鋼渣粉對瀝青混合料性能影響試驗研究

黃俊HUANG Jun

（揚州市公路事業(yè)發(fā)展中心，揚州225000）

0 引言

鋼渣是鋼鐵冶煉過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，鋼渣的堆積不僅占用土地，還污染環(huán)境，而鋼渣本身又具有強度高、耐磨性好等優(yōu)點[1]。因此自從上世紀70年代以來，很多研究者嘗試著用鋼渣替代瀝青混合料中的集料[2]，鋼渣瀝青混合料具有較好的抗車轍能力、抗剝落能力、施工和易性等優(yōu)點。

但鋼渣瀝青混合料本身的一些缺點限制了大規(guī)模的應用：由于生產(chǎn)工藝的問題，鋼渣的尺寸較大，只能用于替代瀝青混合料中的集料，而鋼渣中的游離氧化鈣和游離氧化鎂遇水膨脹，會造成鋼渣瀝青混合料的體積安定性不良，進而造成瀝青混合料因內(nèi)部附加應力過大而開裂[3]。隨著鋼渣生成工藝的改進，目前在上海生產(chǎn)出一種鋼渣粉廢料，新型冶鋼工藝生產(chǎn)出的鋼渣粉粒徑很?。?.075mm篩孔通過率超過80%），理論上幾乎不會受體積膨脹的不良影響。本文的目的就是對這種鋼渣粉用于瀝青混合料的填料的可行性進行研究，對推動廢鋼渣的資源化利用具有一定的指導意義。

1 試驗原材料

1.1 集料和鋼渣粉

試驗采用的集料產(chǎn)自江西，粗集料為5-15mm檔石灰?guī)r碎石，細集料為3-5mm檔、0-3mm檔兩檔石灰?guī)r集料，填料為礦粉和鋼渣粉兩種，其篩分和密度試驗結(jié)果如表1-表2所示，其中對于細集料和礦粉，使用表觀相對密度代替毛體積相對密度。

表1 原材料篩分結(jié)果

表2 集料密度試驗結(jié)果

從表1的篩分結(jié)果可以看出，鋼渣粉的級配比礦粉還要細，其0.075mm篩孔通過率達到了94.6%，級配越細，其比表面積越大，需要裹附的瀝青越多，這將會對瀝青混合料的體積參數(shù)產(chǎn)生影響。從表2的密度試驗結(jié)果可知，鋼渣的密度和常規(guī)集料的密度相差很多，若仍然采用各檔集料的質(zhì)量比會產(chǎn)生很大誤差，所以在進行瀝青混合料設計時采用了各檔集料的體積比。

1.2 瀝青

試驗用瀝青采用SBS改性瀝青。瀝青性能試驗結(jié)果見表3，試驗按照《公路公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）進行其性能滿足改性瀝青各項技術(shù)指標要求。

表3 SBS改性石油瀝青試驗結(jié)果

2 鋼渣瀝青混合料組成設計

為了研究鋼渣粉對瀝青混合料體積參數(shù)和路用性能的影響，本文首先基于馬歇爾設計方法設計了常規(guī)AC13瀝青混合料，然后使用鋼渣粉分別按照體積比25%、50%、75%、100%替代礦粉，并測量不同替代比例的AC13的體積參數(shù)、平均瀝青膜厚度和馬歇爾穩(wěn)定度。在此過程中保持瀝青用量不變，試驗結(jié)果如圖1-圖5所示，每個測試結(jié)果取四個平行試件的平均值。

圖1 礦粉替代比例與空隙率關(guān)系圖

圖5 礦粉替代比例與穩(wěn)定度關(guān)系圖

圖2 礦粉替代比例與VMA關(guān)系圖

從圖1-圖5可以看出，在保持瀝青用量不變的前提下，隨著鋼渣粉替代礦粉比例的提高，瀝青混合料的空隙率和礦料間隙率都呈增大趨勢，這種現(xiàn)象與鋼渣粉的粒徑較細及其表面多孔性緊密相關(guān)。本試驗采用的是體積替代，表1的篩分結(jié)果顯示鋼渣粉的級配更細，當采用鋼渣粉替代部分礦粉后，需要額外的瀝青來裹附更細的填料；鋼渣粉的表面多孔性也會吸收更多的瀝青，這兩方面的因素都會導致瀝青混合料中用于填充空隙的瀝青減少，造成瀝青混合料的空隙率和礦料間隙率增大。圖3所示為礦粉替代比例與瀝青混合料中有效瀝青體積百分率的關(guān)系，從圖可知鋼渣粉用量越多，有效瀝青實際用量越少，這也證明了鋼渣粉表面的微孔能夠吸收瀝青。當使用鋼渣粉替代礦粉后，填料部分級配變得更細，實際有效瀝青含量減少，導致瀝青混合料的平均瀝青膜厚度較小。如圖4所示，表明當瀝青混合料中的礦粉全部由鋼渣粉替代后，其平均瀝青膜厚度減小了近1μm。圖5所示結(jié)果表明瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度與鋼渣粉的替代比例之間成正比。這說明鋼渣粉對瀝青混合料的體積參數(shù)和力學性能均有影響，為了更好的驗證鋼渣粉對瀝青混合料的路用性能的影響，本文還進行了相關(guān)性能測試。

圖3 礦粉替代比例與有效瀝青體積百分率關(guān)系

圖4 礦粉替代比例與平均瀝青膜厚度關(guān)系圖

3 鋼渣瀝青混合料性能試驗結(jié)果

本文對瀝青混合料的體積膨脹性、抗車轍性能、低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能進行了測試，試驗結(jié)果如表4-表8所示。

4 試驗結(jié)果分析及討論

表4 -表8所示的試驗結(jié)果表明，鋼渣粉對瀝青混合料的各項性能均有影響，并且其影響程度與鋼渣粉用量成正比關(guān)系。

表4 體積膨脹性試驗結(jié)果

表8 各級配抗疲勞性能試驗結(jié)果

表7 各級配凍融劈裂試驗結(jié)果

表4 所示為鋼渣粉替代礦粉后對瀝青混合料體積膨脹率的影響，結(jié)果顯示瀝青混合料的體積膨脹率均為負值，這一結(jié)果可能和測量方法有關(guān)，當瀝青混合料在60℃水浴保溫72h后，其表面的瀝青膠漿出現(xiàn)了部分的軟化，此時再使用游標卡尺測量其直徑和高度時，出現(xiàn)了其尺寸變小的假象。僅從相對值來看，鋼渣粉的摻入增大了瀝青混合料的體積膨脹率，根據(jù)表4所示的試驗結(jié)果，假設替代率0%時的瀝青混合料體積膨脹率為0，那么當?shù)V粉全部由鋼渣粉替代后，瀝青混合料的體積膨脹率為0.18%左右，粗鋼渣瀝青混合料的體積膨脹率不得大于1.5%，可以看出鋼渣粉瀝青混合料的體積膨脹率是滿足規(guī)范要求的。先前的研究均是把粗鋼渣應用于瀝青混合料，但為了降低粗鋼渣體積膨脹帶來的危害，需要把粗鋼渣進行為期6-12個月的陳化處理方可使用[4]，甚至有些粗鋼渣即使經(jīng)過陳化處理也不能利用，這大大限制了鋼渣在瀝青混合料中的推廣使用，而本文使用的鋼渣粉并不需要陳化處理即可應用于瀝青混合料，一方面是因為本文使用的鋼渣材料采用了較先進的冶煉工藝，更主要的原因是粗鋼渣碎化為細鋼渣和鋼渣粉的過程已經(jīng)降低了其體積膨脹性[5]。據(jù)此本文認為，當把鋼渣粉應用于瀝青混合料時，可以不考慮由于鋼渣膨脹帶來的體積安定性不良問題，這將極大方便鋼渣粉在瀝青混合料中的應用。

表5 所示為鋼渣粉對瀝青混合料低溫性能的影響，結(jié)果顯示當使用鋼渣粉替代礦粉后，瀝青混合料的低溫破壞應變是減小的，這是因為瀝青混合料中的鋼渣粉吸收了更多了瀝青，導致瀝青混合料中的有效瀝青含量下降，進而影響了其在低溫破壞時的應變。表5所示結(jié)果表明，盡管鋼渣粉瀝青混合料的低溫破壞應變減小，其破壞時的彎拉強度卻是增加的，這說明雖然鋼渣粉瀝青混合料在破壞時的變形較小，但其抗彎拉破壞的能力增強。因此，僅使用低溫破壞應變來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能是不全面的。

表5 各級配低溫性能試驗結(jié)果

表6 -表8所示的是鋼渣粉對瀝青混合料的抗車轍性能、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能的影響，結(jié)果表明鋼渣粉能夠有效改善瀝青混合料的這些路用性能，需要說明的是瀝青混合料的疲勞問題比較復雜，采用不同的測試方法可能會得到不同的結(jié)論，但鋼渣粉能夠改善瀝青混合料的抗車轍性能和水穩(wěn)定性是無容置疑的，這與鋼渣粉和細鋼渣在瀝青混合料中的物理作用和化學作用有關(guān)。

表6 高溫性能試驗結(jié)果

表1 的篩分結(jié)果表明，鋼渣粉顆粒的尺寸比礦粉還要細，因此其具有更大的比表面積，更細更多的顆粒能夠裹附較多的自由瀝青，形成更多的結(jié)構(gòu)瀝青，這增加了瀝青膠結(jié)料的粘度，提高了瀝青混合料抵抗荷載的能力，改善了瀝青混合料的各項常規(guī)路用性能。除此之外，鋼渣顆粒中的微量元素（S元素等）對瀝青起到了部分改性作用[6]，改善了瀝青與集料的粘附界面，增強了瀝青對集料的粘附，這也有利于提高瀝青混合料的各項常規(guī)路用性能。鋼渣顆粒中還含有f-CaO和f-MgO等有害物質(zhì)，這些物質(zhì)遇水體積膨脹，造成瀝青混合料的體積不安定，但是其水化物具有一定的粘結(jié)強度，并且這類水化物的粘結(jié)強度在一定時間范圍內(nèi)隨著時間而增強[7]，并且這些膨脹的水化物在一定范圍內(nèi)填充了瀝青混合料的空隙，導致瀝青混合料變得更為密實，這些因素都有利于瀝青混合料抵抗水損害[8]。

5 結(jié)論

本文對滾筒工藝生產(chǎn)的鋼渣粉用于替代瀝青混合料中的礦粉進行了試驗研究，結(jié)論如下：①在瀝青用量不變的前提下，使用鋼渣粉替代礦粉后，瀝青混合料中的有效瀝青變少，平均瀝青膜厚度變薄，使得瀝青混合料的空隙率和VMA都增大；②鋼渣粉不需經(jīng)過陳化處理即可用于瀝青混合料，而不會引起瀝青混合料的體積過度膨脹問題；③鋼渣粉能夠有效改善瀝青混合料的抗車轍性能和水穩(wěn)定性，其對于低溫性能和抗疲勞性能的影響還需要更多的試驗來驗證。