鐵尾礦-鋼渣集料微表處混合料路用性能及耐久性試驗(yàn)研究

劉名揚(yáng)，周 彬，顏 峰，陳龍江，侯美晴

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500;2.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，昆明 650500)

0 引 言

我國(guó)作為工業(yè)大國(guó)，每年要產(chǎn)生以億噸計(jì)的鐵尾礦與鋼渣，但綜合利用率較低，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)及環(huán)境污染問(wèn)題。近年我國(guó)道路建設(shè)飛速發(fā)展，繁重的公路建養(yǎng)任務(wù)有賴于大量天然礦質(zhì)集料的支撐，優(yōu)質(zhì)天然集料短缺的現(xiàn)象已愈加顯著，若能將鐵尾礦與鋼渣應(yīng)用于道路工程中，不僅可以有效處理工業(yè)固廢，還可以加速循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)[1-3]。

微表處養(yǎng)護(hù)作為一種實(shí)用且經(jīng)濟(jì)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方式，可以有效改善路面的使用性能，具有抗滑、耐磨、填補(bǔ)路面車(chē)轍等特點(diǎn)。但由于原材料、配合比設(shè)計(jì)、施工技術(shù)等，微表處易發(fā)生早期破壞，耐久性達(dá)不到理想效果[4-5]。在微表處結(jié)構(gòu)中，交通荷載和各種環(huán)境因素造成的破壞主要由集料來(lái)承擔(dān)[6]，將常規(guī)集料部分替換為性能優(yōu)異的鋼渣和鐵尾礦既可以提高這些工業(yè)固廢的綜合利用率，同時(shí)可以解決微表處耐久性差的問(wèn)題。對(duì)此，各學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。Cui等[7]研究了鋼渣對(duì)微表處混合料抗滑性能的增強(qiáng)機(jī)理，根據(jù)三維模型，指出鋼渣顆粒的表面形態(tài)更為復(fù)雜，且認(rèn)為使用粗鋼渣代替玄武巖后混合料綜合性能更好。Apaza等[8]將鐵礦石作為骨料摻入微表處混合料中，結(jié)果表明含有鐵礦石的微表處混合料滿足相應(yīng)國(guó)家規(guī)范要求。鄒宗民等[9]研究了鐵尾礦對(duì)微表處混合料耐久性的影響，研究表明使用鐵尾礦部分替代石灰?guī)r作為集料可以在一定程度上提高混合料的高、低溫性能及抗水損害性能。張彩利等[10]研究了鋼渣對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果表明膨脹性合格的鋼渣對(duì)混合料水穩(wěn)定性有提升作用，且動(dòng)穩(wěn)定度具有持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。余天航[11]對(duì)鐵尾礦砂石集料瀝青混合料的路用性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明鐵尾礦瀝青混合料各項(xiàng)性能優(yōu)異，鐵尾礦砂石材料替代傳統(tǒng)集料具有可行性。

本文在分析鐵尾礦與鋼渣集料材料特征的基礎(chǔ)上，將鐵尾礦和鋼渣集料同時(shí)應(yīng)用于微表處混合料中，并在原有的試驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了針對(duì)混合料耐久性的試驗(yàn)方法，重點(diǎn)研究微表處混合料的長(zhǎng)期耐久性問(wèn)題，綜合發(fā)揮兩種工業(yè)固廢的性能優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，為今后固體廢棄物在微表處混合料中的應(yīng)用提供新的思路。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

本文使用的微表處混合料礦料及其替代材料按照不同粒徑可分為3種，其中鋼渣、石灰?guī)r為粗集料(粒徑為2.36～9.5 mm)，鐵尾礦、石灰?guī)r為細(xì)集料(粒徑為0～2.36 mm),礦料使用石灰石礦粉(粒徑為0～0.075 mm)。鐵尾礦按粒徑可以分為鐵尾礦石(粒徑為0.6～2.36 mm)、鐵尾礦砂(粒徑為0.6 mm以下)。水泥為硅酸鹽水泥，摻量為礦料質(zhì)量的2%。各集料表觀形貌見(jiàn)圖1，石灰?guī)r物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 各集料表觀形貌

1.1.1 鋼渣材料特征

(1)鋼渣粗集料

未經(jīng)處理的鋼渣中通常含有少量的f-CaO，f-CaO會(huì)造成鋼渣體積膨脹進(jìn)而影響混合料的性能，為了盡可能地消除鋼渣體積膨脹帶來(lái)的危害，本文選用的鋼渣已經(jīng)過(guò)陳化處理。利用X射線衍射技術(shù)對(duì)碳化鋼渣進(jìn)行了物相分析，結(jié)果如圖2所示，橫坐標(biāo)2θ為衍射角。從圖中可以看出，Ca(OH)2含量最多，其次為Mg(OH)2和CaCO3，同時(shí)包含鐵的氧化物和硅酸鹽礦物。

圖2 碳化鋼渣的XRD譜

陳化處理是將鋼渣置于自然環(huán)境中，其所含活性物質(zhì)(f-CaO)與空氣中的水充分反應(yīng)轉(zhuǎn)化為Ca(OH)2，與此同時(shí)，鋼渣中豐富的硅酸鹽礦物也可以與水充分反應(yīng)產(chǎn)生Ca(OH)2。在自然環(huán)境下，Ca(OH)2會(huì)進(jìn)一步與空氣中的二氧化碳?xì)怏w反應(yīng)生成穩(wěn)定的CaCO3?？梢钥闯?，鋼渣陳化處理的本質(zhì)就是鋼渣中不穩(wěn)定的f-CaO和硅酸鹽礦物碳化的過(guò)程。具體反應(yīng)過(guò)程如式(1)～(3)所示。鋼渣物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 鋼渣物理力學(xué)性能指標(biāo)

(1)

(2)

(3)

為了更直觀地分析鋼渣的表觀形貌，進(jìn)一步進(jìn)行了SEM分析，鋼渣粗集料的SEM照片如圖3所示。由圖可以看出，鋼渣粗集料表面同時(shí)存在密實(shí)構(gòu)造與蜂窩狀構(gòu)造等多種不同的形態(tài)區(qū)，密實(shí)構(gòu)造區(qū)還可觀察到橢圓形及裂縫狀孔隙的存在，這表明鋼渣是一種表面構(gòu)造極其復(fù)雜的多孔材料。正是由于鋼渣的這種材料特征，其與瀝青的黏附性極佳[12]。

圖3 鋼渣粗集料的SEM照片

(2)鋼渣細(xì)集料

鋼渣細(xì)集料在陳化過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生大量的Ca(OH)2與CaCO3，同時(shí)鋼渣細(xì)集料中含有大量粉料，受鋼渣膠凝活性的影響，細(xì)集料中的顆粒與粉料在自然條件下與水反應(yīng)并膠結(jié)在一起，最終固結(jié)為鋼渣塊(見(jiàn)圖4)，從而導(dǎo)致其顆粒級(jí)配發(fā)生了改變，使得其難以直接作為細(xì)集料應(yīng)用于微表處混合料中。細(xì)集料中大量的結(jié)塊會(huì)導(dǎo)致部分f-CaO難以完全碳化，進(jìn)一步加劇鋼渣潛在的膨脹性問(wèn)題[13]，因此本文只選用鋼渣粗集料替換常規(guī)集料。

圖4 固結(jié)成塊的鋼渣細(xì)集料

1.1.2 鐵尾礦材料特征

本文利用X射線衍射技術(shù)對(duì)鐵尾礦進(jìn)行了物相分析，分析結(jié)果如圖5所示。由圖可以看出，鐵尾礦物相組成較為單一，主要由石英和鈣長(zhǎng)石組成，未檢測(cè)到f-CaO等具有潛在膨脹性的物質(zhì)，鐵尾礦物比鋼渣穩(wěn)定性好。石英質(zhì)地較為堅(jiān)硬，且穩(wěn)定性良好，但是由于石英呈酸性，酸性集料與瀝青黏附性較差，所以在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行黏聚力測(cè)試。進(jìn)一步對(duì)鐵尾礦進(jìn)行物理力學(xué)性能測(cè)試，具體見(jiàn)表3，由表可以看出，鐵尾礦的壓碎值、針片狀含量均大于石灰?guī)r集料，表明鐵尾礦不適合作為粗集料應(yīng)用于微表處混合料中，應(yīng)進(jìn)一步加工為細(xì)集料使用。

圖5 鐵尾礦的XRD譜

表3 鐵尾礦的物理力學(xué)性能指標(biāo)

為了分析鐵尾礦的表觀形貌，進(jìn)行了SEM分析(見(jiàn)圖6)。由圖6(a)可以看出，鐵尾礦石表面沒(méi)有孔隙，致密程度較高，表明鐵尾礦石具有較高的強(qiáng)度與硬度，不易整體破碎。由圖6(b)可以看出，鐵尾礦砂顆粒整體呈不規(guī)則狀。

圖6 鐵尾礦的SEM照片

1.2 改性乳化瀝青

采用SBR改性乳化瀝青，添加鹽酸作為pH值調(diào)節(jié)劑，使用德國(guó)DRS2000剪切儀進(jìn)行測(cè)試。詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 SBR改性乳化瀝青的基本性能

1.3 試驗(yàn)方案

本文采用SBR改性乳化瀝青作為膠結(jié)料，采用MS-3型粗值級(jí)配，如表5所示。按照粗集料的不同分為 石灰?guī)r粗集料(limestone coarse aggregate，LCA)、鋼渣粗集料(slag coarse aggregate，SCA)。同時(shí)分別摻加0%、5%、10%、15%、20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鐵尾礦作為混合料的細(xì)集料。為了降低試驗(yàn)結(jié)果的離散性，采用逐級(jí)篩分后分檔回配。

表5 混合料級(jí)配

1.3.1 微表處混合料路用性能試驗(yàn)

(1)黏聚力試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料》(JTG E20—2011)中的T0754方法，采用黏聚力試驗(yàn)儀對(duì)混合料黏聚力進(jìn)行測(cè)試。為了更準(zhǔn)確地反應(yīng)黏聚力的變化，本文在原有試驗(yàn)基礎(chǔ)上增加了90 min、120 min對(duì)照組。

(2)濕輪磨耗試驗(yàn)

根據(jù)《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》，通過(guò)1 h濕輪磨耗試驗(yàn)評(píng)定微表處混合料的耐磨耗性能；通過(guò)6 d濕輪磨耗試驗(yàn)評(píng)定微表處混合料的抗水損害性能。磨耗值按式(4)計(jì)算。

WTAT=(ma-mb)/A

(4)

式中：WTAT為混合料的磨耗值，g·m-2；ma為磨耗前的試件質(zhì)量，g；mb為磨耗后的試件質(zhì)量，g；A為磨耗頭膠管的磨耗面積，m2。

(3)輪轍變形試驗(yàn)

根據(jù)《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》，采用輪轍變形試驗(yàn)研究混合料抗車(chē)轍性能。PLD和PVD分別按式(5)和式(6)計(jì)算，用于評(píng)價(jià)微表處的抗車(chē)轍性能。

PLD=[(LbLa)/La]×100%

(5)

PVD=(db/da)×100%

(6)

式中：PLD為試樣單位寬度變形率，%；PVD為試樣單位厚度的車(chē)轍深度率，%；La為加載前試件的寬度，mm；Lb為試件加載1 000次后的寬度，mm；da為加載前試樣厚度，mm；db為加載1 000次后試件厚度，mm。

1.3.2 微表處混合料耐久性試驗(yàn)

(1)長(zhǎng)期抗滑性能試驗(yàn)

根據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法》(JTG 3450—2019)中的T0961和T0964方法，采用手工鋪砂法和英國(guó)擺式摩擦儀研究了微表處的長(zhǎng)期抗滑性能。按照濕輪磨耗試驗(yàn)方法制備試件，并冷卻至室溫，然后將試樣直接固定在研磨臺(tái)上，過(guò)程中不加任何水。最后啟動(dòng)磨耗機(jī)，每20 min測(cè)量一次樣品的路面摩擦系數(shù)(BPN)和紋理深度，磨耗120 min后停止試驗(yàn)。

(2)凍融循環(huán)濕輪磨耗試驗(yàn)

凍融循環(huán)濕輪磨耗試驗(yàn)反應(yīng)了混合料在凍融循環(huán)條件下的水穩(wěn)定性。按照《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》A4.3.1制作標(biāo)準(zhǔn)試件，將試樣放入真空度約為98 kPa的真空箱中，飽和15 min，并在室溫下用水浸泡30 min。然后將試樣取出至塑料袋中，加入10 mL水，并在-12 ℃冷凍16 h。冷凍后，取出試樣，60 ℃恒溫水浴24 h，然后25 ℃恒溫水浴1 h。凍融循環(huán)次數(shù)分別為0次、1次、2次、3次和4次，然后進(jìn)行濕輪磨耗試驗(yàn)。根據(jù)式(7)計(jì)算出試件在不同凍融循環(huán)下的質(zhì)量損失率Mt。

(7)

式中:Mt為試件在不同凍融循環(huán)次數(shù)(t)下的質(zhì)量損失率，%；m0為試件的初始干燥質(zhì)量，g；mf為試件經(jīng)過(guò)濕輪磨耗試驗(yàn)后的干燥質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 微表處混合料路用性能分析

2.1.1 不同集料對(duì)混合料黏聚性的影響

微表處混合料黏聚力不足會(huì)導(dǎo)致集料松散，容易開(kāi)裂，嚴(yán)重影響其路用性能和耐久性能。采用黏聚力試驗(yàn)儀，對(duì)微表處混合料的黏聚性進(jìn)行分析，試樣的破壞狀態(tài)如圖7所示，黏聚力試驗(yàn)結(jié)果如表6與圖8、圖9所示。

圖7 試樣破壞狀態(tài)

表6 黏聚力試驗(yàn)結(jié)果

圖8 LCA組添加鐵尾礦黏聚力試驗(yàn)結(jié)果

圖9 SCA組添加鐵尾礦黏聚力試驗(yàn)結(jié)果

由圖7可以看出，試樣的破壞狀態(tài)可以分為4種情況：(a)完全成型,(b)中度成型,(c)初級(jí)成型,(d)未成型。完全成型試樣表面完整無(wú)裂紋和破損，其破壞狀態(tài)與黏聚力值2.6 N·m等效；中度成型試樣表面未出現(xiàn)裂紋，但壓頭下的集料會(huì)被碾起，其破壞狀態(tài)與黏聚力值2.3 N·m等效；初級(jí)成型試樣表面有裂紋出現(xiàn)，其破壞狀態(tài)與黏聚力值2.0 N·m等效；未成型試樣表面具有多條裂紋，甚至整個(gè)試件被碾散，其破壞狀態(tài)與黏聚力值小于1.2 N·m等效。

由表6可以看出，無(wú)論是石灰?guī)r還是鋼渣作為混合料的粗集料，隨著鐵尾礦的摻入，微表處混合料的黏聚性都會(huì)下降，且摻量越大下降越明顯。分析原因可能是鐵尾礦為酸性集料，主要成分是SiO2，其離子電荷為負(fù)電荷，而工程中常用的優(yōu)質(zhì)集料通常為堿性集料，酸性集料黏附性劣于堿性集料[14]。同時(shí)可以看出，鋼渣的摻入可以在一定程度上提高混合料的黏聚性，這可能是由于鋼渣為堿性集料，且具有較為復(fù)雜的表面構(gòu)造，與瀝青黏附性較好，進(jìn)而可以說(shuō)明鋼渣替代石灰?guī)r作為粗集料可以改善鐵尾礦導(dǎo)致的黏附性差的問(wèn)題。

同時(shí)，由表6與圖8、圖9可知，微表處混合料的黏聚性與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈正相關(guān)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，混合料的黏聚性越好。根據(jù)曲線可以看出鐵尾礦摻量為20%時(shí)，與其他摻量相比,混合料黏聚力下降較快，且不滿足規(guī)范要求，可能是鐵尾礦摻量較大時(shí)，酸性集料占總體比例較大，導(dǎo)致混合料黏聚性不足。

2.1.2 不同集料對(duì)混合料耐磨耗性能及抗水損害性能的影響

微表處作為道路表面層，直接與各種荷載和積水接觸，因此應(yīng)具備一定的耐磨耗性能與抗水損害性能。采用濕輪磨耗試驗(yàn)，對(duì)微表處混合料的耐磨耗性能及抗水損害性能進(jìn)行分析。濕輪磨耗試件如圖10所示。濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖10 濕輪磨耗試件

圖11 1 h濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果

圖12 6 d濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果

由圖11、圖12可以看出，無(wú)論粗集料為石灰?guī)r還是鋼渣，隨著鐵尾礦摻量的增加，浸水1 h組的WTAT均逐漸減小，當(dāng)鐵尾礦摻量增至20%時(shí)，磨耗值趨于平穩(wěn)。鐵尾礦的主要成分為SiO2，而石灰?guī)r的主要成分是CaCO3，由于SiO2相較于CaCO3質(zhì)地堅(jiān)硬耐磨，從而鐵尾礦的耐磨耗性能相較于石灰?guī)r也表現(xiàn)得更強(qiáng)。同時(shí)鐵尾礦細(xì)集料相較于石灰?guī)r細(xì)集料片狀顆粒少，球形顆粒較多，使得其與粗集料結(jié)合更易形成骨架結(jié)構(gòu)，不易造成集料脫離。而浸水6 d組在摻加鐵尾礦后WTAT均出現(xiàn)了不同程度的增大，且摻量為20%時(shí)，WTAT相較于其他摻量增加較快，但總體差異不大且滿足規(guī)范要求。鐵尾礦屬于酸性集料，其粒子電荷為負(fù)電荷，與水作用的分子力較強(qiáng)，與瀝青作用的分子力較弱，因此表現(xiàn)出親水疏油的特性，使其在水中容易與瀝青剝離[15]。

由圖11、圖12進(jìn)一步可得，不論鐵尾礦摻量如何，鋼渣作為粗集料，其耐磨耗性能均優(yōu)于石灰?guī)r，可能是鋼渣形態(tài)復(fù)雜的表面使集料對(duì)瀝青有更好的黏附性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，含粗鋼渣的試樣磨損量明顯降低，這是由于鋼渣的棱角性比石灰?guī)r大，所以能形成更穩(wěn)定的聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，在力的作用下不易松散。

2.1.3 不同集料對(duì)混合料抗車(chē)轍性能的影響

微表處作為道路結(jié)構(gòu)層的補(bǔ)充，需要有效地承受車(chē)輛荷載，并將荷載同步傳遞到道路的結(jié)構(gòu)層，因此應(yīng)具備一定的抗車(chē)轍性能[16]。尤其是在路面車(chē)流量較大的條件下，微表處路面會(huì)承受較大的車(chē)輛荷載，因此對(duì)微表處的抗車(chē)轍性能提出了較高的要求。若微表處路面抗車(chē)轍性能較差，將會(huì)導(dǎo)致路面平整度降低，過(guò)早失去功能，不能充分地發(fā)揮其對(duì)路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作[17-19]。通過(guò)輪轍變形試驗(yàn)，對(duì)微表處混合料進(jìn)行抗車(chē)轍測(cè)試，評(píng)估其抵抗交通荷載的能力，并設(shè)置2個(gè)對(duì)照組進(jìn)行試驗(yàn)，輪轍變形試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 輪轍變形試驗(yàn)結(jié)果

由圖13可以看出，LCA組和SCA組的橫縱向位移均隨著鐵尾礦摻量的增加而減小，對(duì)于LCA組，摻加了5%、10%、15%、20%鐵尾礦試件的橫向位移與未摻加鐵尾礦試件相比分別減少了3.1%、11.2%、13.5%、15%；SCA組分別減少了3.9%、10.5%、15.7%、20%。同時(shí)可以看出，LCA組摻加了5%、10%、15%、20%的鐵尾礦試件的縱向位移與未摻加鐵尾礦試件相比分別減少了3.2%、9.5%、14.9%、16.7%；SCA組分別減少了3.0%、10.4%、14.5%、15.6%。造成這種現(xiàn)象的原因可能是，鐵尾礦的主要成分(SiO2)相較于石灰?guī)r的主要成分(CaCO3)質(zhì)地更堅(jiān)硬，以致于鐵尾礦抵抗車(chē)輛荷載的能力優(yōu)于石灰?guī)r；同時(shí)可以看出在鐵尾礦摻量高于15%后，各組橫縱向位移下降趨勢(shì)皆趨于平緩。由于摻加20%鐵尾礦使得混合料黏聚性下降，未能表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗車(chē)轍性能，因此鐵尾礦細(xì)集料最佳摻量為15%。而SCA組整體抗車(chē)轍性能強(qiáng)于LCA組，這是因?yàn)殇撛旧磔^復(fù)雜的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)使得粗鋼渣的形狀更加棱角分明、復(fù)雜，因此在微表處攤鋪過(guò)程中可以形成更強(qiáng)的聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)[7]，從而增強(qiáng)抵抗交通荷載的能力。

2.2 微表處混合料耐久性分析

2.2.1 不同集料對(duì)混合料長(zhǎng)期抗滑性能的影響

微表處作為路面結(jié)構(gòu)的表面層，在車(chē)輪的反復(fù)滾動(dòng)摩擦下，紋理深度不斷降低，使其抗滑性能在使用期間不斷下降。路面的抗滑性能是一個(gè)不斷下降的過(guò)程，為了在較短的時(shí)間內(nèi)模擬長(zhǎng)期交通荷載作用下微表處的防滑衰減過(guò)程，本文采用濕輪磨耗儀，模擬了不同道路使用時(shí)間下路面的防滑衰減過(guò)程。長(zhǎng)期抗滑性能試驗(yàn)結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖14 路面構(gòu)造深度

圖15 路面摩擦系數(shù)

為減少隨機(jī)誤差，測(cè)定構(gòu)造深度時(shí)設(shè)置1組對(duì)比組，測(cè)定BPN時(shí)設(shè)置2個(gè)平行試件，每個(gè)試件在不同位置測(cè)定5次。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著磨耗時(shí)間的增加，構(gòu)造深度和BPN不斷減小，同時(shí)構(gòu)造深度和BPN隨著鐵尾礦細(xì)集料的摻入逐漸變大，但總體差異不大。這可能是因?yàn)镾iO2與CaCO3相比質(zhì)地堅(jiān)硬耐磨，因此鐵尾礦比石灰?guī)r耐磨耗性能強(qiáng)，差異不大的原因是路面的抗滑性能主要受路面宏觀構(gòu)造影響，宏觀構(gòu)造越復(fù)雜、越粗糙，輪胎與路面發(fā)生摩擦?xí)r的抗滑能力越強(qiáng)，宏觀構(gòu)造主要由粗集料的形狀與尺寸來(lái)決定[20]。鋼渣表面多孔且空隙率較大，邊緣呈明顯的凸起狀，棱角性豐富，所以鋼渣相較于石灰?guī)r有著更出色的摩擦力、抗滑性能以及抗滑衰減能力。由圖14可以看出SCA組的構(gòu)造深度略大于LCA組，這是由于鋼渣粗集料表面形態(tài)較為粗糙，棱角較為復(fù)雜，使用手工鋪砂時(shí)，砂子更易殘留在較為粗糙的鋼渣表面。在60 min后的磨耗后期，SCA組的構(gòu)造深度與BPN的減少程度均小于LCA組，這是因?yàn)殇撛旧砟ス庵递^大，在同等條件下，磨耗損失小于石灰?guī)r[21]，且由于形態(tài)粗糙，鋼渣本身與瀝青的黏附性較強(qiáng)，從而表現(xiàn)出較好的長(zhǎng)期耐磨耗性能。

2.2.2 不同集料對(duì)混合料水穩(wěn)定性的影響

微表處應(yīng)用于寒冷地區(qū)或季節(jié)性凍結(jié)地區(qū)，工作環(huán)境具有凍融循環(huán)的特點(diǎn)[22]。因此，微表處在凍融條件下的長(zhǎng)期耐磨耗性能是非常重要的，所以采用凍融循環(huán)濕輪磨耗試驗(yàn)來(lái)模擬微表處的工作環(huán)境，并用質(zhì)量損失率Mt來(lái)表征微表處混合料的耐磨耗性能。凍融循環(huán)濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果如圖16所示。

圖16 凍融循環(huán)濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果

由圖16可以看出，隨著鐵尾礦摻量的增加，微表處混合料在凍融循環(huán)條件下的質(zhì)量損失率逐漸增大。這表明鐵尾礦的摻入對(duì)混合料在凍融條件下的耐磨耗性能有消極影響，降低了混合料的水穩(wěn)定性。造成凍融循環(huán)破壞的主要原因是骨料反復(fù)凍脹，其與膠結(jié)料的黏附性降低，再結(jié)合2.1.1節(jié)黏聚力試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表6)，說(shuō)明鐵尾礦的摻入會(huì)加劇黏附性下降，因此混合料質(zhì)量損失率隨鐵尾礦摻量的增加而增大[23-24]。對(duì)于LCA組，當(dāng)鐵尾礦摻量從0%增至20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，其質(zhì)量損失率增速大于SCA組。這是因?yàn)殇撛哂胸S富的表面構(gòu)造與優(yōu)異的耐磨耗性能，在反復(fù)凍脹的條件下與瀝青黏附性較強(qiáng)，不易發(fā)生界面破壞造成集料剝落。結(jié)合圖16，LCA組在4次凍融循環(huán)作用下最大質(zhì)量損失率分別為8.92%、9.51%、9.65%、11.71%，SCA組分別為4.98%、5.28%、5.51%、7.46%。LCA組與SCA組在第4次凍融循環(huán)時(shí)質(zhì)量損失率均有較大提升。圖17為經(jīng)過(guò)4次凍融循環(huán)后，含有20%鐵尾礦試樣的磨損表面，可以看出，與SCA組相比，LCA組試件表面大量集料剝離脫落且具有相連的凹坑。這表明經(jīng)過(guò)4次凍融循環(huán)后，水侵入微表處瀝青與骨料之間的黏結(jié)界面，降低了瀝青的黏結(jié)力，而骨料中鐵尾礦的摻入加劇了這一現(xiàn)象。由于鋼渣與瀝青的黏附性較強(qiáng)，SCA組試件表面狀態(tài)良好，并無(wú)較大集料剝離脫落。

圖17 試樣的磨損表面

對(duì)圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合分析，擬合結(jié)果如圖16中實(shí)線所示?？梢钥闯?，每組數(shù)據(jù)擬合的R2值都大于0.98，接近于1，表明擬合效果較好。在相同的凍融循環(huán)條件下，SCA組直線斜率明顯小于LCA組，這是由于鋼渣骨料的存在抑制了斜率的上升；在極端凍融環(huán)境下，鋼渣作為混合料粗集料，其優(yōu)異的黏附性可以降低與膠結(jié)料剝離的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高微表處混合料的耐磨耗性能。鋼渣骨料增強(qiáng)抗凍融能力機(jī)理如圖18所示。在反復(fù)凍融循環(huán)作用下，集料產(chǎn)生熱脹冷縮效應(yīng)，反復(fù)的膨脹和收縮使得集料與瀝青黏附較弱區(qū)域發(fā)生破壞，水分進(jìn)入了界面內(nèi)部。在凍融循環(huán)過(guò)程中，進(jìn)入內(nèi)部構(gòu)造的水分進(jìn)一步對(duì)界面造成破壞從而造成內(nèi)部開(kāi)裂。因此，若采用表面構(gòu)造豐富的鋼渣作為集料，增強(qiáng)集料與瀝青的黏結(jié)力和黏附性，可以在一定程度上抵御凍融循環(huán)帶來(lái)的破壞。

圖18 鋼渣骨料增強(qiáng)抗凍融能力機(jī)理

3 結(jié) 論

(1)鋼渣粗集料的耐磨耗性能優(yōu)于石灰?guī)r粗集料；受鋼渣自身膠凝活性的影響，鋼渣細(xì)集料易團(tuán)聚，固化成塊，對(duì)混合料級(jí)配與陳化反應(yīng)造成不利影響，因而鋼渣細(xì)集料不適用于微表處混合料；鐵尾礦粗集料技術(shù)性能不佳，因而不適合作為粗集料應(yīng)用于微表處混合料中，應(yīng)進(jìn)一步加工為細(xì)集料使用。

(2)鐵尾礦的摻入會(huì)對(duì)混合料黏聚性和抗水損害能力產(chǎn)生不利影響，且在20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))摻量時(shí)加劇。鋼渣粗集料替代石灰?guī)r粗集料，對(duì)混合料黏聚性與抗水損害能力具有提升作用，鋼渣替代石灰?guī)r作為粗集料可以改善鐵尾礦導(dǎo)致的黏附性差的問(wèn)題。

(3)鐵尾礦和鋼渣對(duì)微表處混合料的耐磨耗性能、長(zhǎng)期抗滑性能以及抗車(chē)轍性能具有提升作用。采用鋼渣粗集料并摻加15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鐵尾礦細(xì)集料可制備出路用性能及耐久性良好的微表處混合料。