ARHM-13鋼渣瀝青混合料路用性能研究

李 陽(yáng), 李雙抒, 馬義東, 欒 揚(yáng), 劉佳輝

(1.河北雄安京德高速公路有限公司, 河北 廊坊 065700; 2.河北省交投規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 石家莊 050000)

鋼渣是一種工業(yè)固體廢棄物,其產(chǎn)量約占粗鋼產(chǎn)量的10%～15%[1]。我國(guó)鋼渣年產(chǎn)量已突破1億t,其中河北省的年產(chǎn)鋼渣量位居全國(guó)首位,但其利用率僅約為30%[2]。道路的修建需要大量的集料,然而近年來(lái)我國(guó)優(yōu)質(zhì)石料資源日益緊缺,再加上“雙碳”戰(zhàn)略在各行各業(yè)的快速實(shí)施,科研工作者逐漸考慮將鋼渣代替集料應(yīng)用于道路工程中。

相關(guān)研究表明鋼渣是一種具有優(yōu)良性能的道路材料,其具有棱角性好、磨光值高、硬度高以及與瀝青粘附性好等優(yōu)良性能[3-5]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)于鋼渣在瀝青混合料中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。Mansour F等[6]通過(guò)室內(nèi)相關(guān)試驗(yàn),證明了在溫拌瀝青混合料中適當(dāng)添加鋼渣能提高其各項(xiàng)路用性能;高穎等[7]采用3種化學(xué)試劑對(duì)鋼渣進(jìn)行了浸泡改性處理,并通過(guò)性能測(cè)試、掃描電子顯微鏡(SEM)、聲發(fā)射等測(cè)試方法研究了改性鋼渣的物理力學(xué)性能、改性鋼渣-瀝青混合料性能、鋼渣的改性機(jī)理和改性鋼渣-瀝青混合料抗裂機(jī)理;祁昊等[8]通過(guò)高溫車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)鋼渣-玄武巖膠粉改性瀝青混合料高、低溫及水穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,并針對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)運(yùn)用灰靶決策理論,計(jì)算選出鋼渣替換玄武巖的最佳替換方案;張慶宇等[9]選用水熱敏感性試驗(yàn)?zāi)M了高溫動(dòng)水沖刷環(huán)境,并評(píng)價(jià)了鋼渣瀝青混合料的水熱敏感性;Wei等[10]通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究表明應(yīng)力大小和溫度高低是主要影響鋼渣瀝青混合料抗變形性能的因素,游離CaO是主要影響鋼渣體積穩(wěn)定性的因素;申愛(ài)琴等[11]通過(guò)室內(nèi)加速磨耗試驗(yàn)證明摻入鋼渣可有效改善隧道路面瀝青混合料的抗滑性能,并揭示了其抗滑性能的衰減機(jī)理;Khiong等[12]研究發(fā)現(xiàn)橡膠屑可用于制備熱拌瀝青混合料,其具有耐用和可持續(xù)的優(yōu)勢(shì);武建民等[13]通過(guò)加速磨耗試驗(yàn)研究了級(jí)配類型和鋼渣摻量對(duì)21%膠粉摻量的鋼渣橡膠瀝青混合料抗滑性能的影響,結(jié)果表明隨著鋼渣摻量的增加,其抗滑性能逐漸提高。

綜上,摻加適量鋼渣能顯著提高瀝青混合料的抗滑性、穩(wěn)定性、耐久性、抗車轍等性能,但目前對(duì)于鋼渣在膠粉改性瀝青混合料中的應(yīng)用研究較少。本文在30%膠粉摻量的橡膠改性瀝青混合料ARHM-13抗滑級(jí)配的基礎(chǔ)上,采用9.5 mm～16 mm檔鋼渣等質(zhì)量替代10 mm～15 mm檔玄武巖,通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)對(duì)ARHM-13鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及抗滑性能進(jìn)行研究,并通過(guò)灰靶決策理論優(yōu)選出最佳鋼渣摻量,旨在為鋼渣代替集料在道路工程領(lǐng)域中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ),進(jìn)一步推動(dòng)鋼渣在我國(guó)道路工程中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料及技術(shù)指標(biāo)

1) 瀝青

試驗(yàn)所用瀝青為30%膠粉摻量橡膠改性瀝青,由河北某科技有限公司生產(chǎn),其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 30%橡膠改性瀝青性能指標(biāo)

2) 粗細(xì)集料和礦粉

ARHM-13鋼渣瀝青混合料所用粗集料、細(xì)集料、礦粉均來(lái)自于某高速ZT11標(biāo)上面層集料,粗集料為玄武巖,細(xì)集料為石灰?guī)r,礦粉由石灰?guī)r研磨而成,粗細(xì)集料和礦粉的各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表2～表4。

表2 粗集料物理力學(xué)性能指標(biāo)

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo) g/cm3

表4 礦粉技術(shù)指標(biāo)

3) 鋼渣

試驗(yàn)中所采用的鋼渣為河北敬業(yè)鋼鐵廠(簡(jiǎn)稱河鋼)產(chǎn)生的廢渣,各指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 鋼渣物理力學(xué)性能

鋼渣中游離MgO和游離CaO遇水會(huì)生成Mg(OH)2和Ca(OH)2,使鋼渣體積發(fā)生膨脹,根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范要求,鋼渣中游離氧化鈣的含量應(yīng)不大于3%,浸水膨脹率不大于2%。依據(jù)規(guī)范《鋼渣穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》(GB/T 24175—2009)[14]進(jìn)行鋼渣浸水膨脹率測(cè)試,獲得河鋼鋼渣的浸水膨脹率為0.6%,滿足國(guó)家規(guī)范要求,具體結(jié)果見(jiàn)表6。鋼渣篩分結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 鋼渣混合料10 d膨脹量

表7 鋼渣篩分結(jié)果

1.2 ARHM-13鋼渣瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

為確定ARHM-13鋼渣瀝青混合料中鋼渣的最佳摻量,在考慮實(shí)際工程集料級(jí)配的準(zhǔn)確性、方便操作及施工成本的基礎(chǔ)上,采用體積法[15]用粒徑為9.5 mm～16 mm鋼渣等質(zhì)量替代10 mm～15 mm檔玄武巖,設(shè)計(jì)鋼渣摻量分別為0%、30%、50%、70%、100%。根據(jù)ARHM-13瀝青混合料級(jí)配范圍,進(jìn)行瀝青混合料礦料級(jí)配設(shè)計(jì),瀝青混合料級(jí)配見(jiàn)表8。制備不同鋼渣摻量級(jí)配的馬歇爾試件,進(jìn)行馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn),確定各自的最佳油石比,見(jiàn)表9。

表8 ARHM-13鋼渣瀝青混合料級(jí)配

表9 不同鋼渣摻量瀝青混合料最佳油石比 %

2 瀝青混合料路用性能試驗(yàn)

選擇上述鋼渣摻量分別為0%、30%、50%、70%和100%的礦料級(jí)配,采用各自最佳油石比配制ARHM-13鋼渣瀝青混合料進(jìn)行路用性能系列試驗(yàn)。

2.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青路面車轍病害是瀝青路面病害的主要形式之一,頻發(fā)于夏季高溫服役條件下,主要與瀝青、集料的基本性能有關(guān)。實(shí)踐中常用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[16]制備車轍板試件,采用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)ARHM-13鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。ARHM-13鋼渣瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 ARHM-13瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知:

1) 適量鋼渣的摻入能有效提高ARHM-13鋼渣瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度,即鋼渣能有效提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

2) 鋼渣摻量為50%時(shí),即9.5 mm～16 mm檔顆粒鋼渣質(zhì)量為50%時(shí),ARHM-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最大,為9 698次/mm,相較不摻鋼渣的ARHM-13瀝青混合料,其動(dòng)穩(wěn)定度提高了19.79%。

3) 瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性隨著鋼渣摻量的增加先提高后降低,在鋼渣摻量為50%時(shí),高溫穩(wěn)定性最優(yōu);當(dāng)鋼渣摻量為100%時(shí),ARHM-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最低,低于不摻加鋼渣的瀝青混合料,但能滿足高速瀝青路面動(dòng)穩(wěn)定度值大于5 000次/mm的技術(shù)要求。

在一定摻量范圍內(nèi),鋼渣的摻入改善了ARHM-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。主因?yàn)?1) 鋼渣具有孔隙率高、表面粗糙、棱角分明及強(qiáng)度高等特征,相較天然石料,鋼渣與瀝青之間存在極好的粘結(jié)性;2) 弱酸性的瀝青與強(qiáng)堿性的鋼渣會(huì)進(jìn)行一系列的化學(xué)反應(yīng),使兩者之間產(chǎn)生較高的粘聚力;3) 相較玄武巖粗集料,鋼渣棱角分明,在經(jīng)過(guò)壓實(shí)后,集料顆粒之間形成密實(shí)的骨架嵌擠結(jié)構(gòu),使瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度得到增強(qiáng),其抵抗永久變形的能力增強(qiáng),從而提高其高溫穩(wěn)定性;4) 隨著鋼渣摻量的增加,其最佳油石比逐漸增大,鋼渣內(nèi)部孔隙被瀝青填滿,由此導(dǎo)致瀝青混合料難以壓實(shí),其孔隙率與壓實(shí)度無(wú)法達(dá)到規(guī)定要求,致使瀝青混合料在高溫條件下抵抗變形能力降低,進(jìn)而其高溫穩(wěn)定性變差。

2.2 低溫抗裂性

在低溫服役條件下,混合料剛度變大,瀝青路面在受到車輛荷載、溫度及環(huán)境等因素的共同作用下,易出現(xiàn)裂縫病害。依據(jù)規(guī)程[16]中的彎曲試驗(yàn)方法來(lái)研究ARHM-13鋼渣瀝青混合料的低溫性能。ARHM-13鋼渣瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 ARHM-13瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知:

1) 各組ARHM-13瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[17]中對(duì)嚴(yán)冬地區(qū)的規(guī)定。

2) 當(dāng)鋼渣摻量為70%時(shí),最大彎拉應(yīng)變達(dá)到最高值,為3.207×10-3。

3) 相較不摻加鋼渣的瀝青混合料,當(dāng)鋼渣摻量為30%、50%、70%和100%時(shí),ARHM-13瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變分別增加了1.03%、1.89%、6.30%和3.35%,表明隨著鋼渣的摻入,ARHM-13瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變先增后降,即鋼渣的摻入能提高ARHM-13瀝青混合料的低溫抗裂性能。

主因?yàn)?鋼渣的摻入致使瀝青用量增加,鋼渣表面具有較多孔隙,會(huì)吸附更多的瀝青,使得瀝青混合料中結(jié)構(gòu)瀝青的比例增多,進(jìn)而提高瀝青混合料的低溫抗裂性。

2.3 水穩(wěn)定性

2.3.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

水穩(wěn)定性是瀝青路面的基本要求之一,瀝青路面水穩(wěn)定性不足造成的水損害是我國(guó)瀝青路面早期破壞的主要形式之一。根據(jù)規(guī)程[16]中的浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)研究ARHM-13鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性,采用殘留穩(wěn)定度比來(lái)評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性。ARHM-13鋼渣瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 ARHM-13瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知:

1) 各組ARHM-13瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均滿足規(guī)范大于85%的要求。

2) 相較不摻鋼渣ARHM-13瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度,當(dāng)鋼渣摻量為30%、50%、70%和100%時(shí),殘留穩(wěn)定度分別提高了2.20%、7.07%、11.01%和4.98%。當(dāng)鋼渣摻量為70%時(shí),ARHM-13瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度提高最顯著。這表明隨著鋼渣摻量的增加,瀝青混合料的水穩(wěn)定性呈先增強(qiáng)后減弱的變化趨勢(shì)。

鋼渣的摻入改善了ARHM-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性,其原因:1) 鋼渣與瀝青之間會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng),使鋼渣表面形成化學(xué)吸收層,增強(qiáng)了鋼渣與瀝青之間的粘結(jié)性能,從而有效緩解了集料顆粒的松散剝落;2) 鋼渣與瀝青之間的粘附性強(qiáng)于天然石料,在其表面形成更多的結(jié)構(gòu)瀝青,使瀝青膜的厚度得到增加,從而改善了ARHM-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

2.3.2 凍融劈裂試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)程[16]中凍融劈裂試驗(yàn)研究ARHM-13鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性。ARHM-13鋼渣瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 ARHM-13瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知,就凍融劈裂試驗(yàn)而言,各組ARHM-13瀝青混合料試件的凍融劈裂強(qiáng)度比滿足規(guī)范大于80%的要求。相較不摻加鋼渣的瀝青混合料,當(dāng)鋼渣摻量為30%時(shí),ARHM-13瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比提高了0.03%;當(dāng)鋼渣摻量分別為50%、70%和100%時(shí),ARHM-13瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比分別降低了3.96%、6.25%和7.19%,表明隨著鋼渣的摻入,ARHM-13瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比變化幅度不大,即鋼渣的摻入并未提高ARHM-13瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比。結(jié)合浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果可知,摻入鋼渣在一定程度上提高了ARHM-13瀝青混合料的抗水損害能力,但效果有限。

鋼渣的摻入盡管在一定程度上提高了瀝青混合料的最佳油石比,但鋼渣的摻加節(jié)約了大量的石料,降低了工程造價(jià),較大幅度提高了ARHM-13瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能,具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

3 ARHM-13鋼渣瀝青混合料抗滑性能試驗(yàn)研究

3.1 加速磨耗試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備采用法標(biāo)NF P 98-253-1[18]體系下ORNIEREUR大型充氣膠輪車轍試驗(yàn)機(jī),見(jiàn)圖5。該設(shè)備充氣輪胎輪寬80 mm、行程410 mm。試驗(yàn)加載頻率為1 Hz,溫度為30 ℃,接觸荷載設(shè)定為0.6 MPa,模擬不同鋼渣摻量(30%、50%、70%、100%)下ARHM-13瀝青路面服役狀態(tài)的抗滑性能衰減過(guò)程。每組試件進(jìn)行10萬(wàn)次荷載作用,每2 500次為1個(gè)周期,每個(gè)周期(含0周期)使用擺式儀測(cè)試試件表面抗滑擺值。

圖5 法國(guó)車轍試驗(yàn)機(jī)整體及局部

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試件表面抗滑擺值變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6。

圖6 ARHM-13瀝青混合料的抗滑性能衰減點(diǎn)線

從圖6可以看出:

1) 不同鋼渣摻量的ARHM-13瀝青混合料的抗滑性能衰減規(guī)律總體相近,大致分為初始期、衰減期和穩(wěn)定期。初始期的ARHM-13鋼渣瀝青混合料抗滑擺值衰減速度相對(duì)較慢;衰減期的ARHM-13鋼渣瀝青混合料抗滑擺值衰減速度相對(duì)較快,衰減率高,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng);穩(wěn)定期的ARHM-13鋼渣瀝青混合料抗滑擺值衰減速度慢,衰減率低,衰減曲線逐漸趨于直線。

2) ARHM-13鋼渣瀝青混合料抗滑性能在衰減過(guò)程中出現(xiàn)了回升現(xiàn)象,即在荷載反復(fù)作用下,集料表面的瀝青膜會(huì)不斷地磨損與脫落,混合料試件表面集料裸露,此時(shí)瀝青混合料的抗滑性能主要由裸露的、粗糙的集料所承擔(dān),由于集料初期的抗滑性能優(yōu)于瀝青膜的,因此會(huì)出現(xiàn)短暫的回升現(xiàn)象;同時(shí),在荷載作用過(guò)程中集料會(huì)產(chǎn)生一定程度的破碎,形成新的破裂面表面紋理構(gòu)造,使ARHM-13鋼渣瀝青混合料的抗滑性能得以提升。

3) 相較未摻加鋼渣的瀝青混合料,摻加鋼渣的ARHM-13瀝青混合料瀝青膜脫落所需的荷載加載次數(shù)更多,在一定范圍內(nèi),隨著鋼渣摻量的增大,瀝青膜脫落所需要的荷載加載次數(shù)越多,其抗滑性能衰減曲線波動(dòng)次數(shù)則越少。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是鋼渣表面的微觀構(gòu)造明顯優(yōu)于玄武巖的,其與瀝青的粘附性較好,使抗滑性能衰減過(guò)程回升現(xiàn)象的產(chǎn)生得到了延遲,有效延長(zhǎng)了瀝青路面的抗滑性能衰減期。

4) 隨著鋼渣摻量的增大,ARHM-13鋼渣瀝青混合料的抗滑回升幅度降低。主因是玄武巖的抗滑性能優(yōu)于鋼渣的,在瀝青膜磨損脫落后前者產(chǎn)生的回升幅度大于后者產(chǎn)生的。

為進(jìn)一步分析鋼渣摻量對(duì)混合料抗滑性能的影響,采用BPN(擺值)損失率和BPN衰減速率2種評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)ARHM-13鋼渣瀝青混合料抗滑性能進(jìn)行分析,荷載作用10萬(wàn)次時(shí),BPN損失率與衰減速率見(jiàn)圖7。

圖7 荷載作用10萬(wàn)次時(shí)BPN損失率與衰減速率

由圖7可以看出:

1) 在荷載作用10萬(wàn)次后,ARHM-13瀝青混合料的抗滑性能衰減終值均有所提高,鋼渣摻量為30%、50%、70%和100%時(shí),ARHM-13瀝青混合料的平均擺值衰減終值分別為57.3、63.4、58.4和57.2,相較不摻鋼渣的ARHM-13瀝青混合料的56.7分別提高了1.06%、11.82%、3.00%和0.88%,其中鋼渣摻量為50%的提高效果最優(yōu)。

2) 摻入鋼渣的ARHM-13瀝青混合料抗滑性能衰減評(píng)價(jià)指標(biāo)均有所降低,鋼渣摻量為30%、50%、70%和100%的ARHM-13瀝青混合料,其平均擺值損失率分別為25%、20.2%、27.7%和31%,相較ARHM-13瀝青混合料的32.3%分別下降了22.6%、37.46%、14.24%和4.02%;其平均擺值衰減速率分別為1.89萬(wàn)次、1.60萬(wàn)次、2.24萬(wàn)次和2.56萬(wàn)次,相較ARHM-13瀝青混合料的2.51萬(wàn)次分別下降了24.70%、36.25%、10.76%和-2.00%。

3) ARHM-13瀝青混合料抗滑性能的衰減終值、擺值損失率和擺值衰減速率并不隨鋼渣摻量的增加而持續(xù)上升或持續(xù)下降,而是呈現(xiàn)出先上升再下降或先下降再上升的趨勢(shì),在鋼渣摻量為50%時(shí)到達(dá)峰值拐點(diǎn);當(dāng)鋼渣摻量偏小時(shí),ARHM-13瀝青混合料在衰減過(guò)程中再次破碎形成新紋理構(gòu)造的能力受到限制;當(dāng)鋼渣摻量偏大時(shí),由于引入大量耐磨性偏差的材質(zhì)會(huì)造成其抗滑性能衰減速率遠(yuǎn)大于不摻鋼渣的混合料。因此,合理的摻入一定量的鋼渣有利于提高ARHM-13瀝青混合料的長(zhǎng)期抗滑性能。

4 結(jié)論

本文通過(guò)高溫車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證不同鋼渣摻量ARHM-13瀝青混合料的路用性能,并通過(guò)加速磨耗試驗(yàn)研究ARHM-13鋼渣瀝青混合料的抗滑性能,得出如下主要結(jié)論:

1) 鋼渣的摻入能有效提高瀝青混凝土的高溫性能。鋼渣摻量為50%時(shí),相較于不摻鋼渣ARHM-13瀝青混合料,其動(dòng)穩(wěn)定度提高了19.79%。

2) 鋼渣的摻入能提高ARHM-13瀝青混合料的低溫抗裂性能。隨著鋼渣摻量的增加,ARHM-13瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變先增長(zhǎng)后降低;相較不摻加鋼渣的瀝青混合料,ARHM-13鋼渣瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變最高增加了6.30%。

3) 隨著鋼渣摻量的增加,瀝青混合料的水穩(wěn)定性呈先增強(qiáng)后降低的變化趨勢(shì)。

4) 鋼渣摻入能有效提高瀝青混合料的抗滑性能。在荷載作用10萬(wàn)次后,鋼渣摻量為50%時(shí),相比普通ARHM-13瀝青混合料,擺值提高了11.82%。