和車轍深度均表示高溫下瀝青混合料在荷載作用下的變形大小，結果均是鋼渣組在試驗條件下有較大變形。這應該是鋼渣本身的特點造成的，即鋼渣組有更高的瀝青用量，會導致更大的初始變形，但是鋼渣集料豐富的紋理和粗糙的表面，又讓鋼渣瀝青混合料易于嵌擠，在初期被壓密擠緊后具有良好的抵抗變形能力。砂巖對比組的變形曲線與常規(guī)瀝青混凝土基本一致。

2.3 水穩(wěn)定性

鋼渣瀝青混合料的抗水損害穩(wěn)定性采用浸水馬歇爾試驗和劈裂凍融試驗進行驗證，結果如表7、表8所示。

浸水馬歇爾試驗的評價指標為馬歇爾試件在浸水48 h后穩(wěn)定度的降低程度，稱為馬歇爾殘留穩(wěn)定度。從表7中可以看出，鋼渣試驗組的殘留穩(wěn)定度小于砂巖對比組，但試件的穩(wěn)定度絕對值，鋼渣試驗組大于砂巖對照組。而由表8可知，鋼渣試驗組劈裂抗拉強度比(TSR)比砂巖對比組略微下降，下降幅度為1.7%。而劈裂強度的絕對值，無論是否經過凍融，鋼渣組均較后者大了20%。

表7 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結果Tab.7 Immersing Marshall test results of asphalt mixtures

表8 瀝青混合料凍融劈裂試驗結果Tab.8 Freeze-thaw splitting test results of asphalt mixture

鋼渣試驗組殘留穩(wěn)定度和TSR值較砂巖組低，這可能是由于部分水分子經過凍融循環(huán)后，通過被削弱的瀝青表面和鋼渣多孔通道進入鋼渣與瀝青部分交界面上，與鋼渣活性物質發(fā)生水化反應，生成物遇水膨脹，削弱了鋼渣與瀝青交界表面的黏附性。研究人員推測盡管水同樣可以進到砂巖-瀝青交界面上，但是砂巖表面沒有活性物質，不會有膨脹效應來進一步破壞砂巖與瀝青的黏結，故砂巖下降幅度較鋼渣組小。而鋼渣在浸水后的穩(wěn)定度和凍融后劈裂強度的絕對值均高于砂巖，因此認為瀝青與鋼渣的黏附性較強，此效應削弱幅度較小，影響有限。且鋼渣組的殘留穩(wěn)定度和劈裂抗拉強度比均遠大于規(guī)范要求。由此可知，用鋼渣全部代替砂巖集料配制瀝青混凝土對水穩(wěn)定性影響較小。

2.4 低溫抗裂性

根據(jù)福建省氣候特點，采用間接拉伸試驗進行了-5，0，10 ℃的低溫抗裂試驗，試驗結果如表9所示。圖4為將表9處理后的結果呈現(xiàn)，豎坐標為鋼渣砂巖差值比，該比值為同一溫度下(鋼渣試驗值-砂巖試驗值)/砂巖試驗值。

表9 AC-20瀝青混合料間接拉伸試驗結果Tab.9 Test results of AC-20 asphalt mixture indirect tensile

可知，鋼渣實驗組與砂巖對比組的劈裂抗拉強度均隨溫度升高而降低，相同溫度下，前者的劈裂抗拉強度值均高于后者；兩種混凝土的破壞拉伸應變也隨著溫度升高而上升，在同一溫度下，鋼渣組的破壞拉伸應變值也高于砂巖對比組；相應地，鋼渣試驗組的破壞勁度模量在3個試驗溫度下均小于砂巖對比組。3個指標的對比均說明，在同等條件下，鋼渣瀝青混凝土的模量更柔、劈裂強度更大、能夠承受的極限拉伸應變也更大，與砂巖瀝青混凝土相比，具有更優(yōu)的中低溫性能。

溫度/℃圖4 兩種瀝青混合料低溫指標差異曲線Fig.4 Difference curve of low temperature index of two asphalt mixtures

圖4給出了3個試驗溫度下鋼渣砂巖兩種瀝青混凝土3個指標的差值比隨試驗溫度而變化的情況。從圖中可以看出，兩種瀝青混凝土在3個指標上的差別在0 ℃附近均為最小，而更高與更低溫度下，鋼渣試驗組的性能優(yōu)勢都會擴大，其中又以破壞拉伸應變最為顯著，0 ℃為10%，而10 ℃時差值比達到30%左右。劈裂強度差值比的變化相對其他指標最小，0 ℃時差異僅為6.1%，在10 ℃時為10%左右，與破壞拉伸應變達到30%的差值比，有著顯著區(qū)別。

研究者認為，在級配、瀝青和試驗溫度相同的情況下，瀝青混合料的破壞拉伸應變主要應該是受到兩種混合料瀝青含量、集料與瀝青黏附能力的影響。表2中給出鋼渣與砂巖與石油瀝青的黏附性試驗結果，二者在標準試驗下黏附性相同，但是在水煮時間延長為6 min時，砂巖下降了一個等級，鋼渣保持不變，說明鋼渣與瀝青具有更高的黏附能力。因此可以認為在拉伸時，鋼渣瀝青混凝土的破壞更多發(fā)生在瀝青內部，而不是瀝青-集料黏結界面上，加之更高的瀝青含量，從而表現(xiàn)出更優(yōu)異的拉伸破壞變形。而劈裂強度的影響因素，除了瀝青類型、含量、級配和試驗條件外，還受到空隙率、集料嵌擠能力、集料表面粗糙度等更多因素的影響，從而綜合變化幅度較小。

2.5 抗滑性

表10給出了兩種集料配制的瀝青混凝土擺值試驗和用鋪砂法測構造深度試驗的室內試驗結果。擺值體現(xiàn)的是慢速行車時，道路的抗滑能力。由表10室內試驗的結果可知，鋼渣試驗組摩擦擺值大于砂巖對比組，擺值提高了14.5%，而兩組的構造深度基本無差別。這是由于擺值主要取決于材料表面粗糙程度，而鋼渣表面孔隙眾多，紋理豐富，改善了瀝青混合料的表面結構，大幅提高瀝青混合料摩擦系數(shù)。就本試驗級配而言，不同集料對構造深度無明顯影響，均遠大于規(guī)范要求的標準。綜上所述，鋼渣瀝青混合料有良好的抗滑性。

表10 瀝青混合料抗滑性試驗結果Tab.10 Test results of asphalt mixture anti-skid

2.6 膨脹性

由于鋼渣內含有f-Cao等活性物質，可能在鋪筑成瀝青混凝土路面后，水分浸入混合料內部，生成氫氧化鈣，產生體積膨脹，從而造成混凝土開裂。因此應進行鋼渣瀝青混凝土膨脹率試驗，以檢驗體積安定性是否滿足要求。試驗對比進行了鋼渣混合料和砂巖混合料的浸水試驗，發(fā)現(xiàn)鋼渣和砂巖配制成的瀝青混合料在試驗期內均產生膨脹現(xiàn)象，結果如圖5所示。

浸水時間/h圖5 瀝青混合料膨脹率隨時間變化關系Fig.5 Expansion rate of asphalt mixture over time

可知，鋼渣試驗組和砂巖對比組在前3 d，膨脹率增長均較快，隨后趨于緩和。鋼渣的膨脹率在每個階段都要高于砂巖膨脹率。由于砂巖并不含有活性物質，因此砂巖瀝青混凝土的體積膨脹并不是由于生成氫氧化鈣造成的體積膨脹，而應該是水分進入瀝青混合料內部，造成瀝青與集料輕微松散剝離造成的。由此，可以認為鋼渣瀝青混凝土的體積膨脹則至少由兩部分組成，即包括水分侵入瀝青-鋼渣界面后生成的氫氧化鈣體積膨脹，以及水分進入瀝青-鋼渣界面后造成二者輕微剝離造成的體積膨脹。盡管鋼渣瀝青混凝土比砂巖類膨脹率大，但無出現(xiàn)鼓包等體積嚴重不安定情況，僅有微小的裂縫和細小白點。144 h膨脹率為0.9%，遠小于標準要求，說明本文中的鋼渣瀝青混合料膨脹率較小，有良好的體積穩(wěn)定性。

2.7 試驗路

本項目于2019年12月在蒲炎高速三明段采用設計級配鋪設了AC-20鋼渣瀝青混凝土試驗路，部分路面指標實測結果如表11所示。各項檢測結果均良好，與室內試驗結果符合性良好。

表11 路面實測檢測結果Tab.11 Pavement test results

3 結論

(1) 掃描電鏡結果顯示鋼渣和構造更豐富，空隙更細而密集，而砂巖表面相對光滑，微構造基本無孔隙。這樣的結構使鋼渣與瀝青有較好的黏附性，也讓鋼渣瀝青混合料有更好的抗滑性能。

(2) 鋼渣瀝青混合料在高溫下有更好抗車轍能力，提高了高溫鋼渣瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。

(3) 鋼渣試驗組的浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗相關指標與砂巖對比組相比略有下降，但都滿足技術指標，水穩(wěn)定性下降是鋼渣內活性物質造成的，但影響有限。

(4) 由于用油量的提高和鋼渣與瀝青良好的黏附性，鋼渣瀝青混凝土具有良好的低溫抗裂性。

(5)本試驗研究采用的鋼渣瀝青混合料6 d膨脹率為0.90%，有良好的體積穩(wěn)定性。