鋼渣瀝青混合料早期性能的時(shí)變規(guī)律研究

盧章天　黃巖峰　溫劍啟

摘要：在鋼渣瀝青混合料路面成型早期，裹覆鋼渣集料的結(jié)構(gòu)瀝青和自由瀝青仍處于變化之中，鋼渣瀝青混合料早期性能也隨時(shí)間發(fā)生變化。文章通過瀝青浸漬實(shí)驗(yàn)對比分析鋼渣、石灰?guī)r碎石對瀝青的吸收特性隨時(shí)間變化的規(guī)律，并將瀝青混合料試件放置不同時(shí)間后進(jìn)行室內(nèi)車轍試驗(yàn)、低溫彎曲小梁試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)，研究不同鋼渣摻量（0%、50%、100%）瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性隨時(shí)間變化的規(guī)律。結(jié)果表明：鋼渣對瀝青的瞬時(shí)吸收量約為石灰?guī)r碎石的10倍，且鋼渣對瀝青的吸收量隨時(shí)間增大，約10 d后趨于穩(wěn)定;鋼渣摻量越高，最佳瀝青用量越高，新成型試件的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性越好，但隨著試件放置時(shí)間增加，低溫抗裂性和水穩(wěn)定性衰退。

關(guān)鍵詞：鋼渣瀝青混凝土;配合比設(shè)計(jì);路用性能;時(shí)變規(guī)律;吸收瀝青

中國分類號：U414文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

2019年，全國規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)粗鋼、生鐵、鋼材產(chǎn)量分別為99 634萬t、80 937萬t和120 477萬t，同比分別增長8.3%、5.3%和9.8%[1]。鋼渣是煉鋼過程中排出的熔渣，是鋼鐵生產(chǎn)中的主要副產(chǎn)物，其數(shù)量一般為粗鋼產(chǎn)量的12%～20%。長期以來，我國大部分鋼渣被當(dāng)作廢物堆棄，其綜合利用率極低，不僅占用大量土地，且易引發(fā)環(huán)境污染問題[2-3]。為提高鋼渣的綜合利用率，促進(jìn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，道路工作者發(fā)現(xiàn)鋼渣具有密度大、強(qiáng)度高、表面粗糙、穩(wěn)定性好、耐磨與耐久性好、與瀝青結(jié)合牢固等特點(diǎn)，可用作筑路材料[4-5]。鋼渣為多孔性材料[6]，在使用過程中，在毛細(xì)管力以及瀝青自身流動性作用下，瀝青會逐漸進(jìn)入鋼渣的孔結(jié)構(gòu)，鋼渣瀝青混合料的瀝青含量和瀝青膜厚度隨時(shí)間發(fā)生變化，這雖然能提高結(jié)構(gòu)瀝青的比例，但也可能使瀝青路面發(fā)生剝離、開裂等早期病害[7-8]。因此，采用鋼渣作為瀝青混合料的組成材料時(shí)有必要考慮鋼渣的密度、孔特征與普通集料的差異及其對混合料設(shè)計(jì)及性能的影響[9-10]。本文通過瀝青浸漬試驗(yàn)分析鋼渣吸收瀝青隨時(shí)間的變化規(guī)律，研究鋼渣瀝青混合料早期路用性能的時(shí)變規(guī)律，從而合理地確定鋼渣瀝青混合料的最佳瀝青用量，并對考慮時(shí)間因素的早期路用性能評價(jià)提供參考依據(jù)。

1 原材料

1.1 鋼渣

1.1.1 化學(xué)性質(zhì)

本試驗(yàn)采用武漢鋼鐵集團(tuán)存放近一年的轉(zhuǎn)爐鋼渣，其化學(xué)成分如表1所示。除了f-CaO，鋼渣的其他成分均比較穩(wěn)定。f-CaO結(jié)構(gòu)致密、晶粒大、晶格緊密，與水反應(yīng)的速度極慢，但吸水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，其體積膨脹近一倍，是影響鋼渣瀝青混合料路用性能的重要因素。武鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣的f-CaO含量為1.82%，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求（≤3%）。

1.1.2 技術(shù)性質(zhì)

鋼渣作為筑路集料還必須具備與普通石灰?guī)r、玄武巖碎石相當(dāng)?shù)奈锢?、力學(xué)性能，其檢測結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，鋼渣的表觀相對密度、10 d浸水膨脹率、粘附性、磨耗值、壓碎值等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的相關(guān)要求。

1.2 瀝青

瀝青為東海70#基質(zhì)瀝青，其相對密度為1.033 g/cm3、針入度為6.32 mm、軟化點(diǎn)為47.6 ℃、60 ℃動力黏度為218 [HTSS]Pa·s、15 ℃延度>100 cm以及其他各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的相關(guān)要求。

1.3 集料及填料

集料及填料分別為興業(yè)縣葵陽鎮(zhèn)的石灰?guī)r碎石、石灰?guī)r磨細(xì)礦粉，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的相關(guān)要求（如表3、表4、表5所示）。

2 試驗(yàn)方法

2.1 瀝青浸漬試驗(yàn)

為研究鋼渣對瀝青的吸收特點(diǎn)及其隨時(shí)間變化的規(guī)律，本試驗(yàn)采用文獻(xiàn)[9]中提到的瀝青浸漬實(shí)驗(yàn)測定鋼渣與石灰?guī)r碎石的有效相對密度γbi，即集料吸收部分瀝青后的密度，并結(jié)合瀝青的相對密度γb和集料的毛體積相對密度γsb，按式（1）計(jì)算集料對瀝青的瞬時(shí)吸收量Pba。

2.2 混合料早期路用性能試驗(yàn)

采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法進(jìn)行鋼渣瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)，確定鋼渣摻量分別為0%、50%、100%，然后將成型好的試件在室溫下放置不同時(shí)間（1 d、3 d、5 d、10 d、20 d、30 d）后，再分別進(jìn)行車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)，以研究鋼渣瀝青混合料的早期路用性能隨時(shí)間變化的規(guī)律。試驗(yàn)具體步驟按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）的相關(guān)要求進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鋼渣對瀝青的吸收特征

在瀝青混合料成型及使用過程中，集料的開口孔隙會逐漸吸收部分瀝青而導(dǎo)致混合料性能的變化。因?yàn)殇撛哂卸嗫捉Y(jié)構(gòu)，所以鋼渣對瀝青的吸收不可忽略[11]。本文通過瀝青浸漬實(shí)驗(yàn)對比分析了鋼渣與普通石灰?guī)r對瀝青吸收性的差異以及鋼渣對瀝青的吸收量與時(shí)間的關(guān)系。

3.1.1 集料對瀝青瞬時(shí)吸收量對比

表6為鋼渣與石灰?guī)r碎石對瀝青的瞬時(shí)吸收量對比表。從表6可以看出，鋼渣的表觀相對密度和毛體積相對密度差值較大，達(dá)0.3～0.5，遠(yuǎn)大于石灰?guī)r集料的0.01～0.04，鋼渣對瀝青的瞬時(shí)吸收量約為石灰?guī)r碎石的10倍左右，這主要是因?yàn)殇撛哂卸嗫仔越Y(jié)構(gòu)，而石灰?guī)r碎石質(zhì)地致密，孔隙不發(fā)達(dá)。另外，可以看出，集料對瀝青的瞬時(shí)吸收量與其粒徑大小無明顯變化規(guī)律，這可能是集料的孔隙特征變異性較大和集料比表面積差異共同導(dǎo)致的結(jié)果。

3.1.2 鋼渣對瀝青的吸收量隨時(shí)間的變化規(guī)律

為研究鋼渣對瀝青的吸收量與時(shí)間的關(guān)系，采用瀝青浸漬試驗(yàn)測定鋼渣對瀝青的吸收量。與前文的不同之處在于改變鋼渣在瀝青中的浸漬時(shí)間，分別為1 d、2 d、3 d、5 d、10 d、20 d、30 d。鋼渣對瀝青的吸收量隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖1所示。

從圖1可以看出，瀝青進(jìn)入鋼渣孔隙的過程具有時(shí)間依賴性。在浸漬初期（1～5 d），鋼渣對瀝青的吸收量隨浸漬時(shí)間增加而急劇增加;在浸漬中期（5～10 d），鋼渣對瀝青的吸收速率稍微減緩;而在浸漬后期（10～30 d）鋼渣對瀝青的吸收率基本達(dá)到最大值，此時(shí)的吸收量幾乎為瞬時(shí)吸收量的2倍。這是因?yàn)樵诮n初期鋼渣具有較多的孔隙且孔隙較大，孔隙內(nèi)部空氣壓力較小，瀝青在自身流動性和毛細(xì)管力作用下較容易進(jìn)入鋼渣的孔隙結(jié)構(gòu)中。而隨著鋼渣孔隙被瀝青不斷填充，其孔隙變小，空氣壓力變大，瀝青進(jìn)入孔隙的速率逐漸減小至零，此時(shí)瀝青的流動壓力、毛細(xì)管力與孔隙的空氣壓力達(dá)到平衡，鋼渣對瀝青的吸收量也達(dá)到飽和狀態(tài)。

3.2 配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

馬歇爾設(shè)計(jì)方法中集料的比例是按體積比計(jì)算的，但在實(shí)際中為了方便，一般按集料的重量比配料，其前提是各檔集料的比重相當(dāng)。鋼渣、石灰?guī)r碎石的表觀相對密度相差高達(dá)20%以上，因此采用鋼渣代替部分或全部石灰?guī)r碎石時(shí)必須考慮兩者體積的差異性[12]。本試驗(yàn)以拌制AC-13型瀝青混合料為例，將鋼渣和石灰?guī)r碎石篩分分檔，以最接近公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D50-2006）中AC-13的級配中值作為試驗(yàn)級配。根據(jù)等體積原則分別以0、50%、100%的鋼渣取代2.36 mm以上的石灰?guī)r集料，2.36 mm以下集料全部采用石灰?guī)r集料，合成級配見表7。最后通過馬歇爾試驗(yàn)確定鋼渣摻量為0%、50%、100%三種瀝青混合料的最佳瀝青用量分別為4.56%、5.31%、5.74%?？梢钥闯?，鋼渣摻量越大，最佳瀝青用量越高。

3.3 鋼渣瀝青混合料路用性能的時(shí)變規(guī)律

在鋼渣瀝青混合料路面鋪筑初期，鋼渣會不斷吸收瀝青，使混合料中結(jié)構(gòu)瀝青含量以及瀝青膜厚度發(fā)生變化，同時(shí)可能使瀝青與鋼渣之間的界面粘結(jié)狀態(tài)發(fā)生變化。在考慮鋼渣吸收瀝青的時(shí)間依賴性的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了鋼渣瀝青混合料路用性能隨時(shí)間變化的規(guī)律。

3.3.1 高溫穩(wěn)定性的時(shí)變規(guī)律

從圖2可以看出，用鋼渣代替部分或全部石灰?guī)r集料后，瀝青混合料的動穩(wěn)定度有所提高，且替代率越大，提高幅度越大，當(dāng)替代率為100%時(shí)，其動穩(wěn)定度約為0替代率時(shí)的兩倍。這說明使用鋼渣替代石灰?guī)r集料可以提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和抗永久變形能力。隨著車轍試件放置時(shí)間的增加，鋼渣瀝青混合料的動穩(wěn)定度增加并約在10 d后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這與鋼渣對瀝青的試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。放置10 d后50%和100%鋼渣替代率的瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別比初始值提高21.1%、21.3%。而普通石灰?guī)r瀝青混合料（即0鋼渣的瀝青混合料）的動穩(wěn)定度幾乎不變，始終保持穩(wěn)定。這主要是因?yàn)椋?/p>

（1）與石灰?guī)r碎石相比，鋼渣的棱角性更好，經(jīng)壓實(shí)成型后骨料之間的相互嵌擠作用更強(qiáng)，內(nèi)摩擦角更大，鋼渣瀝青混合料抗變形能力更好;

（2）與石灰?guī)r相比，鋼渣的表面紋理更加豐富，較多的孔隙結(jié)構(gòu)使得鋼渣與瀝青之間的粘結(jié)界面更大、更強(qiáng);

（3）隨著時(shí)間延長，瀝青或?yàn)r青膠漿不斷被吸收進(jìn)入鋼渣的開口孔隙中，不僅提高了混合料中結(jié)構(gòu)瀝青的比例，且使鋼渣處于被瀝青膠漿貫穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，鋼渣和瀝青膠漿能更好地融為一體，使鋼渣與瀝青膠漿的整體性增強(qiáng)。

3.3.2 低溫抗裂性的時(shí)變規(guī)律

圖3為鋼渣瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果隨試件放置時(shí)間變化的曲線圖。

從圖3可以看出：（1）隨著放置時(shí)間增加，鋼渣瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變呈減小趨勢，勁度模量逐漸增大，且三者均在10 d后趨于穩(wěn)定，而普通石灰?guī)r瀝青混合料的結(jié)果則比較穩(wěn)定，與放置時(shí)間相關(guān)性不大;（2）在放置時(shí)間<5 d時(shí)，鋼渣摻量越大，其抗彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變越大，勁度模量越小。

抗彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變分別反映了瀝青混合料抵抗彎拉應(yīng)力而不被破壞以及發(fā)生形變的能力，勁度模量為抗彎拉強(qiáng)度與彎拉應(yīng)變的比值。一般認(rèn)為抗彎拉強(qiáng)度越高，彎拉應(yīng)變越大，勁度模量越小，材料的低溫抗裂性越好。新成型的鋼渣瀝青混合料比普通瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性能，但隨著時(shí)間增加，其低溫抗裂性能急劇下降，并在成型后10 d左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。放置10 d后50%和100%鋼渣替代率的瀝青混合料的低溫彎拉應(yīng)變值分別比初始值減小36.9%、38.7%。這是因?yàn)殇撛哂卸嗫仔?，瀝青或?yàn)r青膠漿會在毛細(xì)管作用下不斷進(jìn)入鋼渣的孔隙結(jié)構(gòu)中。在成型初期，鋼渣對瀝青的吸收有利于提高結(jié)構(gòu)瀝青的比例，增強(qiáng)鋼渣與瀝青之間的相互作用，從而改善混合料的低溫抗裂性能;但隨著鋼渣對瀝青的吸收量增大，瀝青膜厚度大幅度減小，無法滿足最低要求，使鋼渣瀝青混合料的低溫抗彎拉強(qiáng)度和抗變形能力下降[13]。

3.3.3 水穩(wěn)定性的時(shí)變規(guī)律

下頁圖4為鋼渣瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果隨試件放置時(shí)間變化的曲線圖。

從圖4可以看出，鋼渣瀝青混合料凍融前后的劈裂強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度比與鋼渣摻量及試件放置時(shí)間有關(guān)，且鋼渣摻量越大，試件放置時(shí)間的影響越大。當(dāng)鋼渣摻量為0時(shí)，即普通石灰?guī)r混合料，其劈裂強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度比幾乎不隨時(shí)間變化;而當(dāng)鋼渣摻量為50%、100%時(shí)，鋼渣瀝青混合料劈裂強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度比與試件放置時(shí)間緊密相關(guān)。在試件成型初期（放置[JP+1]時(shí)間<5 d），3種混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比相當(dāng)，但鋼渣瀝青混合料凍融前后的劈裂強(qiáng)度均高于普通瀝青混合料，且隨時(shí)間增加而增加;5 d后，凍融前后的劈裂強(qiáng)度以及凍融劈裂強(qiáng)度比均急劇下降，直到10 d后才逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)，50%和100%鋼渣替代率的瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）分別比初始值減小10.4%、13.6%。這主要是因?yàn)椋海?）對于新成型的試件，由于鋼渣的強(qiáng)堿性以及豐富的表面紋理，與瀝青具有更強(qiáng)的粘結(jié)力，水分難以進(jìn)入鋼渣與瀝青的界面，從而使鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性能優(yōu)于普通石灰?guī)r瀝青混合料;（2）在試件成型初期，鋼渣吸收瀝青，使結(jié)構(gòu)瀝青比例增加，有利于提高鋼渣與瀝青的粘結(jié)強(qiáng)度，從而改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性;（3）5 d后，隨著鋼渣對瀝青的不斷吸收，集料表面的瀝青膜厚度快速減小，無法滿足最低要求，同時(shí)集料表面瀝青的遷移作用也會破壞集料與瀝青之間的界面穩(wěn)定性以及兩者的粘結(jié)強(qiáng)度，使水分更容易進(jìn)入界面，從而導(dǎo)致混合料抗水損害性能下降[14]。另外，凍融劈裂試件表面出現(xiàn)了白色的結(jié)晶顆粒，可能為Ca（OH）2或CaCO3，且放置時(shí)間越長，結(jié)晶顆粒越多，表明鋼渣中的f-CaO對瀝青混合料的水穩(wěn)定性存在一定影響。

4 結(jié)語

（1）鋼渣具有多孔結(jié)構(gòu)，鋼渣對瀝青的瞬時(shí)吸收量約為石灰?guī)r的10倍，且鋼渣對瀝青的吸收量隨浸漬時(shí)間增加，約10 d后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。另外，集料粒徑與瀝青吸收量無顯著關(guān)系。

（2）鋼渣摻量越高，鋼渣瀝青混合料的最佳瀝青用量越大，新成型試件的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性越好。但隨著時(shí)間增加，鋼渣不斷吸收瀝青，鋼渣瀝青混合料的結(jié)構(gòu)瀝青比例增加、瀝青膜厚度減小，瀝青與鋼渣集料之間的界面粘結(jié)狀態(tài)也發(fā)生變化，鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有所改善，然而低溫抗裂性和水穩(wěn)定性發(fā)生衰退，且鋼渣摻量越高，混合料性能變化幅度和速率越大。

（3）鋼渣瀝青混合料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用必須考慮鋼渣對瀝青吸收性的影響，傳統(tǒng)馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定的最佳瀝青用量無法滿足鋼渣瀝青混合料后期路用性能的要求。建議采用馬歇爾方法設(shè)計(jì)的鋼渣瀝青混合料應(yīng)進(jìn)行放置10 d后的性能驗(yàn)證。如果不具備條件，可對動穩(wěn)定度、低溫彎拉應(yīng)變和凍融劈裂強(qiáng)度比進(jìn)行修正，修正系數(shù)分別為1.2、0.65、0.9。

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