鋼渣瀝青混合料早期性能的時變規律研究

盧章天　黃巖峰　溫劍啟

摘要：在鋼渣瀝青混合料路面成型早期，裹覆鋼渣集料的結構瀝青和自由瀝青仍處于變化之中，鋼渣瀝青混合料早期性能也隨時間發生變化。文章通過瀝青浸漬實驗對比分析鋼渣、石灰巖碎石對瀝青的吸收特性隨時間變化的規律，并將瀝青混合料試件放置不同時間后進行室內車轍試驗、低溫彎曲小梁試驗、凍融劈裂試驗，研究不同鋼渣摻量（0%、50%、100%）瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性隨時間變化的規律。結果表明：鋼渣對瀝青的瞬時吸收量約為石灰巖碎石的10倍，且鋼渣對瀝青的吸收量隨時間增大，約10 d后趨于穩定;鋼渣摻量越高，最佳瀝青用量越高，新成型試件的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性越好，但隨著試件放置時間增加，低溫抗裂性和水穩定性衰退。

關鍵詞：鋼渣瀝青混凝土;配合比設計;路用性能;時變規律;吸收瀝青

中國分類號：U414文獻標識碼：A

0 引言

2019年，全國規模以上工業企業粗鋼、生鐵、鋼材產量分別為99 634萬t、80 937萬t和120 477萬t，同比分別增長8.3%、5.3%和9.8%[1]。鋼渣是煉鋼過程中排出的熔渣，是鋼鐵生產中的主要副產物，其數量一般為粗鋼產量的12%～20%。長期以來，我國大部分鋼渣被當作廢物堆棄，其綜合利用率極低，不僅占用大量土地，且易引發環境污染問題[2-3]。為提高鋼渣的綜合利用率，促進鋼鐵產業的可持續發展，道路工作者發現鋼渣具有密度大、強度高、表面粗糙、穩定性好、耐磨與耐久性好、與瀝青結合牢固等特點，可用作筑路材料[4-5]。鋼渣為多孔性材料[6]，在使用過程中，在毛細管力以及瀝青自身流動性作用下，瀝青會逐漸進入鋼渣的孔結構，鋼渣瀝青混合料的瀝青含量和瀝青膜厚度隨時間發生變化，這雖然能提高結構瀝青的比例，但也可能使瀝青路面發生剝離、開裂等早期病害[7-8]。因此，采用鋼渣作為瀝青混合料的組成材料時有必要考慮鋼渣的密度、孔特征與普通集料的差異及其對混合料設計及性能的影響[9-10]。本文通過瀝青浸漬試驗分析鋼渣吸收瀝青隨時間的變化規律，研究鋼渣瀝青混合料早期路用性能的時變規律，從而合理地確定鋼渣瀝青混合料的最佳瀝青用量，并對考慮時間因素的早期路用性能評價提供參考依據。

1 原材料

1.1 鋼渣

1.1.1 化學性質

本試驗采用武漢鋼鐵集團存放近一年的轉爐鋼渣，其化學成分如表1所示。除了f-CaO，鋼渣的其他成分均比較穩定。f-CaO結構致密、晶粒大、晶格緊密，與水反應的速度極慢，但吸水發生化學反應后，其體積膨脹近一倍，是影響鋼渣瀝青混合料路用性能的重要因素。武鋼轉爐鋼渣的f-CaO含量為1.82%，滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的要求（≤3%）。

1.1.2 技術性質

鋼渣作為筑路集料還必須具備與普通石灰巖、玄武巖碎石相當的物理、力學性能，其檢測結果如表2所示?？梢钥闯?，鋼渣的表觀相對密度、10 d浸水膨脹率、粘附性、磨耗值、壓碎值等各項指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的相關要求。

1.2 瀝青

瀝青為東海70#基質瀝青，其相對密度為1.033 g/cm3、針入度為6.32 mm、軟化點為47.6 ℃、60 ℃動力黏度為218 [HTSS]Pa·s、15 ℃延度>100 cm以及其他各項指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的相關要求。

1.3 集料及填料

集料及填料分別為興業縣葵陽鎮的石灰巖碎石、石灰巖磨細礦粉，其各項指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的相關要求（如表3、表4、表5所示）。

2 試驗方法

2.1 瀝青浸漬試驗

為研究鋼渣對瀝青的吸收特點及其隨時間變化的規律，本試驗采用文獻[9]中提到的瀝青浸漬實驗測定鋼渣與石灰巖碎石的有效相對密度γbi，即集料吸收部分瀝青后的密度，并結合瀝青的相對密度γb和集料的毛體積相對密度γsb，按式（1）計算集料對瀝青的瞬時吸收量Pba。

2.2 混合料早期路用性能試驗

采用馬歇爾設計方法進行鋼渣瀝青混合料的配合比設計，確定鋼渣摻量分別為0%、50%、100%，然后將成型好的試件在室溫下放置不同時間（1 d、3 d、5 d、10 d、20 d、30 d）后，再分別進行車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗，以研究鋼渣瀝青混合料的早期路用性能隨時間變化的規律。試驗具體步驟按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）的相關要求進行。

3 試驗結果與分析

3.1 鋼渣對瀝青的吸收特征

在瀝青混合料成型及使用過程中，集料的開口孔隙會逐漸吸收部分瀝青而導致混合料性能的變化。因為鋼渣具有多孔結構，所以鋼渣對瀝青的吸收不可忽略[11]。本文通過瀝青浸漬實驗對比分析了鋼渣與普通石灰巖對瀝青吸收性的差異以及鋼渣對瀝青的吸收量與時間的關系。

3.1.1 集料對瀝青瞬時吸收量對比

表6為鋼渣與石灰巖碎石對瀝青的瞬時吸收量對比表。從表6可以看出，鋼渣的表觀相對密度和毛體積相對密度差值較大，達0.3～0.5，遠大于石灰巖集料的0.01～0.04，鋼渣對瀝青的瞬時吸收量約為石灰巖碎石的10倍左右，這主要是因為鋼渣具有多孔性結構，而石灰巖碎石質地致密，孔隙不發達。另外，可以看出，集料對瀝青的瞬時吸收量與其粒徑大小無明顯變化規律，這可能是集料的孔隙特征變異性較大和集料比表面積差異共同導致的結果。

3.1.2 鋼渣對瀝青的吸收量隨時間的變化規律

為研究鋼渣對瀝青的吸收量與時間的關系，采用瀝青浸漬試驗測定鋼渣對瀝青的吸收量。與前文的不同之處在于改變鋼渣在瀝青中的浸漬時間，分別為1 d、2 d、3 d、5 d、10 d、20 d、30 d。鋼渣對瀝青的吸收量隨時間的變化規律如圖1所示。

從圖1可以看出，瀝青進入鋼渣孔隙的過程具有時間依賴性。在浸漬初期（1～5 d），鋼渣對瀝青的吸收量隨浸漬時間增加而急劇增加;在浸漬中期（5～10 d），鋼渣對瀝青的吸收速率稍微減緩;而在浸漬后期（10～30 d）鋼渣對瀝青的吸收率基本達到最大值，此時的吸收量幾乎為瞬時吸收量的2倍。這是因為在浸漬初期鋼渣具有較多的孔隙且孔隙較大，孔隙內部空氣壓力較小，瀝青在自身流動性和毛細管力作用下較容易進入鋼渣的孔隙結構中。而隨著鋼渣孔隙被瀝青不斷填充，其孔隙變小，空氣壓力變大，瀝青進入孔隙的速率逐漸減小至零，此時瀝青的流動壓力、毛細管力與孔隙的空氣壓力達到平衡，鋼渣對瀝青的吸收量也達到飽和狀態。

3.2 配合比設計結果

馬歇爾設計方法中集料的比例是按體積比計算的，但在實際中為了方便，一般按集料的重量比配料，其前提是各檔集料的比重相當。鋼渣、石灰巖碎石的表觀相對密度相差高達20%以上，因此采用鋼渣代替部分或全部石灰巖碎石時必須考慮兩者體積的差異性[12]。本試驗以拌制AC-13型瀝青混合料為例，將鋼渣和石灰巖碎石篩分分檔，以最接近公路瀝青路面設計規范（JTG D50-2006）中AC-13的級配中值作為試驗級配。根據等體積原則分別以0、50%、100%的鋼渣取代2.36 mm以上的石灰巖集料，2.36 mm以下集料全部采用石灰巖集料，合成級配見表7。最后通過馬歇爾試驗確定鋼渣摻量為0%、50%、100%三種瀝青混合料的最佳瀝青用量分別為4.56%、5.31%、5.74%。可以看出，鋼渣摻量越大，最佳瀝青用量越高。

3.3 鋼渣瀝青混合料路用性能的時變規律

在鋼渣瀝青混合料路面鋪筑初期，鋼渣會不斷吸收瀝青，使混合料中結構瀝青含量以及瀝青膜厚度發生變化，同時可能使瀝青與鋼渣之間的界面粘結狀態發生變化。在考慮鋼渣吸收瀝青的時間依賴性的基礎上，通過室內試驗研究了鋼渣瀝青混合料路用性能隨時間變化的規律。

3.3.1 高溫穩定性的時變規律

從圖2可以看出，用鋼渣代替部分或全部石灰巖集料后，瀝青混合料的動穩定度有所提高，且替代率越大，提高幅度越大，當替代率為100%時，其動穩定度約為0替代率時的兩倍。這說明使用鋼渣替代石灰巖集料可以提高瀝青混合料的高溫穩定性和抗永久變形能力。隨著車轍試件放置時間的增加，鋼渣瀝青混合料的動穩定度增加并約在10 d后達到穩定狀態，這與鋼渣對瀝青的試驗結果基本吻合。放置10 d后50%和100%鋼渣替代率的瀝青混合料的動穩定度分別比初始值提高21.1%、21.3%。而普通石灰巖瀝青混合料（即0鋼渣的瀝青混合料）的動穩定度幾乎不變，始終保持穩定。這主要是因為：

（1）與石灰巖碎石相比，鋼渣的棱角性更好，經壓實成型后骨料之間的相互嵌擠作用更強，內摩擦角更大，鋼渣瀝青混合料抗變形能力更好;

（2）與石灰巖相比，鋼渣的表面紋理更加豐富，較多的孔隙結構使得鋼渣與瀝青之間的粘結界面更大、更強;

（3）隨著時間延長，瀝青或瀝青膠漿不斷被吸收進入鋼渣的開口孔隙中，不僅提高了混合料中結構瀝青的比例，且使鋼渣處于被瀝青膠漿貫穿的網絡結構中，鋼渣和瀝青膠漿能更好地融為一體，使鋼渣與瀝青膠漿的整體性增強。

3.3.2 低溫抗裂性的時變規律

圖3為鋼渣瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗結果隨試件放置時間變化的曲線圖。

從圖3可以看出：（1）隨著放置時間增加，鋼渣瀝青混合料的抗彎拉強度和彎拉應變呈減小趨勢，勁度模量逐漸增大，且三者均在10 d后趨于穩定，而普通石灰巖瀝青混合料的結果則比較穩定，與放置時間相關性不大;（2）在放置時間<5 d時，鋼渣摻量越大，其抗彎拉強度和彎拉應變越大，勁度模量越小。

抗彎拉強度和彎拉應變分別反映了瀝青混合料抵抗彎拉應力而不被破壞以及發生形變的能力，勁度模量為抗彎拉強度與彎拉應變的比值。一般認為抗彎拉強度越高，彎拉應變越大，勁度模量越小，材料的低溫抗裂性越好。新成型的鋼渣瀝青混合料比普通瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性能，但隨著時間增加，其低溫抗裂性能急劇下降，并在成型后10 d左右達到穩定狀態。放置10 d后50%和100%鋼渣替代率的瀝青混合料的低溫彎拉應變值分別比初始值減小36.9%、38.7%。這是因為鋼渣具有多孔性，瀝青或瀝青膠漿會在毛細管作用下不斷進入鋼渣的孔隙結構中。在成型初期，鋼渣對瀝青的吸收有利于提高結構瀝青的比例，增強鋼渣與瀝青之間的相互作用，從而改善混合料的低溫抗裂性能;但隨著鋼渣對瀝青的吸收量增大，瀝青膜厚度大幅度減小，無法滿足最低要求，使鋼渣瀝青混合料的低溫抗彎拉強度和抗變形能力下降[13]。

3.3.3 水穩定性的時變規律

下頁圖4為鋼渣瀝青混合料凍融劈裂試驗結果隨試件放置時間變化的曲線圖。

從圖4可以看出，鋼渣瀝青混合料凍融前后的劈裂強度、劈裂強度比與鋼渣摻量及試件放置時間有關，且鋼渣摻量越大，試件放置時間的影響越大。當鋼渣摻量為0時，即普通石灰巖混合料，其劈裂強度、劈裂強度比幾乎不隨時間變化;而當鋼渣摻量為50%、100%時，鋼渣瀝青混合料劈裂強度、劈裂強度比與試件放置時間緊密相關。在試件成型初期（放置[JP+1]時間<5 d），3種混合料的凍融劈裂強度比相當，但鋼渣瀝青混合料凍融前后的劈裂強度均高于普通瀝青混合料，且隨時間增加而增加;5 d后，凍融前后的劈裂強度以及凍融劈裂強度比均急劇下降，直到10 d后才逐步達到穩定狀態，此時，50%和100%鋼渣替代率的瀝青混合料的凍融劈裂強度比（TSR）分別比初始值減小10.4%、13.6%。這主要是因為：（1）對于新成型的試件，由于鋼渣的強堿性以及豐富的表面紋理，與瀝青具有更強的粘結力，水分難以進入鋼渣與瀝青的界面，從而使鋼渣瀝青混合料的水穩定性能優于普通石灰巖瀝青混合料;（2）在試件成型初期，鋼渣吸收瀝青，使結構瀝青比例增加，有利于提高鋼渣與瀝青的粘結強度，從而改善瀝青混合料的水穩定性;（3）5 d后，隨著鋼渣對瀝青的不斷吸收，集料表面的瀝青膜厚度快速減小，無法滿足最低要求，同時集料表面瀝青的遷移作用也會破壞集料與瀝青之間的界面穩定性以及兩者的粘結強度，使水分更容易進入界面，從而導致混合料抗水損害性能下降[14]。另外，凍融劈裂試件表面出現了白色的結晶顆粒，可能為Ca（OH）2或CaCO3，且放置時間越長，結晶顆粒越多，表明鋼渣中的f-CaO對瀝青混合料的水穩定性存在一定影響。

4 結語

（1）鋼渣具有多孔結構，鋼渣對瀝青的瞬時吸收量約為石灰巖的10倍，且鋼渣對瀝青的吸收量隨浸漬時間增加，約10 d后達到穩定狀態。另外，集料粒徑與瀝青吸收量無顯著關系。

（2）鋼渣摻量越高，鋼渣瀝青混合料的最佳瀝青用量越大，新成型試件的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性越好。但隨著時間增加，鋼渣不斷吸收瀝青，鋼渣瀝青混合料的結構瀝青比例增加、瀝青膜厚度減小，瀝青與鋼渣集料之間的界面粘結狀態也發生變化，鋼渣瀝青混合料的高溫穩定性有所改善，然而低溫抗裂性和水穩定性發生衰退，且鋼渣摻量越高，混合料性能變化幅度和速率越大。

（3）鋼渣瀝青混合料的設計與應用必須考慮鋼渣對瀝青吸收性的影響，傳統馬歇爾設計方法確定的最佳瀝青用量無法滿足鋼渣瀝青混合料后期路用性能的要求。建議采用馬歇爾方法設計的鋼渣瀝青混合料應進行放置10 d后的性能驗證。如果不具備條件，可對動穩定度、低溫彎拉應變和凍融劈裂強度比進行修正，修正系數分別為1.2、0.65、0.9。

參考文獻：

[1]中華人民共和國統計局.中國統計年鑒[M].北京：中國統計出版社，2019.

[2]Yi H，Xu G，Cheng H，et al.An overview of utilization of steel slag[J].Procedia Environmental Sciences，2012（16）：791-801.

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

[4]Behiry A E A E M.Evaluation of steel slag and crushed limestone mixtures as subbase material in flexible pavement[J].Ain Shams Engineering Journal，2013，4（1）：43-53.

[5]Bagampadde U，Wahhab H I A A，Aiban S A.Optimization of steel slag aggregates for bituminous mixes in Saudi Arabia[J].Journal of Materials in Civil Engineering，1999，11（1）：30-35.

[6]Maslehuddin M，Sharif A M，Shameem M，et al.Comparison of properties of steel slag and crushed limestone aggregate concretes[J].Construction and Building Materials，2003，17（2）：105-112.

[7]Wu S，Xue Y，Ye Q，et al.Utilization of steel slag as aggregates for stone mastic asphalt（SMA）mixtures[J].Building and Environment，2007，42（7）：2 580-2 585.

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

[9]Sorlini S，Sanzeni A，Rondi L.Reuse of steel slag in bituminous paving mixtures[J].Journal of hazardous materials，2012（209）：84-91.

[10]謝 君.鋼渣瀝青混凝土的制備、性能與應用研究[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[11]廖玉春，王元元，季正軍.確定多孔性鋼渣有效相對密度新方法的研究[J].中外公路，2013，33（3）：216-219.

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

[13]付 其.玄武巖纖維鋼渣粉混凝土的力學性能及抗裂性能分析[D].淮南：安徽理工大學，2016.

[14]高振鑫，申愛琴，翟超偉，等.鋼渣瀝青混合料體積參數測定與水穩定性影響機理[J].交通運輸工程學報，2018，18（2）：1-10.