基于試驗室及道路模擬試驗鋼渣瀝青混合料的性能評價

王超， 張彩利， 趙輝 編譯

(河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 天津市 300401)

在瑞典，鋼渣使用率達到80%，這不僅有利于環(huán)境保護，還能提高經(jīng)濟效益，其中，使用鋼渣作為瀝青混合料骨料是鋼渣利用的主要途徑之一，這是由于使用鋼渣集料生產(chǎn)的瀝青混合料比使用天然集料生產(chǎn)的瀝青混合料具有更好的性能。鋼渣呈堿性，使得鋼渣與瀝青之間具有良好的黏附性；鋼渣集料粗糙的表面也提高了鋼渣瀝青混合料的抗剪強度；鋼渣集料的空隙率較大，使得鋼渣瀝青混凝土路面擁有更好的磨擦力和抗噪能力。鋼渣這些優(yōu)秀特性使得鋼渣集料在城市道路得到廣泛應(yīng)用，如環(huán)形交叉口、紅綠燈和公交車站等需要承受較大抗剪強度的地方。但在瑞典公路建設(shè)行業(yè)中，鋼渣瀝青混合料的應(yīng)用還未普及。

該文研究的主要目的是通過室內(nèi)試驗評估鋼渣瀝青混合料抗磨損和抗車轍性能；研究鋼渣集料的一些路用性能，如黏附性、降噪性、穩(wěn)定性和耐久性，同時，基于道路模擬試驗對兩種不同鋼渣瀝青混合料的磨損特性和顆粒排放結(jié)果進行測量評價。

研究選取10種不同廠家鋼渣骨料，即不同生產(chǎn)工藝得到的鋼渣。這10種鋼渣骨料中，有9種是REACH(歐盟化學(xué)品注冊、評估、授權(quán)和限制條例)注冊產(chǎn)品，從而保證鋼渣的社會和環(huán)境安全性。室內(nèi)試驗按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)進行，鋼渣集料試驗方法包括：微瓦耐磨損試驗、洛杉磯磨損試驗、棱角耐磨性試驗(北歐球磨機法)、顆粒形狀的針片狀指數(shù)試驗；鋼渣瀝青混合料試驗方法包括：普拉爾疲勞試驗、動態(tài)蠕變試驗、動態(tài)剪切模量試驗(類似于Superpave剪切試驗機)、道路模擬試驗。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 試驗說明

試驗所用鋼渣在與瀝青拌和前膨脹活性已經(jīng)被激發(fā)，不需要再活性處理，就可以進行鋼渣集料的物理和力學(xué)特性試驗，用洛杉磯磨損和微德瓦爾試驗確定骨料韌性和硬度特性。類似地，采用北歐球磨機試驗方法測定耐磨性，采用針片狀指數(shù)表征鋼渣顆粒形狀。為評價鋼渣瀝青混合料的性能，選用EN 13108-5(ABS 11 70/100和ABS 8 70/100)標(biāo)準(zhǔn)下瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)和EN 13108-1(ABb 16 70/100)標(biāo)準(zhǔn)下普通密級配瀝青混凝土混合料。SMA瀝青混合料常用于瀝青路面表面層，密級配瀝青混合料常用在中面層和下面層。瀝青混合料采用的瀝青針入度等級為70/100，集料最大粒徑為8、11或16 mm。根據(jù)瑞典運輸管理局的規(guī)定，對混合料的粒度分布進行了選擇?；旌狭系募毤?0～4 mm)由花崗巖組成，其余部分(>4 mm)由各自鋼渣材料組成。ABS 11 70/100混合料用于普拉爾試驗，ABB 16 70/100混合料用于動態(tài)蠕變和動態(tài)剪切模量試驗。此外，制備了由一種鋼渣制成的兩種類型混合料(ABS 8 70/100和ABS 11 70/100)用于道路模擬試驗。對于普拉爾試驗，ABS 11混合料試件采用馬歇爾法壓實；對于其他混合料，依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)，在室內(nèi)采用碾壓成型來制備瀝青混凝土板。另外，用和鋼渣黏附性相同的花崗巖來組成相同礦料級配，并拌和成瀝青混合料以作參考；并以花崗巖混合料吸水能力和密度為基準(zhǔn)，調(diào)整鋼渣瀝青混合料的瀝青含量，以補償在鋼渣骨料孔隙中吸收的瀝青和由于密度變化對瀝青含量的影響。

1.2 鋼渣瀝青混合料瀝青含量確定

表1為鋼渣集料的物理力學(xué)性能、相應(yīng)混合料的瀝青含量以及調(diào)整后的瀝青含量。

表1 試驗室制備試樣的混合料性能

2 鋼渣瀝青混合料試驗方法

2.1 普拉爾試驗

采用普拉爾試驗評價輪胎對瀝青混合料的抗沖擊性能的影響。試驗按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)方法進行，其主要方法是使直徑為100 mm、厚度為30 mm的圓柱形瀝青混合料試樣在5 ℃下受到磨損作用。

2.2 動態(tài)蠕變試驗和動態(tài)剪切模量試驗

對10種鋼渣瀝青混合料的永久變形特性進行試驗研究。在動態(tài)蠕變試驗中，在40 ℃溫度下對直徑為150 mm、厚度為60 mm的圓柱形瀝青試件進行1 s載荷持續(xù)時間和1 s休息時間的重復(fù)加載。

通過動態(tài)剪切模量(G*)試驗，評價鋼渣瀝青混合料的抗剪性能。G*試驗是根據(jù)VIT(瑞典國家道路和運輸研究所開發(fā))的方法和設(shè)備進行的。在該方法中，試樣為直徑150 mm、厚度小于試樣直徑1/4的圓柱形，并且用環(huán)氧樹脂黏在兩塊鋼板之間，其中一個板可以在一定頻率范圍內(nèi)受到正弦或重復(fù)載荷。動態(tài)剪切模量(G*)試驗在4個溫度：5、10、30、50 ℃，8個加載頻率：16、8、4、2、1、0.5、0.1和0.05 Hz下進行。

2.3 道路模擬試驗

采用VTI方法中道路模擬器(PVM)，對表面層混合料的耐磨性進行評價，并測量相應(yīng)的顆粒排放。PVM是一種室內(nèi)試驗機，由16 m長的圓形軌道組成，該軌道可對任何類型的路面混凝土進行試驗，4個軸安裝在模擬器的中心垂直軸上，圍繞中心垂直軸旋轉(zhuǎn)。該軸由電動機驅(qū)動，通過將車輪降低到軌道水平來達到期望的軸載荷進行試驗。車輪組繞垂直軸旋轉(zhuǎn)以模擬路面磨損。速度可調(diào)節(jié)到70 km/h，利用安裝在模擬器上的激光束對瀝青路面車轍深度進行測量。此外，由于PVM在具有受控通風(fēng)和溫度的封閉空間中操作，因此在沒有其他來源干擾的情況下，可以準(zhǔn)確測量磨損產(chǎn)生的顆粒排放，PVM磨損和現(xiàn)場的磨損之間有很好的相關(guān)性。

2.4 道路模擬試驗補充說明

試驗補充說明，旨在幫助讀者更好理解道路模擬試驗。道路模擬試驗所用試驗輪胎為鑲釘輪胎，該輪胎可以提高輪胎抓地力，以應(yīng)對瑞士多雪氣候，但對道路磨損很大，因此該文對道路材料磨耗性尤為重視。

3 結(jié)果與討論

3.1 鋼渣集料性能數(shù)據(jù)分析

鋼渣黏附力是各種混合料的重要參數(shù)，鋼渣耐磨性在瀝青混合料的磨損過程中起著決定性的作用。對于中面層和下面層瀝青混凝土，強度和顆粒形狀特性更重要。因此，北歐球磨機確定鋼渣棱角性，磨耗性通過洛杉磯或微型德瓦爾測量，而顆粒形狀特征通過片狀試驗測量。表2為洛杉磯磨損(LA)、微型德瓦爾(MDE)、北歐球磨機(AN)和針片狀指數(shù)測試(FI)的結(jié)果。道路管理部門根據(jù)交通量和混合料類型為這些測試提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。例如，根據(jù)瑞典運輸管理局的規(guī)定，對于中等至重交通的瀝青磨損層，北歐的球磨值小于10%，洛杉磯磨耗值小于25%，針片狀指數(shù)小于15%。中面層或底層瀝青混凝土用北歐球磨值代替微型德瓦爾值，其他指標(biāo)與表面層相同。

表2結(jié)果表明：大多數(shù)鋼渣骨料的韌性和磨損性能符合或超過道路骨料材料的要求。

表2 集料的洛杉磯試驗、微型德瓦爾試驗和北歐球磨機試驗數(shù)據(jù)

3.2 鋼渣瀝青混合料性能數(shù)據(jù)分析

3.2.1 普拉爾試驗數(shù)據(jù)分析

表3為普拉爾試驗測試結(jié)果。根據(jù)普拉爾試驗的一般指導(dǎo)方針(VG：非常好，G：好，S：滿意，LS：不滿意，P：差)。表3表明：大多數(shù)鋼渣瀝青混合料達到“滿意(S)-好(G)”耐磨等級。由于在其他試驗中觀察到2號鋼渣磨損率高，所以沒有對2號鋼渣進行普拉爾試驗。

3.2.2 動態(tài)蠕變試驗數(shù)據(jù)分析

圖1為10種鋼渣瀝青混合料和碎石混合料的蠕變變形。與碎石混合料相比，大多數(shù)鋼渣瀝青混合料永久變形性能更好。必須注意的是，混合料的結(jié)果或等級可能受到空隙率和瀝青含量差異的影響，更為重要的是，盡管具有比碎石混合料更高的空隙率，但大多數(shù)鋼渣瀝青混合料的性能超過碎石混合料。這可歸因于鋼渣瀝青混合料是由具有較多棱角的鋼渣集料顆粒制成的，這些顆粒具有良好的黏附性和互鎖性，從而具有較高抗剪性能。圖1中的蠕變變形可以分為兩個階段：第一階段主要是混合料顆粒重新排列引起的或者是空隙壓縮引起的；第二階段是微損傷的累積，與鋼渣的混合料性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、瀝青性能有關(guān)，可以通過永久變形的速率來表征(曲線的第二部分斜率或蠕變速率)。圖2為鋼渣瀝青混合料的蠕變速率。9種鋼渣瀝青混合料的蠕變速率低于常規(guī)骨料的基準(zhǔn)混合料，表明采用鋼渣骨料可以提高瀝青混凝土的長期性能。

表3 鋼渣瀝青混合料的普拉爾試驗

圖1 鋼渣瀝青混合料的動態(tài)蠕變應(yīng)變

圖2 鋼渣瀝青混合料的蠕變速率

3.2.3 動態(tài)剪切模量試驗數(shù)據(jù)分析

動態(tài)剪切模量試驗是在較寬的溫度和加載頻率范圍來評價鋼渣瀝青混合料的抗剪性能。試驗在-10～50 ℃的溫度范圍內(nèi)進行，加載頻率為0.01～25 Hz。圖3為10種鋼渣瀝青混合料的剪切模量和相位角與頻率的關(guān)系曲線。

從圖3可以看出：鋼渣瀝青混合料的曲線比基準(zhǔn)混合料平坦，這表明鋼渣瀝青混合料在較寬的加載頻率(車速)和溫度下表現(xiàn)良好。一般而言，在高溫和低頻區(qū)域，常規(guī)瀝青混合料產(chǎn)生車轍的風(fēng)險較高。然而，所有鋼渣瀝青混合料在高溫和/或低頻率(圖4左下側(cè))下的模量比碎石混合料更高。換句話說，鋼渣瀝青混合料具有更好的抗車轍能力。此外，在低溫和高頻區(qū)域(圖4右上側(cè))，鋼渣瀝青混合料產(chǎn)生更低的模量/剛度，這意味著鋼渣瀝青混合料破裂前具有更好的抗裂性(能夠承受相當(dāng)大的變形)。因此，使用鋼渣作為瀝青混合料集料，既能降低高溫車轍風(fēng)險，又能降低低溫開裂風(fēng)險。對于碎石瀝青混合料，如果想要獲得上述特性，需要在混合料設(shè)計過程中通過使用不同類型的瀝青和級配來獲得。根據(jù)研究可以得出，幾種鋼渣瀝青混合料具有良好的高低溫性能。

圖3 鋼渣瀝青混合料剪切模量、相角與頻率關(guān)系曲線

圖4 鋼渣瀝青混合料的剪切模量和蠕變模量值排序

對于鋼渣瀝青混合料的相位角曲線，如圖3(b)所示，也得出類似的結(jié)論。與碎石混合料相比，大多數(shù)鋼渣瀝青混合料有著較低的峰值。瀝青混合料具有獨特的黏性和彈性特性，因此被歸類為黏彈性材料。對于純彈性材料，相位角為0°；對于純黏性材料，相位角為90°。因此，相位角的峰值越低，表明材料越有彈性，因而對車轍和裂紋的敏感性就越低。為了驗證這一點，圖4給出了剪切模量和蠕變模量排序。排序方法是通過將鋼渣瀝青混合料的動態(tài)剪切模量和蠕變模量除以參考混合料(碎石混合料)的相應(yīng)值來進行。剪切模量從圖3(a)的曲線得到，曲線的溫度為40 ℃，加載頻率為0.5 Hz，與動態(tài)蠕變試驗的溫度和加載頻率相對應(yīng)。這兩個獨立的試驗產(chǎn)生了非常相似的排序。

3.2.4 道路模擬試驗(PVM)數(shù)據(jù)分析

為了進行PVM試驗，在試驗室控制條件下制備了采用6號礦渣的鋼渣瀝青混合料板(ABS 8 70/100和ABS 11 70/100)，將板放到PVM圓形軌道上，并進行磨損和顆粒排放測量試驗。將PVM試驗結(jié)果與以前做過的其他天然骨料的試驗結(jié)果進行比較，結(jié)果表明：鋼渣瀝青混合料在50 000次荷載作用下，其磨損模式與其他混合料的磨損模式基本一致，但磨損量明顯增加。而在現(xiàn)役道路路段現(xiàn)場觀察的情況并非如此(該路段使用同一廠家提供的材料)。這可能是由于鋼渣的多棱角性增加了磨損，從而導(dǎo)致了鋼渣瀝青混合料磨耗行為的不準(zhǔn)確描述。試驗測量了直徑小于或等于10 μm(PM10)的物質(zhì)顆粒，PM10在PVM大廳中的濃度隨著速度的增加而增加，這與常規(guī)骨料的其他磨損層混合料相似。這兩種鋼渣瀝青混合料的PM10水平相似，但與北歐地區(qū)使用的其他磨耗層混凝土相比略低。圖5為30、50和70 km/h速度下0.5～18 μm粒子的質(zhì)量分布，質(zhì)量隨粒子半徑增加而增加，分布以較粗的粒子為主。大于10 μm粗顆粒的急劇下降是由于在進口處采用分離器過濾PM10顆粒。

由圖5可以看出：PM10的質(zhì)量分布呈現(xiàn)雙峰分布，峰值為6 μm左右，類似于以前對其他磨耗層混合料進行的試驗。鋼渣ABS 8混合料的PM10質(zhì)量分布顯示出比鋼渣ABS 11混合料更高的粗顆粒濃度。在30 km/h的速度下，不同磨損過程混合料之間的PM10濃度略有不同；然而，速度為50、70 km/h時,不同混合料的PM10濃度相差較大。

4 結(jié)果與討論

在試驗室和道路模擬試驗的基礎(chǔ)上，對10種不同廠家生產(chǎn)的鋼渣骨料和用該鋼渣骨料拌和的瀝青混合料性能進行了評價。對鋼渣集料進行了磨損試驗和剝落試驗，對鋼渣瀝青混合料進行了耐磨性、動態(tài)蠕變和動態(tài)剪切模量試驗。此外，還進行了道路模擬試驗，以確定顆粒排放和由于鋼渣多棱角對鋼渣瀝青混合料耐磨性的影響，并進行了鋼渣瀝青耐久性研究。主要結(jié)論如下：

(1) 鋼渣集料性能試驗表明，大部分鋼渣骨料的耐磨性超過或符合道路集料的要求。動態(tài)蠕變試驗表明，鋼渣瀝青混合料的短期和長期性能優(yōu)于傳統(tǒng)天然骨料的瀝青混合料。

圖5 鋼渣和常規(guī)磨耗層PM10質(zhì)量分布

(2) 動態(tài)剪切模量試驗表明，在較寬的溫度和頻率范圍內(nèi)，鋼渣瀝青混合料的性能優(yōu)于常規(guī)瀝青混合料，可以降低車轍開裂和疲勞開裂的風(fēng)險。

(3) 鋼渣瀝青混合料PM10的分布與其他常規(guī)骨料混合料非常相似，PM 10峰值為3～6 μm。與ABS 8混合相比，ABS 11的PM10相對較低。

(4) 50 000次道路模擬測試結(jié)果表明，鋼渣瀝青混合料有著良好的抗疲勞能力。但是鋼渣的多棱角性使得鋼渣瀝青混合料的抗疲勞性能評估變得復(fù)雜。因此需對鋼渣瀝青混凝土面層的疲勞特性進一步研究。

——編譯自：Abubeker W. Ahmed，Leif Viman,Lotta Lind，et al. Performance Evaluation of Slag Asphalt Mixtures Based on Laboratory and Road Simulator Tests[C].Submitted for Presentation and Publication at the 2016 Annual Meeting of the Transportation，2016.