鋼渣瀝青混合料路用性能試驗研究

摘 要：為了對鋼渣瀝青混合料路用性能進行評價，文章通過馬歇爾試驗確定了AC-10混合料密級配下粗鋼渣與細鋼渣的最佳瀝青用量，并進一步開展了車轍試驗、彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂抗拉試驗。試驗結果表明：鋼渣摻入后，最佳瀝青用量增大，高溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)性均略有增大，低溫抗裂能力下降，各項指標均符合規(guī)范要求。

關鍵詞：瀝青混合料；路用性能；最佳瀝青用量；粗細鋼渣

中圖分類號：U414.1

0"引言

隨著我國基礎建設的發(fā)展，公路建設也逐步邁入快速發(fā)展時期，同時對優(yōu)質道路基層材料的需求量也在日益增加。據不完全統(tǒng)計，僅2020年一年，我國的砂石消耗量就高達180×108 t，嚴重影響生態(tài)環(huán)境。鋼渣與碎石性能相似，具有堅硬耐磨等優(yōu)點，在一定程度上可代替石料作為天然集料。同時，鋼渣作為煉鋼的副產品，年產量超過億t，若能采用鋼渣代替天然集料，則可有效提高路面質量以及社會經濟效益與環(huán)境效益。因此，研究鋼渣瀝青混合料的道路基層材料路用性能顯得尤為關鍵。

近年來，國內外研究學者針對鋼渣廢料的利用開展了大量的研究。Yildirim IZ等［1-2］分析了不同類型鋼渣的物理性能、力學性能以及化學成分。Asi I M等［3］將瀝青混合料中部分粗集料用鋼渣替代，分析了不同鋼渣摻量下瀝青混合料的力學性能，結果表明：鋼渣摻入量為30%時，瀝青混合料的路面抗滑性能大幅提高，鋼渣摻入量為75%時，所有混合料的力學性能均有提高。孟文清等［4］研究了不同摻量下鋼渣礦粉煤矸石混合料的力學性能，并利用Minitab軟件建立回歸分析模型，揭示了混合料強度與相對摻量之間的關系。白卿等［5］為提高鋼渣的利用效率，將鋼渣加入混凝土中，研究了鋼渣-混凝土的抗凍性、耐久性、抗鹽蝕性等性能，總結了鋼渣-混凝土存在的問題并對其進行進一步改良。張爭奇等［6］為研究鋼渣對瀝青混合料的影響，利用國際摩擦指數(shù)、鋼渣摻配比例、摻配集料類型等多指標，綜合評價了混合料的抗滑耐久性，結果表明75%鋼渣+25%玄武巖/石灰?guī)r瀝青混合料的抗滑耐久性最優(yōu)。陳偉等［7］配制了不同鋼渣摻量下的瀝青混合料，通過車轍試驗、凍融劈裂試驗以及膨脹性試驗等，分析得出混合料的最佳鋼渣摻量。李金麗［8］為尋求鋼渣二次利用方法，將鋼渣摻入混凝土混合料中，研究了鋼渣摻量對混凝土密度、坍落度以及抗壓強度的影響，結果表明當鋼渣摻量為25%時，混凝土抗壓強度取得最大值44.2 MPa。劉營等［9］將鋼渣替換集料應用于道路工程面層瀝青混合料中，研究了不同條件下鋼渣瀝青混凝土的性能。

上述學者的研究主要集中于鋼渣的利用，較少涉及不同鋼渣摻量下瀝青混合料路用性能的評價。因此，本文基于前人研究的基礎，分析了粗細鋼渣摻入對瀝青混合料的影響，同時通過高溫穩(wěn)定性、馬歇爾水穩(wěn)性、凍融劈裂水穩(wěn)性以及低溫抗裂性試驗綜合評價鋼渣瀝青混合料的路用性能，該研究可為道路基層材料的配制提供相應參考。

1"原材料

試驗集料采用粗鋼渣、細鋼渣、瀝青以及玄武巖骨料等。

1.1"鋼渣

本次試驗粗鋼渣顆粒粒徑為5～9 mm，細鋼渣顆粒粒徑為0～3 mm，鋼渣形狀較為均勻，顏色為灰色，粗鋼渣表面分布有大量孔隙。如表1所示為粗細鋼渣基本物理性能。

由表1可知，粗鋼渣與細鋼渣均呈現(xiàn)堅固性好、粘附性強、吸水率高等特點，各項指標符合規(guī)范要求。

如下頁表2所示為粗細鋼渣化學成分分析。由表2可知，粗細鋼渣的化學成分相同，均以鈣、鎂、鐵、硅等氧化物為主，含量占總值的90%以上。

鋼渣的堿度值R可以反映鋼渣的活性，如式（1）所示為鋼渣的堿度計算公式：

R=ωCaOωSiO2+P2O5（1）

利用化學成分含量分別計算粗鋼渣與細鋼渣的堿度值，其中粗鋼渣R=3.141＞1，細鋼渣R=3.133＞1。說明粗細鋼渣均易與瀝青發(fā)生化學反應，是一種良好的混合料。

1.2"瀝青

為獲取瀝青的主要性能指標，對瀝青開展相關試驗，試驗結果如表3所示。試驗結果均滿足規(guī)范要求。

1.3"玄武巖骨料

如表4所示為玄武巖骨料的基本性能，其技術指標均符合《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42-2005）所規(guī)定的基本要求，因此玄武巖骨料可作為天然骨料。

2"配合比及試驗方法

2.1"級配設計

本試驗瀝青混合料采用AC-10混合料密級配，根據相關規(guī)范確定玄武巖骨料、粗鋼渣瀝青混合料以及細鋼渣瀝青混合料的級配情況。如表5所示為混合料級配情況。

2.2"最佳瀝青用量

為確定瀝青混合料的最佳瀝青用量，本文在空隙率相同的條件下，預選不同油石比，根據相關規(guī)范要求，制作馬歇爾試樣并測定其各項指標，根據式（2）～（4）確定最佳油石比。

OCA1=a1+a2+a3+a44（2）

OCA2=OCAmin+OCAmax2（3）

OCA=OCA1+OCA22（4）

式中：OCA——最優(yōu)油石比；

a1——密度最大值的油石比；

a2——穩(wěn)定度最大值的油石比；

a3——目標空隙率的油石比；

a4——瀝青飽和度中值的油石比；

OCAmin以及OCAmax——計算結果中符合規(guī)范內的油石比最小值與最大值。

不同級配下混合料的最佳瀝青用量如表6所示。

3"試驗方法

為進一步評價粗細鋼渣瀝青混合料的路用性能，本文對瀝青混合料開展了車轍試驗、彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂抗拉試驗。

3.1"車轍試驗

依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）規(guī)范要求，制作試驗試塊，試塊尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，瀝青混合料用量為11.7 kg。試塊成型后，將試件板和試模于常溫放置48 h后，再放入自動車轍試驗儀中進行車轍試驗。

3.2"彎曲試驗

根據相關規(guī)范要求，制作12個尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的標準條狀試件，將試件放置于恒溫箱中，待試件內部溫度為-10 ℃時，將試件取出并進行彎曲試驗，測得各試件抗彎拉強度、最大彎拉應變以及彎曲勁度模量。

3.3"浸水馬歇爾試驗

制作標準馬歇爾試件后，將其放置于恒溫水槽中48 h，利用馬歇爾擊實儀以及馬歇爾穩(wěn)定度測定儀測定浸水后試件的殘留穩(wěn)定度，評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

3.4"凍融劈裂抗拉試驗

通過馬歇爾擊實法制備標準圓柱試塊，將試塊放入真空箱中進行飽水處理，飽水后的試塊放入恒溫冰箱（溫度-18 ℃）16 h，將凍后的試塊取出并放入60 ℃恒溫水槽中24 h，最后將處理后的試塊放入恒溫水槽（溫度25 ℃），時間應≥2 h，待保溫完成后，對試塊開展劈裂試驗，測定試塊的凍融劈裂水穩(wěn)定性。

4"粗鋼渣與細鋼渣瀝青混合料試驗結果分析

4.1"高溫穩(wěn)定性分析

4.1.1"粗鋼渣瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

瀝青路面需具備較好的耐熱性能，以保障高溫條件下瀝青路面不會發(fā)生較大的形變以及車轍。目前，常采用車轍試驗來驗證瀝青路面的高溫穩(wěn)定性，根據規(guī)范進行粗鋼渣瀝青混合料車轍試驗，測定其動穩(wěn)定度，試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，不同粗鋼渣含量下瀝青混合料的穩(wěn)定度均大于規(guī)范所規(guī)定的2 400次/mm。當粗鋼渣摻量為0時，即天然骨料（玄武巖骨料）瀝青混合料的動穩(wěn)定度僅為3 027次/mm，而隨著摻量的增加，動穩(wěn)定度出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，其中動穩(wěn)定度最大值出現(xiàn)在粗鋼渣含量為36%時。由此可知，粗鋼渣的摻入有助于提高混合料的高溫穩(wěn)定性，而當粗鋼渣摻量過多時，會消耗大量瀝青，且瀝青耐高溫性較差，在高溫下容易被軟化。因此，當粗鋼渣含量＞54%時，動穩(wěn)定度降低，高溫穩(wěn)定性下降。

4.1.2"細鋼渣瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

如圖2所示為不同細鋼渣摻量下瀝青混合料的動穩(wěn)定度變化情況。

由圖2可知，混合料動穩(wěn)定度均大于規(guī)范規(guī)定的2 400次/mm。隨著細鋼渣摻量的增加，混合料動穩(wěn)定度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，與粗鋼渣不同的是，18%細鋼渣摻量下混合料動穩(wěn)定取得最大值，其值為6 235次/mm，與天然骨料瀝青混合料相比增加了94.18%，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因與粗鋼渣瀝青混合料相似。

4.2"低溫抗裂性分析

4.2.1"粗鋼渣瀝青混合料低溫抗裂性

在低溫條件下（-10 ℃）對瀝青混合料進行彎曲試驗，試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著粗鋼渣含量的增加，最大彎拉應變呈現(xiàn)先增大后減小再增大的“S”型變化趨勢，而抗彎拉強度與彎曲勁度模量均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。當鋼渣摻量從0增加至18%時，最大彎拉應變減小了0.5%，彎曲勁度模量增加了24.2%，當鋼渣摻量為36%時，最大彎拉應變減小了減小了5.5%，彎曲勁度模量增加了41.1%。彎拉應變的減小，會導致材料塑性降低，形變能力減弱，而彎曲勁度模量的增大會導致混合料低溫抗裂性能降低。因此，綜上可知，粗鋼渣的摻入會降低混合料的低溫抗裂性能。

4.2.2"細鋼渣瀝青混合料低溫抗裂性

圖4為不同細鋼渣摻量下瀝青混合料低溫彎曲試驗結果。

由圖4可知，隨著細鋼渣含量的增加，抗彎拉強度與彎曲勁度模量均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，當細鋼渣摻量從0增加至18%時，抗彎拉強度增加了11.0%，彎曲勁度模量增加了5.0%。最大彎拉應變與粗鋼渣摻入時最大彎拉應變的變化存在差異，其隨著細鋼渣含量的增加而不斷增大，增大幅度分別為5.65%、10.21%、11.99%。

4.3"浸水馬歇爾水穩(wěn)定性分析

4.3.1"粗鋼渣瀝青混合料浸水馬歇爾水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性可以反映混合料抵抗水侵蝕的能力，常采用浸水馬歇爾試驗進行測定，根據相關規(guī)范對粗鋼渣瀝青混合料進行浸水馬歇爾試驗，試驗結果如圖5所示。

由圖5可知，浸水馬歇爾水穩(wěn)定度均大于規(guī)范規(guī)定的85%，當粗鋼渣摻量為36%時，瀝青混合料殘留穩(wěn)定度最大，相較于粗鋼渣摻量為0、18%以及54%時分別提高了4.38%、1.81%以及2.14%，由此可知與動穩(wěn)定度相同，粗鋼渣的摻入可有效提高混合料殘留穩(wěn)定性，但粗鋼渣摻量過多會導致混合料殘留穩(wěn)定度下降。

4.3.2"細鋼渣瀝青混合料浸水馬歇爾水穩(wěn)定性

如圖6所示為不同細鋼渣摻量下瀝青混合料浸水馬歇爾水穩(wěn)定性變化情況。

由圖6可知，不同細鋼渣摻量下瀝青混合料浸水馬歇爾水穩(wěn)定度均大于規(guī)范規(guī)定的85%，隨著細鋼渣摻量的增加，混合料穩(wěn)定度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。當細鋼渣摻量為18%時，殘留穩(wěn)定度取得最大值，與天然骨料混合料相比，細鋼渣瀝青混合料增加了2.3%，而當細鋼渣摻量為36%、54%時，其水穩(wěn)性均低于天然骨料瀝青混合料，主要原因是細鋼渣穩(wěn)定性較差，遇水膨脹后使瀝青與骨料分離，最終導致混合料水穩(wěn)定性降低。

4.4"凍融劈裂水穩(wěn)定性分析

4.4.1"粗鋼渣瀝青混合料凍融劈裂水穩(wěn)定性

根據規(guī)范要求，將凍融循環(huán)處理后的試樣進行劈裂抗拉試驗，進而評價試樣凍融循環(huán)下的水穩(wěn)定性，如圖7所示為試驗結果。

由圖7可知，隨著粗鋼渣摻量的增加，凍融劈裂強度比呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。其中，當粗鋼渣摻量為18%時，凍融劈裂強度比最大，其值為96.21%，遠大于規(guī)范規(guī)定的80%。

4.4.2"細鋼渣瀝青混合料凍融劈裂水穩(wěn)定性

如圖8所示為不同細鋼渣摻量下瀝青混合料凍融劈裂強度比變化情況。

由圖8可知，隨著細鋼渣摻量的增加，凍融劈裂強度比呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。其中，當細鋼渣摻量為18%時，凍融劈裂強度比最大，其值為86.14%，而與粗鋼渣瀝青混合料不同的是，當細鋼渣摻量為54%時，凍融劈裂強度比小于規(guī)范要求的80%。出現(xiàn)上述情況的原因是細鋼渣比表面積大，遇水容易發(fā)生反應，同時考慮細鋼渣雜質較多，也是影響其水穩(wěn)性的關鍵因素之一。

5"結語

為了對鋼渣瀝青混合料的道路基層材料路用性能進行評價，本文通過配置不同粗細鋼渣摻量的瀝青混合料，分析了粗細鋼渣摻入對瀝青混合料的影響，同時通過高溫穩(wěn)定性、馬歇爾水穩(wěn)性、凍融劈裂水穩(wěn)性以及低溫抗裂性綜合評價鋼渣瀝青混合料的路用性能。

本文得到如下主要結論：

（1）粗鋼渣替代率為0、18%、36%、54%時，最佳瀝青用量分別為4.69%、4.91%、4.96%、5.10%；細鋼渣替代率為18%、36%、54%時，最佳瀝青用量分別為5.21%、6.62%、7.89%。

（2）隨著粗細鋼渣摻量的增加，混合料動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度以及劈裂強度比均出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。

（3）摻入定量的粗細鋼渣有助于提高混合料的高溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)定性。

（4）隨著粗鋼渣含量的增加，最大彎拉應變呈現(xiàn)先增大后減小再增大的“S”型變化趨勢，而抗彎拉強度與彎曲勁度模量均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢；隨著細鋼渣含量的增加，抗彎拉強度與彎曲勁度模量均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。

參考文獻：

［1］Yildirim IZ，Prezzi M.Geotechnical Properties of Fresh and Aged Basic Oxygen Furnace Steel Slag［J］.Journal of Materia ls in CivilEngineering，2015（12）：46-56.

［2］Shi C.Steel Slag-Its Production，Processing，Characteristics，and Cementitious Properties［J］.Cheminform，2005，36（22）：230-236.

［3］Asi I M，Qasrawi H Y，Shalabi F I.Use of steel slag agg regate in asphalt concrete mixes［J］.Canadian Journal of Civil Engineering，2007，34（8）：902-911.

［4］孟文清，吳依同，張亞鵬， 等.鋼渣礦粉煤矸石混合料的路用性能［J/OL］.礦產綜合利用，2023-11-10：1-11.

［5］白"卿，鄧"威，陸福洋，等.鋼渣對高原混凝土耐久性影響的研究進展［J］.硅酸鹽通報，2023，42（12）：4 332-4 340，4 350.

［6］張爭奇，梁慶武，鄭文章，等.混配型鋼渣瀝青混合料抗滑耐久性能研究［J］.應用化工，2023，52（12）：3 265-3 269.

［7］陳"偉，韋金城，徐希忠，等.不同鋼渣摻量的瀝青瑪蹄脂碎石混合料路用性能［J］.科學技術與工程，2022，22（21）：9 331-9 338.

［8］李金麗.鋼渣細集料對混凝土和易性及抗壓強度的影響研究［J］.地下水，2023，45（6）：321-323.

［9］劉"營，涂福運，李瑞嬌，等.摻鋼渣集料的瀝青混合料路用性能試驗研究［J］.西部交通科技，2023（8）：4-7.20240320