鋼渣摻量對(duì)聚合物改性瀝青混凝土路用性能的影響研究

范萌萌 呂政凡 歐陽(yáng)旻奇

摘要：為了提高鋼渣的綜合利用率，文章以廣西防城港鋼渣為研究對(duì)象，將其作為粗集料應(yīng)用于AC-13瀝青混合料中，重點(diǎn)研究不同鋼渣摻量下瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能和抗水穩(wěn)定性能。結(jié)果表明：在高溫穩(wěn)定性能方面，隨著鋼渣摻量的增大，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度值先增大后減小，在鋼渣摻量為50%時(shí)最佳，動(dòng)穩(wěn)定度值可高達(dá)15 421次/mm；在水穩(wěn)定性能方面，摻入鋼渣導(dǎo)致瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度值不同程度下降，但在鋼渣摻量為50%時(shí)，混合料的殘留穩(wěn)定度值僅下降1.3%；瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度比隨著鋼渣摻量的增大逐漸提高，最大可提高6.81%。綜合分析不同鋼渣摻量瀝青混合料的路用性能試驗(yàn)結(jié)果，建議AC-13C瀝青混合料中鋼渣摻量為50%。

關(guān)鍵詞：鋼渣摻量；瀝青混合料；高溫穩(wěn)定性；水穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：U416.03A010014

0引言

鋼渣是在冶煉鋼鐵過(guò)程中產(chǎn)生的一種含有金屬原礦雜質(zhì)、助熔劑和爐襯的工業(yè)固體廢棄物。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布數(shù)據(jù)顯示，2021年我國(guó)鋼渣產(chǎn)量達(dá)到1.64億t，并且鋼渣產(chǎn)量隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)的持續(xù)發(fā)展呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)。大量堆存的鋼渣不僅用地面積大，也引發(fā)了不少環(huán)境污染問(wèn)題［1］，加之目前我國(guó)鋼渣綜合利用率僅有22%［2］，對(duì)此，學(xué)者們對(duì)鋼渣的高效資源化利用問(wèn)題進(jìn)行了廣泛討論。

鋼渣具有一定的堿性［3］，用于瀝青混合料中能夠增加瀝青與集料粘附性，提升道路石油瀝青的耐久性，并且鋼渣質(zhì)地堅(jiān)硬，耐磨性好，硬度和力學(xué)強(qiáng)度高，是一種潛在的集料資源，用于替換瀝青混合料中的巖石集料也有助于提高抗車轍能力［4］。因此，鋼渣在公路工程瀝青混合料領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究。陳偉等［5］采用鋼渣替換石灰?guī)r集料制備了不同鋼渣摻量的SMA-13瀝青混合料，并對(duì)其路用性能進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：摻入鋼渣能夠顯著改善混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，而低溫抗裂性和體積安定性卻有所下降，但仍然能夠滿足規(guī)范要求，最優(yōu)鋼渣摻量為75%。李偉等［6］用鋼渣代替碎石制備了AC-13、AC-16和AC-20三種級(jí)配的鋼渣瀝青混凝土，同樣證實(shí)鋼渣能夠改性瀝青混合料性能，但應(yīng)確保大粒徑骨料和瀝青用量在合適范圍內(nèi)。魏巍等［7］對(duì)摻鋼渣的瀝青混凝土路面進(jìn)行了長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，研究發(fā)現(xiàn)得益于鋼渣優(yōu)良的物理力學(xué)特性，摻鋼渣的瀝青路面在抗滑性能衰減上比傳統(tǒng)的巖石集料瀝青路面更慢。Masoudi等［8］向溫拌瀝青混合料加入鋼渣，發(fā)現(xiàn)鋼渣能夠改善瀝青混合料的短期老化和長(zhǎng)期老化性能，并且與使用石灰石集料的瀝青混合料相比，其彈性模量和抗拉伸性能也更好。Bocci等［9］則將鋼渣作為熱拌瀝青的集料，與常規(guī)石料的瀝青混凝土進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，鋼渣瀝青混合料在剛度、間接拉伸強(qiáng)度和抗車轍性能方面具有更出色的性能。綜上所述，將鋼渣作為瀝青混合料集料能夠改善其在穩(wěn)定性、抗滑性和抗車轍等多方面的性能。

廣西防城港鋼鐵基地年產(chǎn)鋼渣1 000萬(wàn)t，利用率＜20%。為實(shí)現(xiàn)鋼渣在廣西地區(qū)的資源化利用，本文以防城港鋼渣為研究對(duì)象，對(duì)摻鋼渣的AC-13瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，并研究不同鋼渣摻量對(duì)其高溫穩(wěn)定性和抗水穩(wěn)定性等指標(biāo)的影響，研究成果可為鋼渣在廣西地區(qū)新建高速公路中的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1原材料性能

1.1瀝青

本次試驗(yàn)采用產(chǎn)自廈門(mén)華特集團(tuán)有限公司的I-D級(jí)SBS改性瀝青，對(duì)該瀝青的常規(guī)性能進(jìn)行了測(cè)試，得到其各項(xiàng)性能指標(biāo)如下頁(yè)表1所示。

1.2鋼渣和輝綠巖粗集料

1.2.1鋼渣和輝綠巖物理特性

本次試驗(yàn)用鋼渣粗集料為廣西源盛礦渣綜合利用有限公司產(chǎn)的活化鋼渣，輝綠巖粗集料為廣西地區(qū)輝綠巖碎石，兩者粒徑范圍均為5～10 mm和10～15 mm。依據(jù)《瀝青混合料用鋼渣》（JT/T 1086-2016）和《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005），采用不同試驗(yàn)方法對(duì)本次試驗(yàn)用鋼渣和輝綠巖碎石的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

1.2.2鋼渣礦物成分

采用X射線衍射試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)用鋼渣的礦物組成進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，鋼渣中主要的礦物成分為氫氧化鈣［Ca（OH）2］、碳酸鈣（CaCO3）、硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、RO相以及鐵酸二鈣（C2F）等。

1.2.3鋼渣化學(xué)成分

通過(guò)X射線熒光光譜對(duì)試驗(yàn)用鋼渣的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知，鋼渣中主要的化學(xué)成分為CaO、Fe2O3和SiO2。采用文獻(xiàn)［10］中鋼渣的堿度值計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，得到本次試驗(yàn)用鋼渣的堿度值為2.16，屬于中堿度鋼渣（堿度值1.8～2.5）。而采用具有堿性的鋼渣作為集料，使鋼渣與瀝青分子中的酸性基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，可增強(qiáng)鋼渣集料與瀝青間的粘結(jié)力，形成良好的粘結(jié)作用。

1.3細(xì)集料和礦粉

由于鋼渣的體積安定性問(wèn)題，若采用鋼渣作為瀝青混合料的細(xì)集料，可能導(dǎo)致混合料產(chǎn)生較大的體積變化?；诖耍狙芯坎捎?～3 mm機(jī)制砂作為細(xì)集料，填料為0～0.6 mm的石灰?guī)r礦粉。經(jīng)檢測(cè)，試驗(yàn)用細(xì)集料和礦粉的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足我國(guó)瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的技術(shù)要求。

2試驗(yàn)方法和配合比

2.1試驗(yàn)方法

2.1.1最佳油石比

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），采用馬歇爾擊實(shí)成型試件，并計(jì)算空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、穩(wěn)定度和流值等指標(biāo)后，確定最佳油石比。

2.1.2路用性能試驗(yàn)

路用性能包括高溫穩(wěn)定性能和水穩(wěn)定性能。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011），采用輪碾法成型車轍試件后進(jìn)行車轍試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)其高溫穩(wěn)定性能，并采用殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性能。

2.2配合比設(shè)計(jì)

2.2.1混合料級(jí)配

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），在AC-13級(jí)配范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)試，確定試驗(yàn)所用級(jí)配設(shè)計(jì)如表4所示。

2.2.2配合比

為了確定AC-13C瀝青混合料的最優(yōu)鋼渣用量，本次試驗(yàn)選用0、30%、50%和70%四組不同摻量的鋼渣按比例替換對(duì)應(yīng)的輝綠巖集料，制備摻鋼渣AC-13C瀝青混合料。

由于國(guó)內(nèi)配合比設(shè)計(jì)采用體積計(jì)算法，對(duì)于相對(duì)密度相差較大的集料會(huì)導(dǎo)致其實(shí)際級(jí)配與設(shè)計(jì)級(jí)配嚴(yán)重偏離。在本次試驗(yàn)中，鋼渣與輝綠巖的表觀密度之差＞0.2 g/cm3，故需要對(duì)鋼渣進(jìn)行等體積換算。本研究采用文獻(xiàn)［11］所述體積法將不同摻量鋼渣粗集料替換輝綠巖粗集料進(jìn)行馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)，制備鋼渣摻量為0、30%、50%和70%的瀝青混合料，并且確定最佳瀝青用量，詳細(xì)材料配合比如表5所示。

3結(jié)果與討論

3.1高溫穩(wěn)定性

通過(guò)車轍試驗(yàn)?zāi)軌颢@得不同鋼渣摻量下瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，進(jìn)而評(píng)價(jià)其高溫穩(wěn)定性能。本研究采用輪碾法成型車轍試件，車轍試件體積參數(shù)為：300 mm×300 mm×50 mm，所得試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)鋼渣摻量處于0～50%時(shí)，不同鋼渣摻量下的AC-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度值隨著鋼渣摻量的增加而增大，并在鋼渣摻量為50%時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度值由鋼渣摻量為0時(shí)的9 171次/mm增長(zhǎng)至鋼渣摻量為50%時(shí)的15 421次/mm，提升幅度高達(dá)68.15%。進(jìn)一步增加鋼渣摻量至70%時(shí)，AC-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度值下降至13 505次/mm，但其動(dòng)穩(wěn)定度值仍比未摻鋼渣和鋼渣摻量為30%時(shí)更優(yōu)。這可以從兩方面解釋：（1）鋼渣與瀝青之間的粘附機(jī)理不同于普通碎石集料與瀝青之間簡(jiǎn)單的物理粘附，鋼渣具有一定的堿性，其顆粒表面的堿活性成分與瀝青分子中的酸性基團(tuán)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，加強(qiáng)了分子間結(jié)合，進(jìn)而在材料之間形成良好的粘附作用；（2）鋼渣的質(zhì)地堅(jiān)硬，抗壓性能更好，并且其顆粒棱角豐富，使得鋼渣集料能夠在密實(shí)成型后形成穩(wěn)定的嵌固結(jié)構(gòu)，其粗糙且多微孔的表面結(jié)構(gòu)也進(jìn)一步提高了瀝青混合料的抗剪切能力，故鋼渣的摻入能夠大幅增加瀝青混合料的高溫抗變形能力。而當(dāng)鋼渣摻量為70%時(shí)， 瀝青混合料內(nèi)部容易形成自由瀝青，并且由于鋼渣棱角豐富，其摻量增加時(shí)也容易導(dǎo)致瀝青混合料的孔隙率和壓實(shí)度不易控制，與鋼渣摻量為50%時(shí)相比，難以形成密實(shí)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致了混合料動(dòng)穩(wěn)定度的不升反降。綜上所述，從高溫穩(wěn)定性能方面來(lái)看，鋼渣的最佳摻量為50%。

3.2水穩(wěn)定性

3.2.1浸水馬歇爾試驗(yàn)

浸水馬歇爾試驗(yàn)是一項(xiàng)十分重要的瀝青混合料試驗(yàn)，用于檢驗(yàn)瀝青混合料受水損害時(shí)抵抗剝落的能力，以評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性。本次試驗(yàn)采用馬歇爾大型擊實(shí)成型試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)，并計(jì)算其殘留穩(wěn)定度，所得試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，摻入30%～70%的鋼渣后，不同鋼渣摻量的瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度值出現(xiàn)不同程度的下降。其中，鋼渣摻量為30%時(shí)殘留穩(wěn)定度值下降最明顯，由99.30%下降至90.20%。值得注意的是，在鋼渣摻量為50%時(shí)，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度值僅下降了1.30%，這表明該摻量下鋼渣對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性影響最小。但同時(shí)鋼渣的摻入使得瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度和浸水馬歇爾穩(wěn)定度均得到了明顯的提高。當(dāng)鋼渣摻量為30%時(shí)，瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度取得最大值；進(jìn)一步增加鋼渣摻量至50%時(shí)，瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度取得最大值，并且在該摻量下瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度值達(dá)14.76 kN，與鋼渣摻量為30%時(shí)基本相當(dāng)；繼續(xù)增加鋼渣摻量至70%后，混合料的馬歇爾穩(wěn)定度有所下降，但仍然優(yōu)于未摻鋼渣的瀝青混合料。綜上分析，盡管鋼渣摻入對(duì)瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度不利，但從馬歇爾穩(wěn)定度值來(lái)看，即使在浸水48 h后，摻鋼渣瀝青混合料的穩(wěn)定度值仍明顯高于未摻鋼渣的瀝青混合料。因此，從馬歇爾穩(wěn)定度值和殘留穩(wěn)定度來(lái)看，鋼渣的最佳摻量為50%。

3.2.2凍融劈裂試驗(yàn)

凍融劈裂的試驗(yàn)條件比一般的浸水試驗(yàn)更嚴(yán)苛，通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)?zāi)軌蛟u(píng)價(jià)不同鋼渣摻量下瀝青混合料的水穩(wěn)定性，檢驗(yàn)其抗水損害能力。本次凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著鋼渣摻入，不同鋼渣摻量的瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度均有所增大，但鋼渣摻量對(duì)其影響不明顯；而凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比則隨著鋼渣摻量的增大而逐漸提高，直至鋼渣摻量為70%時(shí)取得最大值，此時(shí)瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比高達(dá)98.10%，比未摻鋼渣時(shí)提高了6.81%。分析認(rèn)為，這同樣得益于鋼渣顆粒的多微孔結(jié)構(gòu)和鋼渣的堿性，使得鋼渣能夠更加緊密地與瀝青粘結(jié)，進(jìn)而提高摻鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性。此外，從凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比曲線也可以看出，隨著鋼渣摻量的增加，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比的增幅逐漸減少。分析認(rèn)為，這主要是鋼渣中存在部分的游離氧化鈣（f-CaO）和游離（f-MgO）等有害雜質(zhì)，在遇水后會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成Ca（OH）2和Mg（OH）2，導(dǎo)致混合料的體積產(chǎn)生膨脹，對(duì)摻鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性造成不利影響?？偟膩?lái)說(shuō)，摻入鋼渣能夠提高瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比，進(jìn)而改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

4結(jié)語(yǔ)

本文以防城港鋼渣為研究對(duì)象，通過(guò)車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂抗拉試驗(yàn)對(duì)不同鋼渣摻量的AC-13C瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能和水穩(wěn)定性能進(jìn)行了研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）摻入鋼渣能夠明顯改善瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能，在鋼渣摻量為50%時(shí)提升效果最明顯，此時(shí)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度值由9 171次/mm提高到15 421次/mm，增幅高達(dá)68.15%；進(jìn)一步增加鋼渣摻量至70%時(shí)，鋼渣對(duì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度的改善作用下降，但其動(dòng)穩(wěn)定度值仍顯著高于未摻鋼渣的瀝青混合料。

（2）鋼渣對(duì)瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度值存在不利影響，殘留穩(wěn)定度值在鋼渣摻量為30%時(shí)由99.30%下降至90.20%，但鋼渣摻量為50%時(shí)，混合料的殘留穩(wěn)定度值僅下降1.30%。從馬歇爾穩(wěn)定度值來(lái)看，即使在浸水48 h后，摻鋼渣瀝青混合料的穩(wěn)定度值仍明顯高于未摻鋼渣的瀝青混合料。

（3）鋼渣能夠提高瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度，并且隨著鋼渣摻量的增大，混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比逐漸提高，但增幅逐漸降低，最高可提升6.81%。

（4）綜合分析不同鋼渣摻量瀝青混合料的路用性能試驗(yàn)結(jié)果，建議AC-13C瀝青混合料選用50%鋼渣摻量。

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作者簡(jiǎn)介：范萌萌（1988—），碩士，工程師，主要從事道路工程、路用固廢材料資源化利用研究工作。