鋼渣瀝青混合料路用性能的實驗研究

許建斌

（安徽交通職業技術學院土木工程系， 安徽 合肥 230051）

0 引言

鋼渣是煉鋼過程的副產品，屬于固體廢物，其產量約占鋼鐵產量的15%[1]。在我國，鋼渣的年產量已突破1 億噸，然而其有效利用率較低僅僅為22%左右[2]。因此，將鋼渣作用建筑材料應用于土木工程領域將會大大提高其利用率[3-5]。

在公路工程領域，研究人員開展了一系列關于鋼渣瀝青混合料（Steel Slag Asphalt Mixture, SSAM）的研究與實踐。申愛琴等人借助于多應變水平下的疲勞試驗研究了SSAM 的疲勞性能，并認為摻加鋼渣可提升混合料的疲勞[6]。高振鑫等人研究了鋼渣對瀝青混合料水穩定性的影響機理并認為鋼渣可改善水穩定性[7]。李偉等人研究了SSAM 的層間抗剪切性能，結果顯示SSAM 層間抗剪效果優于普通瀝青混合料[8]。申愛琴等人還研究了鋼渣瀝青路面抗滑性能的衰減過程，結果表明鋼渣的紋理和孔結構特征能夠提高抗滑性能的穩定性[9]。除此之外，隨著近些年瀝青路面自愈合技術的飛速發展，研究人員將鋼渣作為增強瀝青自愈合技術的重要載體廣泛的應用于瀝青混合料[10-11]。綜上所述，將鋼渣當做集料應用于瀝青路面不僅拓寬了鋼渣利用渠道，還能夠改善瀝青混合料的多項性能以及實現瀝青路面的多功能性。本文主要針對鋼渣作粗集料的瀝青混合料的路用性能展開實驗研究，通過對比普通AC-13 型與鋼渣AC-13 瀝青混合料的各項路用性能，進一步明確鋼渣對瀝青混合料性能的影響程度，以期為工程實踐提供參考。

1 材料與實驗方案

在本項研究中，研究鋼渣完全替代粗集料（≥2.36mm）時混合料的路用性能，并且采用玄武巖粗集料成型的瀝青混合料作為實驗對照組。鋼渣與對照組瀝青混合料中細集料均使用玄武巖，填料均采用石灰巖礦粉。集料與礦粉經檢驗均符合規范要求。根據施工技術規范（JTG F40-2004）要求，實驗所用鋼渣已破碎且已存放6 個月以上。

實驗所使用的瀝青為針入度70#基質瀝青，其主要技術指標如表1。

表1 瀝青技術指標

實驗級配采用在我國使用較多的AC-13 型級配，其級配組成如表2 所示。瀝青混合料的設計根據我國規范使用Marshall 法以便為我國類似工程提供參考。

表2 瀝青混合料級配（AC-13）

2 實驗結果與討論

2.1 鋼渣對最佳瀝青用量的影響及分析

根據室內瀝青混合料設計實驗結果可知，SSAM 與普通AC-13 的最佳瀝青用量分別為5.1%和4.3%，即SSAM 的最佳瀝青用量比普通AC-13 高18.6%。Shaopeng Wu 等人曾將鋼渣應用于SMA 瀝青混合料，并得到了鋼渣與玄武巖集料的掃描電鏡圖片，如圖1 所示。根據圖1 可知鋼渣顆粒表面存在很多小孔，而玄武巖集料表面未見明顯孔結構，并且數據顯示鋼渣集料表面的孔隙率是玄武巖集料的24 倍（5.76% VS 0.24%）[12]。由此可見，SSAM 的最佳瀝青用量的增大

圖1 鋼渣（a）與玄武巖（b）的掃描電鏡圖[12]

可能是由于鋼渣顆粒存在較多的孔隙結構，該結構消耗了更多的瀝青，這也會通過增加混合料中瀝青用量增加造價。另一方面由于孔結構吸附了更多的瀝青，即存在一部分瀝青“滲入”鋼渣集料內部，形成的這種結構可能會增強鋼渣集料與瀝青界面的相互作用。

2.2 高溫性能

本研究使用60℃車轍試驗（T 0719-2011）評價兩種瀝青混合料的高溫穩定性能。實驗步驟完全按照實驗規程要求，實驗結果如表3 所示。

表3 車轍試驗結果

由表3 結果可知，兩種瀝青混合料的動穩定度均大于1000 次/min，即兩種瀝青混合料的抗車轍效果均能滿足規范要求。值得注意的是，普通AC-13 的動穩定度明顯低于SSAM，且比SSAM 低約12.3%。所以由上表結果可以看出，AC-13 型SSAM 的高溫抗車轍性能優于普通AC-13，這可能是由于鋼渣顆粒表面較玄武巖集料更為粗糙，在混合料內部提供了更大的摩阻力從而提升了抗車轍性能。并且其孔結構吸附了瀝青提高了瀝青-集料的界面作用，提升了抗車轍性能。

2.3 低溫性能

本研究采用-10℃小梁彎曲實驗（T 0715-2011）評價兩種瀝青混合料的低溫拉伸性能。實驗步驟嚴格按照實驗規程要求，實驗結果如表4 所示。

表4 低溫彎曲試驗結果

由表4 實驗結果可知，在相同低溫（-10℃）狀態下，SSAM 的破壞彎拉應變大于普通AC-13，說明了SSAM 在荷載作用下能承受更大的變形。而且SSAM的彎曲勁度模量明顯小于普通AC-13（約小11.55%）。結果說明了SSAM 的低溫抗裂性能更好。產生這種結果的原因可能是鋼渣粗糙且多孔的表面特征以及鋼渣的堿性性質[13]，促使瀝青與其表面產生更強的粘附性，在低溫狀態下承受更大的彎拉應變而不至于破壞。

2.4 水穩定性

瀝青路面在水與荷載的耦合作用下容易出現松散剝落，即出現水損害。在本研究中使用凍融劈裂實驗（T 0729-2000）評價兩種瀝青混合料的水穩定性。實驗結果如表5 所示。

表5 凍融劈裂實驗結果

由表5 實驗結果可知，兩種瀝青混合料的凍融劈裂強度比均大于75%，即均滿足施工技術規范要求。對比兩種瀝青混合料可知，SSAM 的凍融劈裂強度比雖小于普通AC-13，但兩者差值較小，說明SSAM 的水穩定性較普通AC-13 區別并不明顯。

3 結論

本研究通過室內試驗研究了普通AC-13 與鋼渣AC-13 兩種瀝青混合料，得出主要結論如下：

1）使用鋼渣作為瀝青混合料集料時會增加瀝青用量，其原因是由于鋼渣顆粒表面較為粗糙且存在大量的孔結構，其孔結構也可能會增強集料與瀝青之間的界面相互作用。

2）鋼渣瀝青混合料的高溫抗車轍性能與低溫抗裂性能優于普通AC-13，在實際工程中可使用鋼渣作為集料改善密級配瀝青混合料的高低溫性能。

3）鋼渣瀝青混合料的水穩定性稍弱于普通AC-13 型瀝青混合料，但兩者差別并不十分明顯，在工程應用中應注意其對水穩定能的影響。