鋼渣瀝青混合料配合比試驗(yàn)研究

王統(tǒng)帥 WANG Tong-shuai；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）

0 引言

目前鋼渣作為煉鋼企業(yè)的工業(yè)廢渣，資源化利用率相對(duì)偏低。多數(shù)鋼廠(chǎng)將鋼渣采用露天堆放的方式存放，不僅占用了大量的土地資源，還給周邊環(huán)境帶來(lái)潛在污染風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)研究結(jié)果表明，在瀝青混合料中采用鋼渣替代天然石料是可行的。目前在高等級(jí)道路瀝青路面建設(shè)與養(yǎng)護(hù)施工過(guò)程中，一般要求選用玄武巖、輝綠巖等磨光值高、與瀝青黏附性較好的堿性礦料，以確保表面層具有良好的平整度、抗剪強(qiáng)度和摩擦系數(shù)等,進(jìn)而提高行車(chē)安全與舒適性。但隨著土石資源過(guò)度開(kāi)發(fā)，使得一些地區(qū)的路面建設(shè)與養(yǎng)護(hù)施工需從外地大量購(gòu)買(mǎi)優(yōu)質(zhì)石材，大大增加了施工成本。因此結(jié)合道路建設(shè)的實(shí)際需求，研究制備以鋼渣替代傳統(tǒng)集料的薄層罩面瀝青混合料，對(duì)比其路用性能與傳統(tǒng)集料薄層罩面的路用性能，對(duì)鋼渣薄層罩面的可行性與經(jīng)濟(jì)性具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

胡春華[1]研究了在排水瀝青混合料中，采用體積替代法用鋼渣替代玄武巖粗集料，對(duì)不同鋼渣摻量的排水瀝青混合料進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：鋼渣摻量越多瀝青用量越大，加入鋼渣提升了混合料高低溫性能。董儒柱[2]研究了鋼渣細(xì)集料對(duì)鋼渣瀝青混合料性能的影響。結(jié)果表明鋼渣瀝青混合料高溫穩(wěn)定性與低溫抗裂性較石灰?guī)r分別提升32%與61.8%，但由于鋼渣細(xì)集料中游離氧化鈣的膨脹效應(yīng)，水穩(wěn)定性較石灰?guī)r更差。劉澔[3]采用鋼渣粉與鋼渣集料替代礦粉與天然集料制備瀝青混合料，模擬動(dòng)水環(huán)境下的水敏感性、疲勞耐久性能與高低溫性能。結(jié)果表明，鋼渣粉瀝青混合料具有更優(yōu)的抗動(dòng)水損害性能與長(zhǎng)期抗凍融損害能力。鋼渣粉的加入可增大瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、彎拉應(yīng)變與疲勞壽命，改善其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和疲勞抵抗能力。WangWenzheng[4]將玄武巖纖維、聚酯纖維和木質(zhì)素纖維三種纖維與橡膠粉混摻到鋼渣瀝青混合料中，研究了其凍融損傷特性。結(jié)果表明：不同纖維增強(qiáng)鋼渣瀝青混合料的最佳纖維含量分別為0.35%、0.29%和0.23%，瀝青的最佳含量均為6.7%。Liu Jianan[5]根據(jù)微波容量的差異對(duì)鋼渣進(jìn)行分類(lèi)，選擇高熱源鋼渣（HHS）部分替代石灰石制備鋼渣瀝青混合料（SSAM），研究了SSAM 的表面溫度和傳熱過(guò)程。此外，還對(duì)SSAM 在不同微波循環(huán)下的路用性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)并且利用x 射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）分析了微波加熱對(duì)SSAM 中空結(jié)構(gòu)的影響。Cao Yangsen[6]采用發(fā)熱絲法定量評(píng)價(jià)了熱導(dǎo)率。通過(guò)理論計(jì)算驗(yàn)證了定量表征的可靠性。然后，研究了鋼渣對(duì)SSAM 體積指標(biāo)和路用性能的影響。結(jié)果表明，氧化鐵等活性礦物使鋼渣具有導(dǎo)熱性，而鋼渣表面的大量突起和微孔可能不利于導(dǎo)熱。熱導(dǎo)率隨鋼渣含量的增加先增大后減小。陳改霞[7]通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)、SPT 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)、低溫曲試驗(yàn)、凍劈裂試驗(yàn)、彎曲疲勞試驗(yàn)、SEM 試驗(yàn)等，對(duì)不同摻量玄巖纖維對(duì)SSAM 高、低溫性能和水穩(wěn)定及疲勞性的影響及增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行究，結(jié)果表明：BF 可顯著增強(qiáng)SSAM 高溫抗變形能力，且隨著凍循環(huán)次增加對(duì)不同鋼渣摻量SSAM 低溫柔韌性均有一定的提高，羅程[8]研究了表面層構(gòu)造深度、溫度、SBR 改性乳化瀝青用量和應(yīng)力比對(duì)鋼渣薄層罩面層間剪切性能的影響。研究結(jié)果表明鋼渣集料的壓碎值和磨耗值明顯低于石灰?guī)r集料，且與瀝青的粘附性好，使得鋼渣瀝青混合料的路用性能優(yōu)異。楊碩[9]為研究鋼纖維對(duì)鋼渣瀝青混合料路用性的影響，通過(guò)采用車(chē)撤試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)方法分別針對(duì)不同纖維摻量的鋼渣瀝青混合料和普通瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)定性展開(kāi)對(duì)比分析。

劉明金[10]研究了以部分鋼渣替代石灰?guī)r的瀝青混合料性能。結(jié)果表明與不摻鋼渣瀝青混合料相比，隨著鋼渣摻量的增大，摻鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性均得到了不同幅度的提升。張彩利[11]對(duì)熱悶鋼渣瀝青混合料、冷棄陳渣瀝青混合料和石灰?guī)r瀝青混合料分別進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和膨脹性試驗(yàn)。結(jié)果表明：膨脹量合格的鋼渣瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫性能和疲勞性能均優(yōu)于石灰?guī)r瀝青混合料。Li Chao[12]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。

2 原材料

2.1 游離氧化鈣測(cè)定

2.1.1 游離總鈣的測(cè)定

采用乙二醇-EDTA 化學(xué)滴定法測(cè)出鋼渣粉中游離總鈣。樣品要求過(guò)200 目篩，在105℃~110℃烘干。游離總鈣測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 游離總鈣測(cè)試結(jié)果（%）

由表1 可知，游離總鈣含量c1=4.65%。

2.1.2 氫氧化鈣的測(cè)定

采用熱重分析，設(shè)定升溫速率為10℃/min，終止溫度為800℃，通入氮?dú)獗Ｗo(hù)。鋼渣骨料的熱重分析結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 TG 曲線(xiàn)

鋼渣中的氫氧化鈣含量c3按下式計(jì)算：

式中：

c3——?dú)溲趸}（以氧化鈣計(jì)）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；

c2——?dú)溲趸}分解出的水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；

4.1111 ——?dú)溲趸}和水分子量的比值；

0.7567 ——氧化鈣和氫氧化鈣分子量的比值。

在TG 曲線(xiàn)上，370℃~500℃的溫度段和540℃~630℃的溫度段有兩個(gè)失重臺(tái)階，兩個(gè)溫度段的失重臺(tái)階分別是鋼渣中Ca（OH）2和CaCO3脫水、脫氣的熱分解反應(yīng)所形成的。其化學(xué)反應(yīng)方程為：

鋼渣在熱重分析中的c2約為0.55%，則c3=4.1111×0.7567×0.55%=1.71%；

游離氧化鈣含量c=c1-c3=4.65%－1.71%=2.94%。

2.2 堆積密度

據(jù)規(guī)范及公式測(cè)得粗砂、細(xì)砂堆積密度如表2。

表2 堆積密度測(cè)試結(jié)果

2.3 表觀(guān)密度

根據(jù)規(guī)范方法及公式測(cè)得粗骨料、細(xì)骨料表觀(guān)密度如表3。

表3 表觀(guān)密度測(cè)試結(jié)果

2.4 細(xì)度篩分結(jié)果

根據(jù)篩分試驗(yàn)，0-5mm 骨料在篩孔尺寸2.36mm 的分計(jì)篩余為95.38%，在篩孔尺寸為1.18mm 的分計(jì)篩余為3.2%；

0-10mm 骨料在篩孔尺寸5mm 的分計(jì)篩余為71.9%，在篩孔尺寸為2.5mm 的分計(jì)篩余為27%，具體篩分結(jié)果如表4。

表4 細(xì)度篩分結(jié)果

2.5 壓碎值

檢測(cè)5-10mm 范圍內(nèi)的鋼渣骨料與玄武巖石料進(jìn)行壓碎值測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表5 所示。

表5 骨料壓碎值試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼渣骨料壓碎值為13.3%，低于玄武巖石料壓碎值，且都符合公路要求值。

2.6 膨脹率

檢測(cè)5-10mm 范圍內(nèi)的鋼渣骨料進(jìn)行鋼渣瀝青混凝土膨脹量測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表6 所示。

表6 鋼渣瀝青混凝土膨脹量試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 混合料類(lèi)型

本文選用OGFC-5 瀝青混合料，通過(guò)摻加鋼渣替代玄武巖集料得3 種瀝青混合料。試驗(yàn)方案見(jiàn)表7。

表7 試驗(yàn)方案

3.2 配合比設(shè)計(jì)

OGFC-5 瀝青混合料級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 SMA-13 設(shè)計(jì)級(jí)配曲線(xiàn)

4 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果分析

馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果分析如表8。

表8 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果分析

由表8 可知摻入鋼渣后馬歇爾穩(wěn)定度有所降低而流值有所上升且空隙率等體積參數(shù)均符合規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

①鋼渣骨料游離鈣測(cè)試結(jié)果為2.63%。

②本批鋼渣骨料堆積密度：細(xì)砂（0-5mm）ρL=2.05×103kg/m3；粗砂（5-10mm）ρL=1.99×103kg/m3。

③本批鋼渣粉表觀(guān)密度：細(xì)砂（0-5mm）ρ=3535.35kg/m3；粗砂（5-10mm）ρ=3566.77kg/m3。

④鋼渣骨料暫且不滿(mǎn)足砂子的要求，5mm 以上占比為71.9%，2.5mm 以上占比為98.9%。

⑤對(duì)鋼渣骨料與玄武巖石料進(jìn)行壓碎值測(cè)試，鋼渣骨料壓碎值為13.3%，低于玄武巖石料，且二者都符合公路要求值。

⑥檢測(cè)5-10mm 范圍內(nèi)的鋼渣骨料進(jìn)行鋼渣瀝青混凝土膨脹量測(cè)試，膨脹量為0.57%，符合公路要求值。

⑦摻入鋼渣各項(xiàng)指標(biāo)提升且符合排水瀝青規(guī)范。