鋼渣粉中f-CaO含量對瀝青混合料的路用性能影響

林浩東 王 鳳 陶關玉

(1.廣東冠粵路橋有限公司 廣州 511400； 2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

1 前言

瀝青路面具有無接縫、噪聲小、耐磨、平整、行車舒適等許多優點，因此，在我國公路建設中得到了廣泛應用。而在瀝青混凝土中集料的比重達到90%以上，由此引發我國的優質石料緊缺現狀，其中較多使用的為玄武巖和石灰巖[1]。其中石灰巖儲量巨大，且價格便宜、開采簡單，但經過幾十年破壞性的開采，我國多數地區的石灰石已成為稀缺資源。

鋼渣是煉鋼過程中排出的熔渣，約為粗鋼產量的10%～15%，產量十分巨大[2]。我國大量堆積的鋼渣已經造成了嚴重的環境問題。從發達國家對鋼渣的利用經驗來看，道路工程材料，包括水泥及瀝青混凝土，是鋼渣資源化利用的主要途徑，且鋼渣利用很好地解決了優質集料不足的問題，由此看來，加大對閑置鋼渣的利用是必要的[3-4]。

徐國平等[5]測試分析了25家企業鋼渣樣品中f-CaO的含量以及鋼渣的穩定性，結果表明，鋼渣的f-CaO的質量分數大多在4%以上，且鋼渣的穩定性與其f-CaO含量有顯著的正相關性。孫家瑛等[6]在瀝青混合料中摻加鋼渣微粉，分析用鋼渣微粉部分或全部替代礦粉對瀝青混合料性能的影響，研究結果表明，摻加鋼渣微粉可以使瀝青混合料的水穩定性和高溫穩定性有明顯提高，而對瀝青混合料的低溫抗裂性影響不大。王強[7]研究了鋼渣的膠凝性能及水化硬化過程，發現鋼渣與水泥的水化過程相似，但鋼渣的水化速率非常慢。

當前我國對鋼渣的利用多作為集料應用于瀝青混合料中，這種利用方式雖然對鋼渣的消化能力很強，但是許多鋼渣并不滿足集料規范要求，鋼渣中較大的f-CaO含量導致其壓蒸粉化率過大，影響混合料的體積穩定性能。文中通過將不同f-CaO含量的鋼渣粉加入到瀝青混合料中，研究f-CaO含量對鋼渣粉瀝青混合料路用性能的影響，為鋼渣的全組分資源化利用提供支撐。

2 原材料及實驗方法

2.1 原材料

1) 瀝青采用湖北鄂州生產的70號基質瀝青，主要性能指標見表1。

表1 瀝青主要指標

2) 集料采用玄武巖，本次試驗采用熱拌瀝青混合料(HMA)的配合比設計理論和方法進行設計，即采用在我國應用廣泛的馬歇爾試驗方法進行瀝青混合料配合比設計。

3) 填料采用武鋼熱潑鋼渣粉和常用石灰石礦粉，其中鋼渣粉由實驗室制備，2種填料基本性能指標見表2，并用乙二醇-EDTA法對經過風化處理的鋼渣中f-CaO的含量進行測試，結果見表3，其微觀形貌見圖1。

表2 鋼渣粉和石灰石礦粉主要技術指標

表3 鋼渣粉的f-CaO含量

圖1 掃描電鏡圖

2.2 試驗方法

2種瀝青混合料各種性能指標測試參照JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(以下簡稱《規程》)中T0724-2000制備AC-13密級配瀝青混合料，并按照《規程》測試瀝青混合料的高溫穩定性能、低溫拉伸性能、水穩定性能等路用性能。

3 試驗結果與討論

3.1 瀝青混合料高溫穩定性能

3.1.1馬歇爾試驗結果

根據AC-13的級配進行試配，成型4組試件，3組摻加不同f-CaO含量的鋼渣粉，第4組摻加石灰石礦粉，測試其空隙率和穩定度，具體試驗結果見表4。

表4 瀝青混合料馬歇爾試驗結果

由試驗結果可見，摻加了鋼渣粉的瀝青混合料的密度相對于摻加石灰石礦粉的常規瀝青混合料更大，原因是鋼渣中包含了大量的鈣鐵氧化物。而其空隙率較大的原因是鋼渣粉孔隙較多，導致其對瀝青的吸收量較大，使得瀝青膜較薄，不足以涂覆集料。鋼渣粉顆粒由于具有更尖銳的形狀和更深的表面構造深度，導致其與瀝青粘附后的瀝青膠結料強度更大，從而得到了較強的穩定度?？梢钥闯?，鋼渣粉的應用對瀝青混合料馬歇爾試件穩定度的提升具有一定效果。其中鋼渣粉中f-CaO的含量對混合料馬歇爾試件的密度與穩定度影響較小，但是對空隙率的降低有所作用。

3.1.2瀝青混合料動穩定度

高溫抗車轍性能是指混合料抵抗因為高溫引起的永久變形的能力，本文采用車轍試驗來測定瀝青混合料的高溫抗車轍能力。在試驗中，試驗溫度設定為60 ℃，輪壓為0.7 MPa，試件碾壓成型后厚度50 mm，寬度300 mm，長度300 mm。成型后的試件在溫度為(60±1)℃的恒溫室保溫5 h以上，保溫完成后開始車輪碾壓，車輪共計碾壓1 h。計算機顯示時間t1對應的形變量d1，t2時間對應的形變量d2，最后根據計算得到動穩定度DS的大小。

通過車轍試驗測定不同混合料，其試驗情況見表5，根據《公路瀝青路面施工技術規范》動穩定度要求不低于800次/mm。

表5 瀝青混合料車轍試驗

由表5可見，與常規瀝青混合料相比，鋼渣粉瀝青混合料在45 min與60 min的位移均有所下降，同時動穩定度有所增加，雖然增加幅度不大，但仍然可以看出鋼渣粉代替石灰石礦粉應用于瀝青混合料中對瀝青混合料的高溫抗車轍性能有所提升。這同馬歇爾試件的結果一致，均證明了鋼渣粉的加入有利于瀝青混合料高溫環境下的穩定性，且隨著鋼渣粉中f-CaO的含量減少，混合料的動穩定度呈增加趨勢，但可變性較大。

3.2 瀝青混合料低溫拉伸性能

采用瀝青混合料低溫彎曲試驗來評價瀝青混合料的低溫拉伸性能，參考《規程》T0715-2011，試件采用250 mm×30 mm×35 mm，跨徑為200 mm的棱柱體小梁，試驗時設置溫度為-10 ℃，其中加載速率為50 mm/min，試驗結果見表6。

表6 瀝青混合料低溫彎曲試驗

一般來說，低溫下應變越大，勁度模量越小，其低溫拉伸性能越好。但是鋼渣粉瀝青混合料的應變更小，勁度模量更大，代表其在低溫下對應力的抵抗更強，這增加了瀝青混合料斷裂的危險性。低溫下常規瀝青混合料對應力的響應更快，可以看出石灰石礦粉在低溫下對瀝青混合料的改善強于鋼渣粉，一是由于石灰石礦粉的表面更加光滑，其與瀝青的粘附性較鋼渣粉弱，導致其瀝青膠結料中的自由瀝青含量較多，在低溫環境下流變性更好；二是鋼渣粉的多孔結構和粗糙表面吸收了較多的瀝青，使得鋼渣粉瀝青膠結料的結構性更好，導致其勁度更大?？梢钥闯觯撛鄣募尤虢档土藶r青混合料的低溫性能，主要原因在于鋼渣粉的多孔結構和相對于石灰石礦粉更崎嶇的表面紋理特性，這不僅會對實際路面性能有所降低，還會增加建設過程中的瀝青用量，導致建設成本提高[8-9]。3種不同f-CaO含量的鋼渣粉瀝青混合料的低溫拉伸性優劣不一，可以看出f-CaO的含量對混合料低溫性能影響不大。

3.3 瀝青混合料水穩定性

瀝青路面的水穩性是指瀝青路面在有水存在的條件下，經受交通荷載和溫度脹縮的反復作用，水分逐步浸入到瀝青與集料的界面上，使瀝青膜逐漸從集料表面剝離，并導致集料間粘結力喪失而發生的路面松散破壞，瀝青混合料殘留穩定度試驗和凍融劈裂試驗可反映水對瀝青與集料間粘附效果的破壞作用[10]。

3.3.1瀝青混合料殘留穩定度試驗

采用殘留穩定度試驗來檢驗瀝青混合料受水損害時抵抗剝落的能力以及瀝青的水穩定性。試驗中評價瀝青混合料水穩定性的指標為殘留穩定度比MS0，殘留穩定度比越大，表示瀝青混合料的水穩定性能越好。按照《規程》中的T0709-2011規定，將雙面擊實各75次的馬歇爾試件分為2組，第1組放在60 ℃的水箱里保溫30 min，測出其穩定度MS1，第2組放在溫度為60 ℃的水箱里保溫48 h，測定其穩定度MS2，則殘留穩定度比計算如式(1)，各瀝青混合料測定結果見表7。

(1)表7 瀝青混合料殘留穩定度試驗

由表7可見，鋼渣粉瀝青混合料的穩定度和浸水穩定度均大于同等條件下常規瀝青混合料，殘留穩定度比高于常規瀝青混合料，代表其抗水損害的提升，且隨著鋼渣粉中f-CaO的含量減少，其殘留穩定度比提升。究其原因主要是由于鋼渣粉中大量的f-CaO在有水存在的環境下，會與水發生水化反應，機理同水泥的水化效應[11]。水泥的水化對水泥混凝土的凝結起到一定加強效果，但在瀝青混凝土中，主要起粘結作用的是瀝青膠結料，鋼渣粉的水化反應會阻礙瀝青與集料的粘附，導致瀝青在動水沖刷下從集料表面脫落。鋼渣粉中較少的f-CaO有助于瀝青混合料的水穩定性能提升。

3.3.2瀝青混合料凍融劈裂試驗

采用馬歇爾擊實法成型的2組馬歇爾試件，擊實次數為雙面各50次，一組試件經真空飽水后在-18℃下保溫16 h，隨后放入60 ℃的恒溫水槽中24 h，最后按照《規程》T0729-2000用50 mm/min的加載速率在25 ℃下進行劈裂試驗，并同常溫保存的試件進行對比，計算出劈裂強度比，試驗結果見表8。

表8 瀝青混合料凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗同殘留穩定度試驗類似，都是為了研究瀝青混合料在有水存在環境下的抗水損害性能，只是凍融劈裂試驗經歷了高低溫的循環作用，使得水分對瀝青混合料的作用更明顯。由表8可見，鋼渣粉瀝青混合料的常溫劈裂強度大于常規瀝青混合料，經過凍融循環作用后，其劈裂強度下降的幅度明顯低于常規瀝青混合料，劈裂強度比高于常規瀝青混合料。同殘留穩定度試驗結果一致，二者都表明鋼渣粉加入瀝青混合料中增加了混合料的穩定度和劈裂強度。其中鋼渣粉中f-CaO的含量降低對混合料的劈裂強度起到了提升的作用，可以看出f-CaO的含量會明顯影響混合料的凍融劈裂強度。

通過瀝青混合料殘留穩定度試驗以及凍融劈裂試驗可以看出，加入鋼渣粉可明顯提高瀝青混合料穩定度、劈裂強度及抗水損害性能，其中鋼渣粉的f-CaO含量是關鍵因素，會明顯影響混合料的水穩定性能。

4 結論

通過將3種不同f-CaO含量的鋼渣粉和石灰石礦粉應用于瀝青混合料中來測試其路用性能，研究f-CaO含量這一因素對鋼渣粉瀝青混合料路用性能的影響，可得到以下結論：

1) 加入鋼渣粉可提高混合料的高溫穩定性，f-CaO的含量對混合料的高溫穩定性影響不大。

2) 鋼渣粉的加入降低了瀝青混合料的低溫性能，3種不同f-CaO含量的鋼渣粉瀝青混合料的低溫拉伸性優劣不一，可以看出f-CaO的含量對混合料低溫性能影響不大。

3) 加入鋼渣粉可明顯提高瀝青混合料穩定度及劈裂強度，提升混合料的抗水損害性能，其中鋼渣粉的f-CaO含量是一個關鍵因素，其含量增加會明顯降低混合料的水穩定性能。

[1] 黃曉明,吳少鵬,趙永利.瀝青與瀝青混合料[M].南京：東南大學出版社，2002.

[2] 石磊,淺談鋼渣的處理與綜合利用[J].中國資源綜合利用,2011,29(3):29-32.

[3] KAMBOLE C， PAIGE-GREEN P，KUPOLATI W K, et al. Basic oxygen furnace slag for road pavements: A review of material characteristics and performance for effective utilisation in southern Africa[J].Construction and Building Materials,2017，148:618-631.

[4] XIE J WU SP，ZHANG L L，et al. Material characterization and performance evaluation of asphalt mixture incorporating basic oxygen furnace slag (BOF) sludge[J].Construction and Building Materials,2017，147:362-370.

[5] 徐國平,黃毅.典型鋼渣的f-CaO含量和穩定性分析[J].工業安全與環保,2015(4):94-96.

[6] 孫家瑛,王志新.鋼渣微粉對混凝土路用性能的影響[J].建筑材料學報,2006(4):477-480.

[7] 王強.鋼渣的膠凝性能及在復合膠凝材料水化硬化過程中的作用[D].北京：清華大學,2010.

[8] 李超.鋼渣瀝青混凝土技術及其應用研究進展[J].材料導報,2017,31(3):86-95.

[9] 許新權,吳傳海,李善強，等.廣東省高速公路典型結構瀝青路面使用性能調查與分析[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2016,40(4):689-693,699.

[10] 朱夢良,魯正蘭.瀝青混合料路面水損害機理及防護措施[J].湖南交通科技,2003,29(1):32-33.

[11] 韓方暉,張增起,閻培渝.鋼渣在強堿性條件下的早期水化性能[J].電子顯微學報,2014(4):343-348.