鋼渣的體積膨脹抑制及瀝青混合料性能研究

張金生 董從雷 陳奕辛

(1.江蘇瑞沃建設集團有限公司， 江蘇 揚州 225652；2.東南大學， 江蘇 南京 211189)

0 引言

鋼渣是煉鋼過程中產生的副產品，其生產量大約占粗鋼產量的10%-20%[1,2,3]，但是鋼渣的綜合利用率僅有20%。鋼渣堅硬耐磨，與瀝青的黏附性較好，能有效滿足瀝青路面耐磨、抗滑等功能。但是鋼渣中含有部分以游離態存在的氧化鈣和氧化鎂，遇水后反應產生體積膨脹[4,5]，且持續時間長，從而造成鋼渣在工程應用中具有一定的膨脹隱患。

1 試驗原材料性能

（1）試驗用瀝青為SBS改性瀝青,其技術性能指標見表1；（2）試驗用的粗集料為鋼渣，其物理力學性能指標見表2；（3）試驗用的細集料為玄武巖，表觀相對密度為2.901，砂當量為76.2%；（4）試驗用的填料為石灰巖礦粉，表觀密度為2.697，含水率為0.03%；（5）有機硅防水劑由有機硅樹脂、分散劑、滲透劑和消泡劑等配制而成，其中有機硅樹脂采用丙烯酸改性有機硅樹脂，其技術指標為：固含量≥50%，干燥時間≤1h/25℃，固化時間1.5h/200℃。

表1 SBS改性瀝青性能指標

表2 鋼渣粗集料性能指標

2 有機硅樹脂防水劑改性效果研究

2.1 有機硅樹脂防水劑用量的確定

采用甲苯按用量比1:1稀釋硅樹脂，同時添加4%的助劑（助劑由滲透劑、消泡劑等按一定比例混合而成），配制成硅樹脂防水劑。分別噴灑按鋼渣質量1%、2%、4%、6%的硅樹脂防水劑，在噴灑過程中不斷攪拌，然后放入180℃的烘箱中固化2～3小時，最后取出鋼渣冷卻。

4%的有機硅樹脂防水劑對鋼渣的改性效果最佳，能使鋼渣的吸水率和壓碎值分別降到0.53%和10.1%，這是因為防水劑在鋼渣表面形成一層高強度致密薄膜，封住了細小孔隙和微裂縫，改善了鋼渣的表面微觀結構。

2.2 改性鋼渣與瀝青的黏附性和體積安定性

圖2 鋼渣與瀝青的黏附性

圖3 鋼渣的浸水膨脹率

以4%的硅樹脂防水劑處理后的改性鋼渣為研究對象，測試煮沸3min和30min后改性鋼渣與瀝青的黏附等級。按照《鋼渣穩定性試驗方法》（GB/T 24175-2009）中的方法測試改性鋼渣的浸水膨脹率，制備試件時，小于4.75mm粒徑的集料采用未改性鋼渣，如圖2、3所示。

從圖中可知，鋼渣經過改性處理后，鋼渣與瀝青的黏附性增強，浸水膨脹率降低，說明改性鋼渣表面的硅樹脂涂層起到了很好的隔離水分、阻止水分侵入的作用，從而達到抑制鋼渣體積膨脹的目的。

2.3 改性鋼渣的表面微觀分析

采用SEM觀察4%硅樹脂防水劑處理后的改性鋼渣的表面微觀形貌，改性鋼渣表面放大300和1200倍后的SEM成像圖如圖4所示。

圖4 改性鋼渣表面微觀圖

經過硅樹脂防水劑改性后的鋼渣，表面形成了一層致密的防水薄膜，有效封閉了鋼渣表面的微孔隙和裂紋（肉眼可見的大孔隙并沒有被填補），而且鋼渣表面仍比較粗糙。

3 改性鋼渣瀝青混合料性能研究

3.1 改性鋼渣瀝青混合料配合比設計

本研究采用規范要求的AC-13各個粒徑范圍的中值進行配合比設計，如圖5所示，4.75mm粒徑以上的粗集料采用鋼渣，4.75mm粒徑以下的細集料采用玄武巖，填料采用石灰巖礦粉。由于鋼渣與天然集料在密度方面存在較大差異，因此需要通過體積-質量換算的方法得到不同粒徑范圍內集料的質量占比。

圖5 礦料級配設計圖

按規范成型馬歇爾試件，測出馬歇爾試件的體積參數，并通過馬歇爾穩定度試驗得出試件的穩定度和流值，最后確定玄武巖瀝青混合料、普通鋼渣瀝青混合料和改性鋼渣瀝青混合料的最佳油石比分別為4.6%、5.3%和4.6%，表明鋼渣經過改性處理后，降低了鋼渣對瀝青的吸收量。

3.2 改性鋼渣瀝青混合料路用性能研究

3.2.1 高溫穩定性

三種瀝青混合料均能滿足規范要求，見圖6，但是鋼渣瀝青混合料的動穩定度普遍低于玄武巖瀝青混合料，主要因為鋼渣的力學性能較玄武巖差，且鋼渣瀝青混合料瀝青用量較多，在高溫環境下容易產生車轍變形。改性鋼渣瀝青混合料的動穩定度比未改性鋼渣瀝青混合料提高了20%，說明通過表面改性處理的方式可以增強鋼渣力學性能，提升鋼渣瀝青混合料的高溫性能。

圖6 車轍試驗結果

圖7 低溫彎曲破壞試驗結果

3.2.2 低溫抗裂性

低溫彎曲破壞試驗的結果見圖7，三種瀝青混合料的低溫性能差距較小，普通鋼渣瀝青混合料彎曲破壞應變和抗彎拉強度略大于其它兩種瀝青混合料，這是因為瀝青混合料的低溫性能主要和瀝青混合料的變形能力有關，而變形能力又主要由瀝青種類、用量以及混合料級配組成決定，與集料的力學性能相關性并不大，普通鋼渣瀝青混合料的高瀝青用量對低溫性能有一定的提升作用。

3.2.2 體積穩定性

三種瀝青混合料試件浸水體積膨脹率見圖8，從圖中可知，摻入鋼渣的瀝青混合料試件體積膨脹較大，主要原因是水分與鋼渣接觸，致使鋼渣表面的活性成分反應體積膨脹，玄武巖瀝青混合料產生輕微膨脹的原因是長時間浸水導致瀝青混合料試件內部產生一定的松散。普通鋼渣瀝青混合料經過72h浸水后體積膨脹率達到了2.05%，不能滿足規范JTG F40-2004的要求（＜1.5%），但改性鋼渣瀝青混合料試件的浸水膨脹率大大降低，浸水120h后的浸水膨脹率仍小于1.5%，這說明改性鋼渣的體積穩定性獲得了明顯的提升。

圖8 瀝青混合料的浸水體積膨脹率

3.2.3 水穩定性

凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗的結果見圖9，普通鋼渣瀝青混合料的凍融劈裂強度比與玄武巖瀝青混合料相近，這說明經過凍融處理后，鋼渣與表面的瀝青膜仍然保持較好的黏結狀態，鋼渣尚未與水接觸發生水化反應；但是普通鋼渣瀝青混合料的浸水殘留穩定度達不到規范要求的85%，這說明在長時間的60℃水浴作用下，瀝青與鋼渣之間的粘結力下降程度較大，推測已有部分水分侵入鋼渣內部，引起f-CaO的水化膨脹反應，從而導致鋼渣水穩性變差，上述的浸水膨脹試驗在一定程度上證實了該推測。改性鋼渣瀝青混合料凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗的試驗結果均得到了增強，甚至超過了玄武巖瀝青混合料，尤其是浸水殘留穩定度，從原來的84.3%增長到了91.1%，這說明使用有機硅防水劑對鋼渣進行表面改性處理能改善鋼渣在瀝青混合料中的體積膨脹性，從而使鋼渣瀝青混合料獲得良好的水穩性能。

圖9 瀝青混合料水穩定性試驗結果

4 結語

（1）采用有機硅防水劑對鋼渣表面進行改性處理后，可將鋼渣的吸水率、壓碎值和72h浸水膨脹率分別降至0.53%、10.1%和0.96%。SEM的觀測結果表明，有機硅防水劑能在鋼渣表面形成一層致密的防水薄膜。

（2）與普通鋼渣瀝青混合料相比，改性鋼渣瀝青混合料的最佳油石比降低了0.7%，這說明鋼渣改性處理后能顯著降低鋼渣的吸油量，節約成本。

（3）與普通鋼渣瀝青混合料相比，改性鋼渣瀝青混合料的高溫穩定性和水穩定性均得到了提升，尤其是水穩定性，改性鋼渣瀝青混合料的凍融劈裂強度比和浸水殘留穩定度提升至91.3%和91.1%，優于玄武巖瀝青混合料，此外浸水膨脹率也有著較大降低，滿足規范要求。