陳改霞,尹艷平,羅要飛
(1.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院,鄭州 451100;2.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710000; 3.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院土木建筑學(xué)院,鄭州 450046)
近年來隨著我國公路交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展,石料需求量激增。但國家同時提出綠色、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,并對部分高污染、高耗能的石料開采企業(yè)關(guān)停,石料資源供應(yīng)矛盾日漸突出。開拓新的集料源,減少天然石料的過度開采成為公路建設(shè)中一項迫切而必要的任務(wù)。目前不少研究人員嘗試?yán)每苫厥盏墓橇匣蚬I(yè)副產(chǎn)品替代天然石料,以促進(jìn)資源的有效利用及環(huán)境保護(hù)。
鋼渣(steel slag, SS)具有耐磨、力學(xué)性能較軋制碎石好、與瀝青黏附性良好的特點,而且作粗集料應(yīng)用于瀝青路面結(jié)構(gòu)中能提高路面抗永久變形能力,因而在行業(yè)內(nèi)受到廣泛關(guān)注。張彩利等[1]對鋼渣瀝青混合料(steel slag-asphalt mixture, SAM)進(jìn)行力學(xué)測試發(fā)現(xiàn)其抗車轍、低溫彎曲、凍融劈裂強(qiáng)度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度、疲勞性能等均顯著優(yōu)于普通混合料。Qazizadeh等[2]和Kavussi等[3]研究由SS替換2.36 mm石灰?guī)r集料的瀝青混合料的抗疲勞性,結(jié)果表明,SS能起到骨架嵌擠作用,并與瀝青較好黏附,降低裂縫發(fā)展速度,提高混合料疲勞壽命。Dinh等[4]通過重復(fù)間接拉伸試驗研究發(fā)現(xiàn),相較于普通花崗巖瀝青混合料,摻加30%左右SS可使混合料疲勞壽命顯著延長。然而,SS表面富含孔隙且水分容易侵入,當(dāng)混合料的空隙存在水時,在環(huán)境因素作用下水會與SS接觸,引發(fā)SS表面的硫酸鹽與水的結(jié)合,從而造成其一定的體積膨脹。這種空間膨脹會加速瀝青的剝離,導(dǎo)致路面出現(xiàn)水化開裂,進(jìn)而加速水損害的發(fā)生[5]。為了防止瀝青混合料開裂,向混合料中摻加纖維是目前解決早期水損害有效的材料技術(shù)手段[6]。針對SS集料多孔吸油且表面活性物質(zhì)水化反應(yīng)會影響SAM耐久性的問題,鄧侃[7]研究發(fā)現(xiàn)可通過添加纖維的方式減小鋼渣砂漿膨脹率,以改善混合料性能,其中纖維摻量越高SS膨脹率降低越顯著。為了同時解決SS多孔特質(zhì)導(dǎo)致瀝青用量增加的問題,Amuchi等[8]將聚丙烯纖維添加到SAM中,以增大膠漿黏度并減少集料比表面積,其結(jié)果表明,2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))19 mm纖維在提高混合料間接拉伸強(qiáng)度和回彈模量的同時,降低最佳瀝青用量約15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。周靜[9]研究鋼纖維-SAM (AC-13)的路用性能發(fā)現(xiàn),SS與鋼纖維復(fù)合作用效果顯著,SS相互嚙合形成嵌擠骨架,而鋼纖維可對混合料膨脹起抑制作用,均能充分發(fā)揮各自性能優(yōu)勢,從而明顯提高混合料的高、低溫和抗水損害性能。
作為環(huán)保型礦物纖維,玄武巖纖維(basalt fiber, BF)的穩(wěn)定性、耐腐蝕性和耐高溫性優(yōu)良,已在諸多工程領(lǐng)域得到應(yīng)用,如航空航天材料、塑料生產(chǎn)和建筑行業(yè)[10]。大量研究表明BF在高溫條件下能保持形狀,在瀝青膠漿中發(fā)揮多種補(bǔ)強(qiáng)和橋接作用,從而最大限度減少瀝青混合料高溫軸載變形和低溫開裂的出現(xiàn),并顯著提高抗疲勞破壞、抗水損害和抗凍融循環(huán)的能力[11]?;诖?,本研究考慮將BF添加到SAM中,以降低甚至消除由于SS遇水發(fā)生體積膨脹而影響SAM抗水損害性能,以充分發(fā)揮其良好的耐磨性和抗疲勞性能等技術(shù)優(yōu)勢。
利用90#道路石油瀝青,具體測試指標(biāo)見表1。
表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Properties of base asphalt
粗集料選用轉(zhuǎn)爐鋼渣和輝綠巖。其規(guī)格分別為9.5~16 mm、4.75~9.5 mm,并用SS等粒徑、等比例替換輝綠巖,具體詳見表2。
表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)Table 2 Properties of coarse aggregates
細(xì)集料選用9.5~19 mm輝綠巖粗集料經(jīng)現(xiàn)場加工的機(jī)制砂;礦粉選用表觀密度為2.263 g/cm3,塑性指數(shù)為2.3的石灰?guī)r礦粉。
BF的技術(shù)指標(biāo)見表3。
表3 BF性能指標(biāo)Table 3 Properties of BF
2.1.1 礦料級配設(shè)計
采用SS和輝綠巖復(fù)配的方式,選用SMA-13型骨架密實結(jié)構(gòu),參照規(guī)范(JTG F40—2004)中SMA-13級配范圍要求進(jìn)行設(shè)計,并以SS為粗集料按30%、50%、70%質(zhì)量比替換輝綠巖。結(jié)合實際工程調(diào)整級配經(jīng)驗,并借鑒美國亞利桑那州推薦級配范圍,適當(dāng)下調(diào)0.15 mm、0.075 mm兩檔集料(級配見表4),從而在保證高溫性能前提下充分發(fā)揮BF在混合料內(nèi)加筋、支承作用。
表4 不同SS摻量的混合料級配設(shè)計Table 4 Gradation design of mixture with different SS content
2.1.2 體積指標(biāo)
鑒于SS集料多孔且吸水率大于1.7%的特性,規(guī)范中基于有效相對密度計算理論最大相對密度方法不再適用[12]。綜上分析,本文確定的BF-SAM體積參數(shù)具體的計算過程如下:
(1)
式中:γsb為集料合成毛體積相對密度;P1,P2,…,Pn分別為各集料相應(yīng)的配比,總和為100。
(2)
④測試BF-SAM試件的毛體積相對密度γf。
⑤基于上述過程得到的集料合成毛體積相對密度γsb、混合料理論最大相對密度γt和試件毛體積相對密度γf,利用式(3)、(4)、(5)確定空隙率(VV)、礦料間隙率(VMA)、瀝青飽和度(VFA)等體積參數(shù)。
(3)
(4)
(5)
式中:Pb為BF-SAM瀝青混合料中瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
通過馬歇爾試驗設(shè)計方法,確定混合料在30%、50%、70%SS摻量和0.2%、0.3%、0.4%、0.5%BF摻量下最佳瀝青用量及相應(yīng)的體積指標(biāo),其結(jié)果如表5所示。
表5 不同BF-SS摻量的馬歇爾體積參數(shù)和力學(xué)指標(biāo)的結(jié)果Table 5 Marshall parameters and mechanical properties of mixtures with different BF-SS content
由表5可得,在摻入SS后,瀝青混合料的強(qiáng)度顯著增加。且隨著BF摻量的增加,馬歇爾穩(wěn)定度呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。BF的加入提高了瀝青與集料的黏結(jié)強(qiáng)度,在混合料中起到的橋接及加筋作用。但當(dāng)摻量過大后,BF難于分散,容易結(jié)束成團(tuán),從而成為“強(qiáng)度弱點”,使混合料均勻性下降,致使穩(wěn)定度下降[13]。此外,由于SS表面具有多孔囊狀結(jié)構(gòu),紋理特性明顯,表面粗糙度高,礦料間具有較強(qiáng)的嵌鎖作用[14],這導(dǎo)致在最佳BF摻量下,SAM的馬歇爾穩(wěn)定度隨著SS摻量的增加而增加。但當(dāng)SS摻量超過50%時,SAM的馬歇爾穩(wěn)定度稍有下降,這主要是由于SAM礦料間過多的瀝青起到一定的潤滑作用,使礦料間嵌鎖作用減弱,但下降幅度較0%纖維摻量時小,這是由于BF的摻入可在混合料內(nèi)相互纏繞約束,與此同時可吸附礦料間多余的瀝青,減緩瀝青的流動,有效克服礦料顆粒間相對滑移的產(chǎn)生,礦料結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定[15]。綜合分析,對于三種不同SS摻量混合料,當(dāng)BF為0.4%時,其穩(wěn)定度均優(yōu)于其他纖維摻量。
對30%、50%、70% SS摻量和0%、0.4%BF摻量的瀝青混合料,基于馬歇爾設(shè)計法確定的最佳瀝青用量,根據(jù)規(guī)程(JTG E20— 2011)制備相應(yīng)的試件,并利用車轍試驗和SPT動態(tài)模量試驗、低溫彎曲試驗、凍融劈裂試驗、疲勞試驗對其高溫抗變形、低溫抗開裂、水穩(wěn)定和疲勞等性能進(jìn)行評價。
(1)車轍試驗
首先通過輪碾儀成型300 mm×300 mm×50 mm的車轍板試件;然后利用車轍儀以0.7 MPa荷載壓力,42次/min的荷載頻率對車轍板進(jìn)行試驗;最后利用儀器數(shù)據(jù)采集單元每20 s記錄一次車轍深度,并通過變形曲線確實試驗指標(biāo)。
(2)SPT動態(tài)模量試驗
試驗時,分別在15 ℃、30 ℃、45 ℃、60 ℃溫度和25 Hz、10 Hz、5 Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.1 Hz試驗頻率對混合料圓柱形試件(高150 mm,直徑100 mm)先后進(jìn)行高頻率試驗和低頻率試驗,加載次數(shù)為10次。
(3)低溫彎曲試驗
從車轍板切出小梁試件(250 mm×30 mm×35 mm),并將其置于-10 ℃的恒溫箱中,然后在試驗機(jī)上以50 mm/min的速率對試件進(jìn)行加載,并記錄小梁試件中心的載荷和撓度。
(4)凍融劈裂試驗
先將雙面擊實50次的Marshall試件進(jìn)行真空飽水處理;再將試件置于-21.5 ℃冰箱中16 h;然后將試樣置于60 ℃的水箱中24 h,即為一次凍融循環(huán);最后對不同凍融循環(huán)試件以50 mm/min速率進(jìn)行加載,測試劈裂強(qiáng)度。
(5)疲勞試驗
利用三點彎曲疲勞試驗,采用應(yīng)力控制方式在應(yīng)力比0.3、0.5、0.7下,借助MTS疲勞試驗機(jī)對小梁試件(250 mm×40 mm×40 mm)進(jìn)行疲勞試驗,試驗溫度為15 ℃,加載頻率為10 Hz。
圖1展示了在最佳纖維摻量下BF在瀝青膠漿的分布形貌狀態(tài),可以看出纖維表面裹覆瀝青且根部與瀝青黏結(jié)良好;纖維端部與瀝青接觸形成觸角的嵌鎖、錨固作用;整體上纖維以無序搭接的方式分布在膠漿中,與瀝青形成彼此縱橫交錯,從而形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)SAM的整體性,并在混合料受荷時,起到分散和傳遞應(yīng)力并同時限制礦料相對滑移的作用。
圖1 BF在瀝青膠漿內(nèi)SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of BF inside asphalt mortar
在60 ℃試驗溫度下BF-SAM車轍試驗結(jié)果如表6所示。
表6 60 ℃下不同SS摻量SAM的動穩(wěn)定度與變形速率Table 6 Dynamic stability and deformation rate of SAM with different SS content at 60 ℃
由表6可得,當(dāng)摻加BF后,不同SS摻量混合料的動穩(wěn)定度均有不同程度的提高,表明BF的摻入有效提高了SAM的高溫抗車轍性能。此外隨著SS摻量增加,未摻BF的SAM動穩(wěn)定度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在摻量為50%時達(dá)最大。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是SS粗糙的表面紋理結(jié)構(gòu)使集料間骨架嵌擠作用增強(qiáng),同時SS堿性特質(zhì)可以增加與瀝青間的黏結(jié)力,從而使SAM抗剪強(qiáng)度提升。但SS摻量較高時,由于SS表面囊狀多孔的特征會吸收大量瀝青,致使瀝青用量增多并在集料間形成自由瀝青,自由瀝青會在集料骨架間起到潤滑的作用,從而使混合料的抗車轍性下降[16]。然而,BF的摻加對SAM動穩(wěn)定度隨SS摻量變化的增長規(guī)律影響不大,但又略有影響。在SS摻量為50%時,摻加BF的SAM的動穩(wěn)定度均達(dá)到最大,結(jié)合3.1節(jié)SEM試驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)這主要得益于SS集料間良好嵌鎖作用、BF空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的加筋支承及其分散傳遞應(yīng)力并限制礦料相對滑移的作用。但從性能變化來看,30%SS摻量混合料動穩(wěn)定度改善效果最顯著,這是由于集料的粒徑影響了纖維的作用效果。BF在混合料中通過與瀝青和細(xì)集料結(jié)合形成瀝青膠漿來包裹粗集料,以此發(fā)揮其橋接支承與加筋錨固作用,從而增強(qiáng)SAM的結(jié)構(gòu)整體性,但粗集料過多會使膠漿難以完全包裹并致使這種橋接、加筋效果下降。相比50%SS摻量,70%SS摻量的SAM動穩(wěn)定度略有下降,但下降幅度明顯低于未摻BF的情況,這是因為瀝青的活性酸性膠質(zhì)組分會與BF發(fā)生物理吸附和化學(xué)作用,從而在BF表面形成黏結(jié)牢固的“結(jié)構(gòu)瀝青”膜[10],自由瀝青比例降低,SS多孔吸油特性對混合料穩(wěn)定性的影響被削弱,而發(fā)揮其作為集料的嵌擠作用。SS摻量增加的同時細(xì)集料含量相對減少,導(dǎo)致纖維和細(xì)集料構(gòu)成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對粗集料約束作用相對小[9-10]。
50%SS摻量下BF-SAM的SPT動態(tài)模量試驗結(jié)果如表7所示。
表7 動態(tài)模量指標(biāo)|E*|/sin φ測試結(jié)果Table 7 Test results of dynamic modulus index |E*|/sin φ
由表7可以看出:相同測試溫度下不同SAM的|E*|/sinφ隨著頻率增大而增加,這是因為在正弦荷載作用下,隨加載頻率增加,SAM對荷載響應(yīng)的滯后現(xiàn)象較為顯著。而在相同的加載頻率下,各混合料|E*|/sinφ值均隨著溫度的升高而降低。由黏彈性理論可知,瀝青隨著溫度的升高逐漸軟化,從而導(dǎo)致瀝青混合料由彈性向塑性發(fā)展。在15 ℃溫度條件下,SAM在動態(tài)荷載作用下整體表現(xiàn)出較高的動態(tài)模量,當(dāng)溫度上升至30 ℃以后,|E*|/sinφ迅速下降,因此隨著溫度的增加,應(yīng)變也迅速增加,從而加大了車轍的產(chǎn)生。而摻加BF后,在45 ℃、60 ℃時|E*|/sinφ均高于未摻BF的混合料。這主要是因為纖維的摻入增加了瀝青的彈性,使得SAM中的彈性成分增加,從而使其動態(tài)模量增大。通過對45 ℃、60 ℃下的對比分析可看出,在高頻區(qū)域、低頻區(qū)域摻加BF后SAM的|E*|/sinφ均比未摻BF高,說明其抗高溫或低頻加載能力強(qiáng),且溫度越高增強(qiáng)效果越顯著。
不同溫度下的低溫彎曲試驗結(jié)果見表8。
表8 不同溫度下BF-SAM低溫彎曲試驗結(jié)果Table 8 Low temperature bending test results of BF-SAM at different temperatures
對表8分析可以看出:摻加BF對不同SS摻量SAM的抗彎拉強(qiáng)度均有不同程度的增強(qiáng)。結(jié)合3.1節(jié)SEM結(jié)果,這主要是因為力學(xué)性能穩(wěn)定的BF均勻分散于瀝青混合料中并相互搭接形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在受載或低溫應(yīng)力作用下處于受拉狀態(tài),沒有明顯薄弱面,從而具有分散應(yīng)力、傳遞荷載并防止應(yīng)力集中的作用。同時,BF具有適宜的斷裂延伸率和較高的彈性模量,能夠有效增大SAM的彈性恢復(fù)能力,增強(qiáng)延展性,有效緩沖與阻止混合料低溫斷裂及裂縫的擴(kuò)展。此外,未摻BF時,隨著SS摻量增加,SAM抗彎拉強(qiáng)度呈遞減趨勢,破壞應(yīng)變逐漸增大。即隨著SS摻量增加,混合料的低溫抗開裂性能會逐漸提高。這主要由于SS集料具有多孔特性及堿性特質(zhì),與瀝青具有較強(qiáng)的黏附作用,界面間黏附力較大;同時,SS摻入會增加瀝青膜厚度,加強(qiáng)與瀝青結(jié)合料之間的界面黏附性,改善混合料的低溫抗裂性,但過多的摻入這也會增加集料表面自由瀝青的含量,增大了集料間的潤滑作用,從而影響混合料中集料間黏結(jié)力,降低SAM的抗彎拉強(qiáng)度[17]。從彎拉強(qiáng)度相對變化來看,添加BF后,隨著SS摻量增加BF-SAM先增加后減小。總體而言,SS摻量50%時,BF對混合料破壞應(yīng)變改善效果最好;其中不同溫度下,SAM的破壞彎拉應(yīng)變分別增加6.46%(0 ℃)、14.47%(-10 ℃)、11.08%(-20 ℃)。這一現(xiàn)象主要由于混合料中細(xì)料含量相對較多,可以使BF起到更好的橋連加筋和增韌阻裂的效果。
凍融劈裂試驗結(jié)果見表9。由表9可看出:不同摻量BF-SAM的TSR隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而持續(xù)降低。在凍融循環(huán)作用下,摻加BF的混合料TSR降低幅度均小于普通SAM,即摻入BF后,SAM的抗凍融破壞能力都得到了明顯的改善,且隨著循環(huán)次數(shù)增加,BF的作用效果愈加顯著。例如在50%SS摻量下,BF-SAM的TSR值較普通SAM分別增加2.82%(1次)、4.20%(5次)、10.40%(10次)、14.89%(15次)。結(jié)合3.1節(jié)SEM結(jié)果,分析認(rèn)為這是由于BF的摻入增強(qiáng)了瀝青與SS的黏附性,增大了礦料表面有效瀝青膜厚度;同時其可有效填充混合料內(nèi)孔隙,并減小連通孔隙數(shù)量,從而減少了水分的進(jìn)入,有效阻止了水分對瀝青與SS界面的沖刷,最終增強(qiáng)SAM自身抗水損害能力。另外,BF本身所具有的抗拉特性以及在混合料中所起到的加筋支承作用,不僅減緩了瀝青由于溫度下降所引起的收縮開裂,也會緩解水結(jié)冰后體積膨脹對瀝青膜的脹裂作用。這在一定程度上,減少了裂縫的發(fā)生,同時也延緩了材料內(nèi)部本身微裂縫的發(fā)展,從而減少了進(jìn)入到集料與瀝青膜界面的水分,降低了水對瀝青膜的剝離作用[18-19]。此外可以看出:30%SS摻量的混合料抵抗短期凍融循環(huán)作用的能力較強(qiáng),而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,其水穩(wěn)定性衰減較50%和70%SS摻量更快。這可能由于SS摻量的增加,導(dǎo)致混合料空隙率增大,短期侵入水分相對較多。經(jīng)凍融循環(huán)后其凍脹應(yīng)力作用更明顯,因而強(qiáng)度下降幅度相對較多。而隨著SS摻量增加,瀝青膜厚度增加,瀝青膜的破裂過程被延緩,并且形成連通孔隙較多,對凍脹力有一定的消散作用,其后期水穩(wěn)定性的衰減幅度相對較小[16]。
表9 BF-SAM凍融劈裂試驗結(jié)果Table 9 Test results of freeze-thaw splitting for BF-SAM
疲勞性能試驗結(jié)果見表10。由表10可以看出:BF的摻入提高了不同SS摻量SAM的抗破壞能力;當(dāng)應(yīng)力比從0.3增加到0.7的過程中,不同摻量BF-SAM疲勞壽命均逐漸減少,而相較于普通SAM,BF-SAM的疲勞壽命均有不同程度的增加,在50%SS摻量下,BF摻入后SAM的疲勞壽命分別增加71.41%(0.3)、48.99%(0.5)、40.07%(0.7)。這是可能是因為SAM依靠骨料間相互嵌擠作用以及瀝青膠漿的黏結(jié)作用來承受疲勞荷載[15]。當(dāng)混合料產(chǎn)生較大疲勞變形后,骨料之間相互嵌擠而瀝青膠漿由于混合料的較大變形而不斷被拉伸變薄,使瀝青與集料表面的黏附性下降,在重復(fù)應(yīng)力作用下最后沿瀝青與集料界面產(chǎn)生裂縫。而摻加BF后,由于具有加筋增韌作用的BF在混合料中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),約束了礦料顆粒的位移,使瀝青混合料抵抗重復(fù)彎拉荷載的能力提高;同時,BF可承受較大的拉應(yīng)力,且具有的良好的收縮特性,這同樣也提高了混合料的彈性恢復(fù),因而SAM疲勞壽命得到提高。未摻BF時,隨著SS摻量增加,SAM破壞荷載先增大后降低,而不同應(yīng)力比條件下的疲勞壽命隨之增加,這是可能因為SS摻量增加使得混合料勁度不斷增加。即在相同應(yīng)力水平產(chǎn)生的變形較小,抗疲勞裂縫的能力增強(qiáng)。摻加纖維后,隨著SS摻量的增加,BF-SAM破壞荷載呈先增加后減小的變化趨勢;30%SS摻量SAM抗疲勞性能改善幅度略優(yōu)于50%與70%摻量,這是由于此時細(xì)顆粒相對較多,纖維的橋連加筋作用更好。
表10 BF-SAM疲勞試驗結(jié)果Table 10 Fatigue test results of BF-SAM
(1)添加BF可對SAM的路用性能,即高溫抗變形能力、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能具有一定的改善作用;綜合分析后,確定摻0.4%BF、45%~55%SS的SAM性能效果最佳。
(2)BF的摻加改善了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,在不同程度上增加了不同SS摻量下SAM的動穩(wěn)定度;不同溫度下,在高頻區(qū)域、低頻區(qū)域摻加BF的SAM的|E*|/sinφ均比未摻BF的混合料高,抗車轍性能更好。
(3)對不同SS摻量的SAM,摻入BF后,其低溫彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變均有一定的改善;其中50%SS摻量下BF對SAM抗低溫破壞改善效果最好,不同溫度下混合料的低溫破壞彎拉應(yīng)變增加10%左右。
(4)在凍融循環(huán)作用下,BF-SAM的TSR降低幅度均小于普通SAM,且隨著循環(huán)次數(shù)增加,BF的作用效果愈加顯著;BF的加筋、阻裂作用提高了SAM的疲勞壽命,且30%SS摻量下SAM的疲勞性能改善效果最理想。