鋼渣瀝青混合料水穩(wěn)定性研究

張彩利，王 超，李 松，丁維哲，唐秀明

(1.河北工業(yè)大學土木與交通學院，天津 300401；2.唐山市交通運輸局，唐山 063000)

0 引 言

隨著我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，鋼渣年產量呈遞增趨勢，每年有大量的鋼渣被掩埋或者堆積于農田之中，占用大片土地的同時也會造成嚴重的環(huán)境污染。如果能將鋼渣大量應用到公路建設中，不僅解決公路建設中急需材料的短缺問題，而且可以減少鋼渣對土地的占用和污染，這對于促進我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的順利實施具有重要的技術與經濟意義[1-3]。

為更好地將鋼渣應用于瀝青混合料中，學者們圍繞鋼渣瀝青混合料進行了大量研究。Chen等[4]將鋼纖維應用到鋼渣瀝青混合料中，研究發(fā)現當鋼渣質量分數為30%、鋼纖維質量分數為2%時，鋼纖維鋼渣瀝青混合料具有優(yōu)秀的高溫性能和水穩(wěn)定性。Arabani等[5]研究了RAP(Reclaimed Asphalt Pavement，再生瀝青混合料)鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫性能和水穩(wěn)定性，研究結果表明粗鋼渣集料搭配細RAP的綜合路用性能最好；Kavussi等[6]對鋼渣棱角性、嵌擠能力、黏附性和鋼渣瀝青混合料的疲勞性能進行研究，研究結果表明鋼渣良好的棱角性和嵌擠能力可以有效防止疲勞裂縫的擴展。國內道路工作者圍繞鋼渣瀝青混合料疲勞性能、抗滑性能、高溫性能、低溫性能等方面也進行了大量研究[7-9]，但有關浸水時間對不同類型鋼渣瀝青混合料路用性能影響方面的研究卻少有報道。本文基于不同類型鋼渣集料制備鋼渣瀝青混合料，對水作用下鋼渣瀝青混合料路用性能變化規(guī)律進行研究。

1 實 驗

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

瀝青為京博70號A級道路石油基質瀝青，其各項性能指標如表1所示。

表1 瀝青性能指標Table 1 Asphalt performance indicators

1.1.2 鋼渣和石灰?guī)r

選用熱悶鋼渣、冷棄陳放三個月鋼渣(簡稱冷棄陳渣)、石灰?guī)r3種集料進行對比試驗，將三種集料分成0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm三種規(guī)格，集料編號分別為：1#熱悶鋼渣10～15 mm、2#熱悶鋼渣5～10 mm、3#熱悶鋼渣0～5 mm、4#冷棄陳渣10～15 mm、5#冷棄陳渣5～10 mm、6#冷棄陳渣0～5 mm、7#石灰?guī)r10～15 mm、8#石灰?guī)r5～10 mm、9#石灰?guī)r0～5 mm，對9種集料物理力學指標性能進行檢測，檢測結果如表2所示。

表2 集料主要物理指標Table 2 Main physical indicators of aggregates

從表2可以看出，不同類型鋼渣集料密度均大于石灰?guī)r集料，原因在于鋼渣集料含鐵量較大。從吸水率指標可以看出，不同類型鋼渣集料吸水率均大于石灰?guī)r集料，且大于2%，這反映出鋼渣集料表面多孔特性，且不同類型鋼渣集料吸水率隨著粒徑減小而增大，原因在于越來越多的閉口孔隙變成開口孔隙，使得鋼渣吸水率增大。

1.1.3 鋼渣瀝青混合料級配

根據《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)中的AC-13級配范圍，確定試驗所用級配如表3所示。

表3 級配篩孔質量通過百分率Table 3 Mass passing percentage of graded sieve

1.2 試驗方案

1.2.1 性能試驗方法

針對熱悶鋼渣瀝青混合料(粗細集料均為熱悶鋼渣)、冷棄陳渣瀝青混合料(粗細集料均為冷棄陳放三個月鋼渣)、石灰?guī)r瀝青混合料(粗細集料均為石灰?guī)r)和鋼渣石灰?guī)r瀝青混合料(粗集料為冷棄陳放三個月鋼渣、細集料為石灰?guī)r)，選用70號基質瀝青和表3中級配，采用馬歇爾設計方法確定出四種瀝青混合料的最佳油石比分別為：熱悶鋼渣瀝青混合料和冷棄陳渣瀝青混合料最佳油石比為5.2%(質量分數，下同)、石灰?guī)r瀝青混合料最佳油石比為4.9%、鋼渣石灰?guī)r瀝青混合料最佳油石比為5.1%，按各瀝青混合料最佳油石比成型馬歇爾試件和車轍試件，并進行不同浸水時間的鋼渣瀝青混合料體積穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能及疲勞性能試驗。

圖1 原子力顯微鏡檢測樣品Fig.1 Sample detected by AFM

1.2.2 微觀檢測方法

原子力顯微鏡檢測一般要求固體試樣長×寬在2 cm×2 cm以內，高度不得大于5 mm，且試件表面平整光滑[10]。本文用切割機將鋼渣瀝青混合料馬歇爾試件切成薄片，并用三氯乙烯溶解得到可供原子力顯微鏡(AFM)掃描的樣品，如圖1所示。

2 結果與討論

2.1 鋼渣瀝青混合料體積穩(wěn)定性

鋼渣集料中含有游離氧化鈣、游離氧化鎂，這兩種物質具有結構致密、水化速率較為緩慢、遇水后體積膨脹的特點，如果鋼渣中這兩種物質含量過高，將會引起鋼渣瀝青混合料體積穩(wěn)定性能的降低[11]，為此需要對鋼渣瀝青混合料膨脹量進行檢驗，使用試件為馬歇爾試件，試驗結果如表4所示。

表4 不同瀝青混合料膨脹量試驗Table 4 Expansion test results of different asphalt mixtures

從表4可以看出，熱悶鋼渣瀝青混合料和石灰?guī)r瀝青混合料膨脹量均滿足小于1.5%的技術要求。但冷棄陳渣瀝青混合料膨脹量大于1.5%，已不滿足規(guī)范要求；用石灰?guī)r細集料替代冷棄陳渣細集料后，鋼渣石灰?guī)r瀝青混合料膨脹量為1.2%，較冷棄陳渣瀝青混合料降低36%，且小于1.5%，這說明冷棄陳渣細集料活性較大，嚴重影響著鋼渣瀝青混合料的體積穩(wěn)定性，用石灰?guī)r細集料代替冷棄陳渣細集料可以減少鋼渣瀝青混合料的膨脹性。

2.2 鋼渣瀝青混合料水穩(wěn)定性

為研究浸水時間對鋼渣瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，分別對鋼渣瀝青混合料進行殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗[12-13]。

2.2.1 殘留穩(wěn)定度試驗

圖2 瀝青混合料殘留穩(wěn)定度與浸水時間關系Fig.2 Relationship between residual stability of asphalt mixture and soaking time

將石灰?guī)r、熱悶鋼渣、冷棄陳渣、鋼渣石灰?guī)r所拌和的瀝青混合料分別用室溫水浸泡0 d(其中室溫水浸泡0 d是指不進行室溫水浸泡，而直接進行殘留穩(wěn)定度試驗)、30 d、60 d、90 d、120 d后對其進行殘留穩(wěn)定度試驗，可以得到不同瀝青混合料在不同浸水時間下的殘留穩(wěn)定度，整理數據如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著浸水時間增長，石灰?guī)r瀝青混合料殘留穩(wěn)定度不斷下降，而冷棄陳渣瀝青混合料、熱悶鋼渣瀝青混合料和鋼渣石灰?guī)r混合料殘留穩(wěn)定度均不斷增長。當室溫水浸泡120 d時，石灰?guī)r瀝青混合料殘留穩(wěn)定度僅為48%，但冷棄陳渣瀝青混合料、熱悶鋼渣瀝青混合料和鋼渣石灰?guī)r混合料殘留穩(wěn)定度分別為147%、126%、120%，分別是石灰?guī)r瀝青混合料殘留穩(wěn)定度的3.06倍、2.62倍和2.5倍。

對室溫水浸泡0 d和120 d瀝青混合料中的鋼渣集料進行原子力顯微鏡掃描，結果如圖3、圖4及表5所示，從表5可以看出，室溫水浸泡0 d和室溫水浸泡120 d鋼渣集料表面積與掃描面積之比分別為1.29和2.90，即在相同掃描面積下，室溫水浸泡120 d鋼渣集料表面積是室溫水浸泡0 d鋼渣集料的2.2倍，這說明隨著浸水時間的延長，鋼渣集料表面粗糙度增大，這使得瀝青與鋼渣集料接觸面積增加，進而增強瀝青與鋼渣集料之間的黏附性，最終提高鋼渣瀝青混合料的抗水損害能力。

圖3 室溫水浸泡0 d鋼渣掃描3D微觀圖Fig.3 Scanning 3D micrograph of steel slag soaked in room temperature water for 0 d

圖4 室溫水浸泡120 d鋼渣掃描3D微觀圖Fig.4 Scanning 3D micrograph of steel slag soaked in room temperature water for 120 d

圖5 浸水時間對TSR的影響Fig.5 Effect of soaking time on TSR

表5 不同浸水時間下鋼渣表面積Table 5 Surface area of steel slag under different soaking time

2.2.2 凍融劈裂試驗

將石灰?guī)r、熱悶鋼渣、冷棄陳渣、鋼渣石灰?guī)r所拌和的瀝青混合料用室溫水浸泡0 d、30 d、60 d、90 d、120 d后進行凍融劈裂試驗，得到不同浸水時間下，不同瀝青混合料的凍融劈裂強度比(TSR)，具體結果如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著浸水時間增加，不同類型瀝青混合料的凍融劈裂強度比逐漸減少，且在不同浸水時間下，鋼渣石灰?guī)r瀝青混合料和熱悶鋼渣瀝青混合料的TSR均比石灰?guī)r瀝青混合料大。當浸水時間小于30 d時，冷棄陳渣瀝青混合料和鋼渣石灰?guī)r瀝青混合料的TSR較為接近，但當浸水時間大于30 d時，冷棄陳渣瀝青混合料的TSR迅速減小，即抗凍融循環(huán)的水穩(wěn)定性能迅速衰減，而鋼渣石灰?guī)r瀝青混合料TSR的變化則相對平緩；在室溫水浸泡120 d時，鋼渣石灰?guī)r瀝青混合料的TSR為71%，為冷棄陳渣瀝青混合料的1.25倍，這說明用石灰?guī)r細集料替換冷棄陳渣細集料有助于提高冷棄陳渣瀝青混合料凍融循環(huán)水穩(wěn)定性。

室溫水浸泡120 d的冷棄陳渣瀝青混合料馬歇爾試件破壞情況如圖6所示，由圖6(b)可見，馬歇爾穩(wěn)定度儀中，室溫水浸泡120 d的冷棄陳渣瀝青混合料雖然馬歇爾穩(wěn)定度較高，但其表面出現較大裂紋，這主要是由于冷棄陳渣膨脹量大、體積不穩(wěn)定所造成[14-15]。

圖6 室溫水浸泡120 d的冷棄陳渣瀝青混合料馬歇爾試件破壞圖Fig.6 Failure diagram of Marshall specimen of cold abandoned steel slag asphalt mixture soaked in room temperature water for 120 d

2.3 鋼渣瀝青混合料低溫性能

采用低溫彎曲破壞試驗評價鋼渣瀝青混合料的低溫性能，試驗設備為UTM萬能試驗機，試驗溫度為(-10±0.5) ℃，加載速率為50 mm/min。試驗所用試件是由輪碾法成型的車轍板切割為長(250±2.0) mm、寬(30±2) mm、高(35±2) mm棱柱體小梁，其跨徑為(200±0.5) mm。數據采集由UTM萬能試驗機自帶系統(tǒng)完成，將荷載-跨中撓度曲線呈現并保存在計算機上。將石灰?guī)r、熱悶鋼渣、冷棄陳渣、鋼渣石灰?guī)r所拌和的瀝青混合料用室溫水浸泡0 d、120 d后對其破壞時最大彎拉應變和抗彎拉強度進行研究，其中破壞時抗彎拉強度比定義為室溫水浸泡120 d瀝青混合料與室溫水浸泡0 d瀝青混合料破壞時抗彎拉強度的比值，抗彎拉應變比定義為室溫水浸泡120 d瀝青混合料與室溫水浸泡0 d瀝青混合料破壞時最大彎拉應變的比值，試驗結果如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可以看出，隨著浸水時間增大，各類型瀝青混合料的抗彎拉強度比與抗彎拉應變比均降低，低溫性能下降。冷棄陳渣瀝青混合料破壞時抗彎拉強度比與抗彎拉應變比最小，鋼渣石灰?guī)r瀝青混合料破壞時抗彎拉強度比最大，抗彎拉應變比較大(僅次于熱悶鋼渣)。這說明水分對冷棄陳渣瀝青混合料的低溫性能影響較大，浸水后強度和變形性能均大幅度衰減，其主要原因是冷棄陳渣膨脹量大，使瀝青混合料內部產生較多微裂縫，從而大大降低破壞時的抗彎拉強度比與抗彎拉應變比。用低膨脹量石灰?guī)r細集料替換高膨脹量冷棄陳渣細集料，冷棄陳渣瀝青混合料破壞時抗彎拉強度比與抗彎拉應變比均有所改善，其中鋼渣石灰?guī)r瀝青混合料破壞時抗彎拉強度比和抗彎拉應變比分別是冷棄陳渣瀝青混合料的1.08倍和1.59倍，這得益于膨脹性物質的減少，因此用石灰?guī)r細集料替代冷棄陳渣細集料可以改善冷棄陳渣瀝青混合料的抗低溫開裂能力。

圖7 瀝青混合料破壞時的抗彎拉強度比Fig.7 Flexural tensile strength ratio of asphalt mixture under damaged

圖8 瀝青混合料破壞時的抗彎拉應變比Fig.8 Flexural tensile strain ratio of asphalt mixture under damaged

2.4 鋼渣瀝青混合料疲勞性能

圖9 浸水時間對瀝青混合料疲勞壽命影響Fig.9 Effect of soaking time on fatigue life of asphalt mixture

采用間接拉伸試驗對鋼渣瀝青混合料疲勞性能進行研究。試驗儀器選用UTM萬能試驗機，預應力為50 N，加載頻率為10 Hz，加載波形為正弦波，試驗溫度為15 ℃。為評價瀝青混合料疲勞性能，將瀝青混合料分別成型馬歇爾試件，其中一部分置于室溫空氣中保存，一部分放入室溫水中浸泡0 d、40 d、80 d和120 d后，按應力比0.5進行疲勞試驗，可得到不同浸水情況下，不同瀝青混合料的疲勞壽命，試驗結果如圖9所示。

由圖9可以看出，在應力比0.5下，四種瀝青混合料的疲勞壽命均隨著浸水時間增加而減小，即水對瀝青混合料疲勞壽命有著顯著的影響，這主要是由于瀝青混合料長時間受水侵蝕，瀝青逐漸老化而性能下降，直接影響瀝青混合料的疲勞壽命。不同浸水時間下，熱悶鋼渣瀝青混合料、鋼渣石灰?guī)r瀝青混合料疲勞壽命均略大于石灰?guī)r瀝青混合料的疲勞壽命，原因在于膨脹性合格的鋼渣與瀝青之間的黏附性較好，水的作用下瀝青不容易從鋼渣集料表面剝落，從而提高鋼渣瀝青混合料的疲勞壽命。隨著浸水時間增加，冷棄陳渣瀝青混合料疲勞壽命迅速下降，原因在于冷棄陳渣膨脹量大，在長期浸水情況下，冷棄陳渣瀝青混合料產生初始裂紋，使得瀝青混合料疲勞壽命迅速衰減[16]。由圖9同樣可以看出，用低膨脹量石灰?guī)r細集料替代高膨脹量冷棄陳渣細集料后，不同浸水時間下鋼渣石灰?guī)r瀝青混合料的疲勞壽命均大于冷棄陳渣瀝青混合料，這說明通過使用石灰?guī)r細集料來減少冷棄陳渣混合料膨脹量，將有助于提高冷棄陳渣瀝青混合料的疲勞壽命。

2.5 鋼渣瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

圖10 浸水時間對高溫性能影響Fig.10 Effect of soaking time on high temperature performance

將車轍試件用室溫水浸泡0 d、40 d、80 d、120 d后進行動穩(wěn)定度試驗，可得到不同瀝青混合料不同浸水條件下的動穩(wěn)定度指標，試驗結果如圖10所示。

由圖10可以看出，石灰?guī)r瀝青混合料動穩(wěn)定度隨著浸水時間的延長而減小，且當浸水時間小于80 d時，動穩(wěn)定度衰減速度較快，而浸水時間大于80 d時，動穩(wěn)定度衰減速度放緩；隨著浸水時間的增加，熱悶鋼渣瀝青混合料動穩(wěn)定度不斷變大，且當浸水時間小于80 d時，動穩(wěn)定度增長速度較快，而浸水時間大于80 d時，動穩(wěn)定度增長速度放緩。這主要是由于當水分浸入瀝青混合料時，水與鋼渣集料中活性物質發(fā)生水化反應，生成具有結晶結構的物質，使得鋼渣集料表面積增大，如原子力顯微鏡掃描圖圖3和圖4所示，這就相當于對鋼渣集料表面進行“鑿毛”，這種錨固作用不僅可以提高鋼渣與瀝青的黏附性，增強混合料的黏聚力，而且還可以增大鋼渣集料之間的摩擦力，增強瀝青混合料的內摩阻力；膨脹量從大到小的瀝青混合料分別是冷棄陳渣瀝青混料、鋼渣石灰?guī)r瀝青混合料、熱悶鋼渣瀝青混合料、石灰?guī)r瀝青混合料，與40 d、80 d和120 d各瀝青混合料動穩(wěn)定度大小順序相同，這說明膨脹量與動穩(wěn)定度有密切關系，膨脹量越大的瀝青混合料動穩(wěn)定度越高，原因在于膨脹量越大的鋼渣，其含有游離氧化鈣等膨脹性物質及其生成的結晶物質就越多，鋼渣水化后表面就越粗糙，進而鋼渣與瀝青之間內摩阻力就越大。

3 結 論

(1)冷棄陳渣瀝青混合料膨脹量大且不合格，用石灰?guī)r細集料替代冷棄陳渣細集料可以減少瀝青混合料膨脹性。隨著浸水時間增長，石灰?guī)r瀝青混合料殘留穩(wěn)定度不斷下降，而冷棄陳渣瀝青混合料、熱悶鋼渣瀝青混合料和鋼渣石灰?guī)r瀝青混合料殘留穩(wěn)定度不斷增長，膨脹量較大的冷棄陳渣瀝青混合料抗凍融循環(huán)性能較差，用石灰?guī)r細集料替換冷棄陳渣細集料可以提高該性能。

(2)隨著浸水時間增長，各類型瀝青混合料的低溫性能均下降，說明水分對鋼渣瀝青混合料低溫性能有較大影響，其中水分對冷棄陳渣瀝青混合料的低溫性能影響最大，用石灰?guī)r細集料替代冷棄陳渣細集料有助于提高瀝青混合料的低溫性能。

(3)隨著浸水時間增加，冷棄陳渣瀝青混合料疲勞壽命迅速下降，在長期浸水情況下，冷棄陳渣瀝青混合料產生初始裂紋，而使得瀝青混合料疲勞壽命迅速衰減，用石灰?guī)r細集料替代冷棄陳渣細集料有助于提高瀝青混合料的疲勞壽命。

(4)水的存在對石灰?guī)r瀝青混合料高溫性能不利，但有利于鋼渣瀝青混合料高溫性能，由鋼渣的原子力顯微鏡掃描圖可知，鋼渣生成的結晶物質使得鋼渣表面積增大，鋼渣表面粗糙度增加，這有利于提高瀝青混合料的內磨阻力和黏聚力，進而提高鋼渣瀝青混合料的動穩(wěn)定度。