鋼渣瀝青混合料性能試驗(yàn)研究

蔣承志JIANG Cheng-zhi

（揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州 225000）

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

LiChao[1]采用鋼渣替代全部或部分玄武巖和玄武巖骨料配制了3 種瀝青混合料探索其粘彈性特性的變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著溫度的降低，3 種瀝青混合料的蠕變速率和累積應(yīng)變變化率逐漸減小，松弛時(shí)間逐漸增大；特別是當(dāng)溫度從-20℃降低到-30℃時(shí)，三種瀝青混合料的累積應(yīng)變變化率均達(dá)到最小，均小于10%。BaiXuefeng[2]為了建立接近實(shí)際情況的瀝青混合料非均質(zhì)性數(shù)值模型，采用離散元法建立了隨機(jī)集料模型。通過(guò)模擬梁的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，探討了鋼渣瀝青混合料i 型裂紋的擴(kuò)展機(jī)理。結(jié)果表明：鋼渣骨料的棱角度比玄武巖小，拐角處應(yīng)力集中較小，骨料裂紋Ng 數(shù)量較少；裂縫沿玄武巖骨料劇烈擴(kuò)展，SAM的低溫抗裂性能優(yōu)于BAM。

ZhengHua[3]研究了不同鋼渣含量瀝青混合料在干濕循環(huán)和凍融循環(huán)環(huán)境下耐水性的惡化過(guò)程。結(jié)果表明，鋼渣瀝青混合料具有明顯的抗水損傷性能。隨著干濕或凍融反復(fù)循環(huán)次數(shù)的增加，鋼渣瀝青混合料的耐水性能先迅速惡化后趨于穩(wěn)定，存在水破壞的極限狀態(tài)。在干濕循環(huán)條件下，鋼渣含量為50%的瀝青混合料具有較好的耐水性能，而在凍融循環(huán)條件下，鋼渣含量為100%的瀝青混合料具有較好的耐水性能。鋼渣瀝青混合料的界面相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定致密，瀝青砂漿均勻而緊密地包裹鋼渣并形成一定的滲透深度。鋼渣與瀝青的增強(qiáng)機(jī)理主要包括物理錨固效應(yīng)和化學(xué)黏附效應(yīng)。

林志平[4]將鋼渣代替普通AC-20 瀝青混凝土中的全部粗細(xì)砂巖集料，研究鋼渣對(duì)瀝青混合料路用性能的影響。結(jié)果表明：摻入鋼渣后，瀝青用量較砂巖集料瀝青混凝土增加0.4%，提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗滑性，但對(duì)體積膨脹性、水穩(wěn)定性影響有限，體積膨脹率、殘留穩(wěn)定度和劈裂抗拉強(qiáng)度比均滿(mǎn)足規(guī)范要求。何亮總結(jié)了鋼渣的物理性質(zhì)、化學(xué)成分及礦物相組成；分析了影響鋼渣體積安定性的因素及其改善措施。研究結(jié)果表明：鋼渣可用于瀝青混合料，且應(yīng)為陳化半年以上的轉(zhuǎn)爐鋼渣或電爐鋼渣；鋼渣的物理力學(xué)性能優(yōu)良，而化學(xué)成分及礦物相組成受煉鋼工藝影響有所區(qū)別；鋼渣體積安定性的不足可通過(guò)預(yù)處理或陳化處理得到較好的改善。

WangLan[5]通過(guò)宏觀和微觀試驗(yàn)，研究了鋼渣瀝青混合料的低溫開(kāi)裂特性及其影響機(jī)理。結(jié)果表明：SAM（鋼渣瀝青混合料）具有較多的小孔隙和較少的大孔隙，其總孔隙率小于玄武巖瀝青混合料（BAM）；SAM 抗彎曲變形的初始彈性階段比BAM 更長(zhǎng)，彎曲應(yīng)變能密度（dW/dV）更大，裂紋穿透速度更慢。SAM 的水平應(yīng)變能密度（DE）大于BAM，裂紋尖端應(yīng)力更大?？紫堵逝c瀝青混合料的低溫抗裂性能密切相關(guān)。LuoWei[6]為了混合料獲得較高的加熱性能，確定瀝青混合料中鋼渣的最佳摻量進(jìn)行了研究。研究結(jié)果還表明，隨著鋼渣摻量的增加，瀝青混合料的微波加熱性能有所提高。但鋼渣含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料大部分區(qū)域過(guò)熱，當(dāng)鋼渣等量替代粗骨料（4.75～9.5mm）約60%時(shí)，溫度分布更為均勻適宜。

張宗琦[7]制備了三種不同級(jí)配的密級(jí)配鋼渣瀝青混合料，分別檢測(cè)其高溫性能、低溫性能以及水穩(wěn)定性能等。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：AC-13、AC-16、AC-20 等不同級(jí)配的混合料穩(wěn)定度、凍融劈裂結(jié)果以及浸水殘留穩(wěn)定度等指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范的要求。隨著級(jí)配組合、骨料粒徑的變大，對(duì)應(yīng)穩(wěn)定度也會(huì)隨之變大，且具有相當(dāng)良好的水穩(wěn)定性，滲水系數(shù)均滿(mǎn)足密級(jí)配瀝青混凝土小于120mL/min 的要求。唐秀明[8]在分析鋼渣集料工程特性的基礎(chǔ)上，對(duì)優(yōu)化的混合料性能開(kāi)展系統(tǒng)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，與石灰?guī)r瀝青混合料相比，骨架嵌擠密實(shí)型鋼渣瀝青混合料膨脹性、高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性更優(yōu)，具有良好的工程應(yīng)用前景。申愛(ài)琴[9]研究了鋼渣瀝青混合料（SSAM）在不同鋼渣摻量、不同荷載和不同溫度條件下的抗滑性能衰減規(guī)律。結(jié)果表明：鋼渣的摻入從衰減終值、損失率和衰減速率3 個(gè)方面提高了瀝青混合料的抗滑性能；SSAM 抗滑性能隨鋼渣摻量的增加呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)，在50%鋼渣摻量處出現(xiàn)拐點(diǎn)；荷載對(duì)SSAM 抗滑性能的影響主要表現(xiàn)在衰減過(guò)程的第2 階段至第5 階段，溫度對(duì)SSAM 抗滑性能的影響主要表現(xiàn)在第1 階段；鋼渣集料表面紋理豐富，孔結(jié)構(gòu)和孔級(jí)配更合理，從而改善了SSAM 瀝青膜的黏結(jié)性，提高了SSAM 抗滑性能的穩(wěn)定性。

2 原材料

本研究為了符合江蘇工程的實(shí)際，集料采用了玄武巖，填料采用石灰?guī)r磨細(xì)礦粉。采用《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）對(duì)集料進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試和密度試驗(yàn)，結(jié)果表明所有集料滿(mǎn)足規(guī)范要求。集料密度以及填料各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1～表3。

表2 OGFC-5 集料密度試驗(yàn)結(jié)果

表3 填料性能指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果

鋼渣密度以及各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表4～表7。

表5 鋼渣骨料表觀密度

表6 鋼渣骨料壓碎值

表7 鋼渣骨料吸水率

3 試驗(yàn)過(guò)程方案設(shè)計(jì)

車(chē)轍試驗(yàn)最早是由英國(guó)研發(fā)，并因本身的簡(jiǎn)易操作和測(cè)試結(jié)果直觀且與實(shí)際工程中表現(xiàn)的高溫性能吻合度較好，所以在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)（圖1）。

試件是長(zhǎng)×寬×高為300×300×50mm 的長(zhǎng)方體，通過(guò)輪碾法進(jìn)行車(chē)轍板試件的成型，試驗(yàn)溫度控制在60℃，輪壓為0.7MPa。根據(jù)時(shí)間和試件被橡膠輪碾壓后變形所形成的關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)描述抗車(chē)轍的能力。通過(guò)分析試件的車(chē)轍變形量與輪碾次數(shù)的關(guān)系，用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能，車(chē)轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算方式見(jiàn)式（1）。

式中：DS：動(dòng)穩(wěn)定度，次/mm；

d1：對(duì)應(yīng)試件t1的變形量，mm；

d2：對(duì)應(yīng)試件t2的變形量，mm；

C1、C2：試驗(yàn)系數(shù)，本試驗(yàn)為C1=C2=1.0；

N：輪子碾壓速度，為42 次/min。

基于瀝青路面在車(chē)載作用下的受力狀態(tài)，同濟(jì)大學(xué)的孫立軍教授提出了一種操作便捷、離散性小的用于評(píng)價(jià)瀝青混合料抗剪性能的試驗(yàn)方法——單軸貫入試驗(yàn)。單軸貫入試驗(yàn)通過(guò)一直徑為r 的鋼質(zhì)壓頭對(duì)直徑為R 的試件加壓，其中r＜R，由于r/R 的值足夠小，試件受壓部分不僅承受豎直向下的力，還會(huì)受到壓頭周?chē)鸀r青混合料的圍壓，這與瀝青路面在車(chē)輛荷載作用下的受力狀態(tài)一致。試驗(yàn)原理圖見(jiàn)圖2。

單軸貫入試驗(yàn)采用貫入應(yīng)力來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能，計(jì)算公式見(jiàn)式（2）和式（3）。

式中：Rτ——貫入強(qiáng)度，MPa；

σp——貫入應(yīng)力，MPa；

P——試件破壞時(shí)的極限荷載，N；

A——壓頭橫截面面積，mm2；

fτ——貫入應(yīng)力系數(shù)，根據(jù)貫入應(yīng)力系數(shù)取值法，本文取0.35。

根據(jù)（JTG E20-2011）和設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2017）相關(guān)規(guī)范進(jìn)行單軸貫入試驗(yàn)。將拌合好的瀝青混合料通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件（試件規(guī)格為：直徑150mm，高度100mm），置于室溫下冷卻，至少48h，將試件和壓頭（直徑為42mm，見(jiàn)圖3）置于60℃環(huán)境箱下保溫5～6h，然后將壓頭放在試件中心置于試驗(yàn)臺(tái)上，將加載裝置的加載速度設(shè)置為1mm/min 對(duì)試件進(jìn)行加載，直至應(yīng)力值降為應(yīng)力極值點(diǎn)的90%，停止加載。單軸試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖4。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

圖3 單軸貫入試驗(yàn)壓頭示意圖（尺寸單位：mm）

圖4 單軸貫入試驗(yàn)過(guò)程圖

表8 瀝青混合料高溫車(chē)轍試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表8、圖5 和圖6 可以看出，兩種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度都符合技術(shù)要求，圖5 至圖6 中通過(guò)紅色虛線(xiàn)直接標(biāo)出了各混合料動(dòng)穩(wěn)定度的規(guī)范要求，可以更加直觀地看出所有瀝青混合料均符合相關(guān)規(guī)范要求，并且在相同鋼渣摻量下，OGFC 瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均大于SMA 瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，這是由于OGFC 瀝青混合料中使用了高粘改性劑，進(jìn)一步提升了瀝青混合料的高溫性能。除此之外，還可以看出對(duì)于這兩種級(jí)配，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨鋼渣摻量先增大再減小，對(duì)于SMA-5 級(jí)配當(dāng)鋼渣摻量為75%達(dá)到最大值6706 次/mm，是不摻鋼渣的1.62倍。在鋼渣摻量為100%時(shí)，雖然動(dòng)穩(wěn)定度呈下降趨勢(shì)，但仍有5938 次/mm 為不摻鋼渣的1.5 倍。對(duì)于OGFC-5 級(jí)配當(dāng)摻量達(dá)到50%時(shí)達(dá)到最大值9130.4 次/mm，是不摻鋼渣的1.72 倍。在鋼渣摻量為100%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度也呈下降趨勢(shì)，但仍有7623.6，為不摻鋼渣的1.43 倍。這表明鋼渣粗集料對(duì)瀝青混合料的高溫性能有良好改善作用。首先，由于鋼渣集料有多孔的特點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)玄武巖集料，鋼渣表面的孔隙增大了拌合時(shí)與瀝青的接觸面積。這使得集料能吸附更多的自由瀝青，提升結(jié)構(gòu)瀝青與自由瀝青的比例，從而提高了瀝青混合料的高溫性能。其次，鋼渣有極好的棱角性，且表面粗糙，能夠在擊實(shí)成型時(shí)形成嵌擠性較好的試件，增加其抵抗變形的能力。當(dāng)鋼渣摻量過(guò)多時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度下降是因?yàn)殡S著鋼渣摻量的增多，最佳油石比也會(huì)隨之變大，當(dāng)用油量過(guò)大時(shí)瀝青混合料表面黏附的瀝青膜厚度增加，減小集料之間的嵌擠作用導(dǎo)致無(wú)法形成穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)。此外。溫度升高時(shí)瀝青軟化導(dǎo)致瀝青混合料的變形量增大。

圖6 OGFC-5 瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果