基于路用性能的摻鋼渣透水瀝青混合料設計*

劉明金, 柯望, 李闖民

(1.萍鄉公路勘察設計院, 江西 萍鄉 337000；2.長沙理工大學, 湖南 長沙 410114)

鋼渣產量占鋼鐵總量的12%～15%，中國鋼渣年產量在1億t以上，而鋼渣綜合利用率僅為30%。對摻鋼渣瀝青混合料的研究一直在進行，如Mansour Fakhri等的研究表明，瀝青混合料的間接拉伸強度、抗水損壞能力和抗疲勞性能都隨著鋼渣摻量的增加而提高，而不同應力條件下的相位角降低；Martinho F. C. G.等的試驗結果表明，在瀝青混合料中添加電弧爐鋼渣可提升混合料的高溫穩定性；Kavyashree L.Magadi等的研究表明，與采用傳統集料的瀝青混合料相比，所有含鋼渣瀝青混合料的質量均符合道路運輸和公路行業標準要求;Shen Der-Hsien等的試驗結果表明，與傳統碎石相比，鋼渣的摻入可極大地減少瀝青路面產生的噪音，建議將碎石全部替換為轉爐鋼渣；Hugo Alexander等將不同摻量高爐鋼渣作為粗骨料對石灰巖進行替換，結果表明高爐鋼渣對石灰巖的部分替換使瀝青混合料的路用性能顯著增強，但大量替換后瀝青混合料的路用性能降低，完全替換后路用性能較差；申愛琴等制備4種不同鋼渣摻量瀝青混合料進行四點彎曲疲勞試驗，結果顯示，摻入30%鋼渣時，其疲勞壽命最長。目前對透水瀝青混合料的研究集中在高黏劑的影響分析，鋼渣代替碎石主要集中在密級配瀝青混合料類型，應用于透水瀝青混合料的研究較少。萍鄉市約有近千萬噸的鋼渣堆積成山，污染當地環境。該文采用江西萍鄉萍鋼安源鋼鐵有限公司的鋼渣(下稱萍鋼鋼渣)進行摻鋼渣透水瀝青混合料PAC-13優化設計，研究摻鋼渣透水瀝青混合料的適合摻量、級配和油石比。

1 原材料

1.1 瀝青

根據萍鄉的氣候和交通量特點，選用國產高黏改性瀝青，按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》對其進行性能檢測，結果見表1，滿足CJJ/T 190-2012《透水瀝青路面技術規程》對改性瀝青的技術要求。

表1 HVA高黏改性瀝青性能檢測結果

1.2 萍鋼鋼渣

1.2.1 鋼渣的物理力學性能

將鋼渣作為骨料摻配到瀝青混合料中，與其相關的規范有GB/T 25824-2010《道路用鋼渣》和JT/T 1086-2016《瀝青混合料用鋼渣》，與JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》相比，這2個規范在某些技術要求上有所不同，主要體現在表觀密度、吸水率、針片狀和磨耗值等方面。采用陳伏期1年以上的萍鋼鋼渣(見圖1)，依據JT/T 1086-2016《瀝青混合料用鋼渣》對其進行物理力學性能檢測，結果見表2。

圖1 萍鋼鋼渣

表2 鋼渣的物理力學性能指標

由表2可知：萍鋼鋼渣的各項物理力學性能均滿足JT/T 1086-2016《瀝青混合料用鋼渣》的技術要求，可用來制備摻鋼渣透水瀝青混合料。

1.2.2 鋼渣混合料的穩定性

鋼渣中的游離氧化鈣遇水會生成Ca(OH)2，造成體積膨脹。采用浸水膨脹率評價鋼渣混合料的體積穩定性。依據GB/T 24175-2009《鋼渣穩定性試驗方法》對鋼渣浸水膨脹率進行測試，測試結果見表3。

表3 鋼渣混合料10 d膨脹量

由表3可知：3個鋼渣樣品的浸水膨脹率分別為1.03%、1.08%、1.1%，符合JT/T 1086-2016《瀝青混合料用鋼渣》中鋼渣浸水膨脹率小于1.8%的技術要求。

1.3 粗細集料和礦粉

粗集料選用輝綠巖，細集料為0～5 mm機制砂。根據JTG E42-2005《公路工程集料試驗規程》對其進行檢測，結果見表4、表5。

表4 輝綠巖的性能檢測結果

表5 機制砂的性能檢測結果

1.4 填料

按照JTG E42-2005《公路工程集料試驗規程》對填料進行檢測，結果見表6。

表6 礦粉的性能檢測結果

1.5 纖維穩定劑

采用絮狀木質纖維，其性能檢測結果見表7，滿足規范對瀝青混合料用木質纖維的技術要求。

表7 木質纖維的性能檢測結果

2 摻鋼渣瀝青混合料PAC-13級配優選

影響摻鋼渣瀝青混合料PAC-13配合比設計的因素包括級配、鋼渣摻量及油石比。采用正交試驗對這3個因子進行研究，根據試驗結果確定最佳組合因子。

(1) 級配。級配是影響體積參數的重要因素。構建3條級配曲線，使關鍵篩孔2.36 mm通過率為中值、偏上限和偏下限。該級配合成曲線以各檔輝綠巖的篩分數據為基礎設計，根據各檔規格集料篩分結果，PAC-13合成級配設計結果見表8。合成級配的通過率視為體積通過率。

表8 PAC-13合成級配設計結果

(2) 鋼渣摻量。根據PAC-13級配設計3種鋼渣與碎石比例，考慮到萍鋼細鋼渣的游離氧化鈣和含泥量難以有效抑制，只將鋼渣作為粗集料替換，比例分別為鋼渣∶輝綠巖碎石=25∶75、鋼渣:輝綠巖碎石=50∶50、鋼渣∶輝綠巖碎石=75∶25。中國按照體積的設計理論進行級配設計，對于相對密度差0.2以內的不同集料，這種設計方法不會帶來太嚴重的后果，但如果兩種集料之間密度差別很大，則會造成實際顆粒組成與設計級配嚴重不符。因此，鋼渣與輝綠巖集料密度相差較大時，需對鋼渣進行等體積換算(換算方法見文獻[22])，調整各檔集料之間的質量組成比例，使鋼渣摻入后可保持相同的級配，避免出現級配變化。

(3) 油石比。采用國產高黏改性瀝青，選取3種油石比，分別為4.5%、5.0%、5.5%。

采用L9(34)正交試驗表，在各因子各水平下進行體積參數測定。正交因子水平見表9，正交試驗設計見表10。

表9 正交因子水平

根據表10，選取空隙率、連通空隙率作為優化指標進行試驗，結果見表11。對試驗結果進行極差分析，分析鋼渣摻量、級配、油石比對空隙率和連通空隙率的影響，結果見表12。

表10 正交試驗設計

表11 空隙率和連通空隙率的正交試驗結果

表12 正交試驗結果的極差分析

由表12可知：3個因子對空隙率和連通空隙率的影響程度大小依次為級配、油石比、鋼渣摻量。

PAC-13最佳組合因子條件是滿足體積參數要求、油石比最大、設計空隙率盡量接近目標空隙率，要求空隙率為18%～25%、連通空隙率大于14%、目標設計空隙率為21%，綜合考慮，確定最佳組合因子為級配2、油石比5.0%、鋼渣摻量25%。

3 不同摻量鋼渣瀝青混合料最佳油石比及體積參數

確定最佳油石比的方法，透水瀝青混合料與傳統密級配瀝青混合料不盡相同。對于大空隙瀝青混合料，常使用析漏和飛散試驗確定，析漏試驗確定最大瀝青用量，飛散試驗確定最小瀝青用量。根據析漏損失和飛散損失與油石比的關系確定最佳瀝青用量的合適范圍，一般將該范圍的中值作為最佳瀝青用量。選取級配2，對3種鋼渣摻量混合料與不摻鋼渣的輝綠巖瀝青混合料進行對比，纖維摻量固定為混合料質量的0.3%。確定的最佳油石比和體積參數見表13。

表13 不同鋼渣摻量透水混合料的最佳油石比和體積參數

由表13可知：鋼渣的摻入使PAC-13的最佳油石比增大，鋼渣的多孔特性使其擁有比輝綠巖集料更強的吸油特性；空隙率和連通空隙率隨著鋼渣的摻入略微增加，鋼渣的棱角比輝綠巖更豐富是造成空隙率變大的原因；穩定度也隨著鋼渣的摻入而增大，鋼渣擁有較高的強度是穩定度增大的主要原因；3種摻量混合料的流值、析漏損失和飛散損失均滿足規范要求。

4 摻鋼渣瀝青混合料技術性能試驗與分析

選擇不摻鋼渣和鋼渣摻量為25%、50%、75%的礦料級配，纖維摻量固定為混合料質量的0.3%，在各自最佳油石比下配制透水瀝青混合料進行路用性能試驗。

4.1 高溫穩定性

通過車轍試驗評價摻鋼渣透水瀝青混合料的高溫性能，試驗結果見表14。

表14 摻鋼渣PAC-13瀝青混合料車轍試驗結果

由表14可知：鋼渣的摻入增大了混合料的動穩定度。在50%鋼渣摻量時，車轍深度最小，混合料的動穩定度最大，為5 127次/mm，比不摻鋼渣的輝綠巖混合料提高26.1%，鋼渣的摻入改善了瀝青混合料的高溫穩定性。其原因可能是強堿性鋼渣與弱酸性瀝青發生一系列化學反應，羧基與碳氫鍵結合產生較高的黏聚力，使混合料在高溫條件下抵抗變形的能力增強；同時鋼渣粗糙的表面增強了集料間的嵌擠力，進而提高了混合料的抗剪強度。

4.2 水穩定性

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗研究摻鋼渣透水瀝青混合料的水穩定性，殘留穩定度見表15，凍融試驗強度比見表16。

表15 摻鋼渣PAC-13瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結果

表16 摻鋼渣PAC-13瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

由表15、表16可知：不同鋼渣摻量混合料和不摻鋼渣混合料的殘留穩定度、凍融試驗強度比均滿足規范的技術要求。隨著鋼渣摻量的增加，混合料的水穩定性逐漸增強，鋼渣的摻入提高了瀝青混合料的抗水損害能力。其原因可能在于鋼渣超強的堿性與瀝青中的酸性基團發生反應，鋼渣對瀝青的吸附力比輝綠巖更強，增加了鋼渣-瀝青之間的黏附力。結合浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗結果，相對于輝綠巖，摻鋼渣能提高瀝青混合料的抗水損害能力。

4.3 低溫抗裂性

采用彎曲試驗研究摻鋼渣透水瀝青混合料的低溫性能，試驗結果見表17。

表17 摻鋼渣PAC-13瀝青混合料低溫彎曲試驗結果

由表17可知：摻入鋼渣后，混合料的最大彎拉應變變化不大，鋼渣的摻入并沒有明顯提升混合料的低溫彎拉應變。低溫開裂性能主要受瀝青性質的影響，集料的性質對低溫性能無明顯質的提升。在最大彎拉應變相同的情況下，勁度模量越高，混合料的承載能力越強，隨著鋼渣摻量的增加，透水瀝青混合料的勁度模量增大，說明鋼渣提高了混合料的承載能力。

4.4 體積穩定性

摻鋼渣透水瀝青混合料的體積穩定性關乎鋼渣是否可以應用到瀝青混合料中。為研究因游離氧化鈣的存在而引起的瀝青砼膨脹，檢測摻鋼渣瀝青混合料的體積膨脹率，結果見表18。

表18 摻鋼渣PAC-13瀝青混合料體積膨脹率檢測結果

由表18可知：不同鋼渣摻量下透水瀝青混合料的膨脹率均小于1.5%，滿足規范要求。原因是所用鋼渣在自然條件下已陳伏1年以上，鋼渣自身的游離氧化鈣已消解到限制范圍。隨著鋼渣摻量的增大，瀝青混合料的膨脹率逐漸增大。原因主要是摻入鋼渣越多，混合料中游離氧化鈣越多。

4.5 疲勞性能

瀝青路面設計規范將層底拉應變設置為瀝青混合料層疲勞開裂的控制指標，且拉應變設計在20 ℃條件下進行。采用偏正弦、控制應變的方式對試件進行加載，加載頻率為10 Hz，應變水平控制在400×10-6。對摻鋼渣透水瀝青混合料進行四點彎曲疲勞試驗，試驗結果見表19。

表19 摻鋼渣PAC-13瀝青混合料四點彎曲疲勞試驗結果

由表19可知：鋼渣摻量為25%時PAC-13的疲勞壽命最大，為50%時與輝綠巖混合料持平，75%摻量時疲勞壽命下降。部分鋼渣摻入帶來混合料疲勞性能提升的原因，主要是瀝青混合料的開裂集中在瀝青-礦料界面處，瀝青-礦料的界面強度是影響瀝青混合料疲勞性能的關鍵因素，鋼渣粗糙表面的復雜紋理增大了集料和瀝青之間化學交互作用的接觸面積，且鋼渣集料表面的某些堿活性與瀝青中的酸性基團產生反應，極大增強了鋼渣與瀝青的黏附作用和相容性；鋼渣的多孔特性為瀝青膠漿提供了豐富的浸潤界面，瀝青膠漿可在與鋼渣的接觸面上嵌入一定深度，從而增大了瀝青膜厚度，使瀝青-礦料的界面結構更穩固，混合料的疲勞壽命提高。但過多的鋼渣會使混合料的疲勞壽命降低，其原因是鋼渣摻量大的瀝青混合料的初始勁度模量大，在相同應變水平下受到的疲勞應力增大，疲勞壽命降低。

4.6 動態模量

動態模量是反映瀝青混合料黏彈性的重要指標，也是設計瀝青路面結構的重要參數。選用單軸壓縮試驗測試摻鋼渣透水瀝青混合料的動態模量，加載頻率10 Hz，試驗溫度20 ℃。透水瀝青混合料在最佳油石比下的動態模量試驗結果見表20。

表20 摻鋼渣PAC-13瀝青混合料動態模量試驗結果

由表20可知：摻鋼渣透水瀝青混合料PAC-13的動態模量比不摻鋼渣混合料的高。在相同溫度和荷載條件下，動態模量越大，混合料的抗高溫變形能力越強。可見，鋼渣的摻入提高了混合料的高溫性能。但也存在一個適合摻量，原因是適合的鋼渣摻量在一定程度上提高了透水混合料的整體性。

綜合考慮摻鋼渣瀝青混合料的高溫性能、水穩定性、低溫性能、體積穩定性和疲勞性能，對于PAC-13瀝青混合料，萍鋼鋼渣的最佳級配為級配2，鋼渣適宜摻量為25%～50%，采用體積法進行摻鋼渣瀝青混合料級配合成，用析漏和飛散試驗確定最佳油石比，如此設計的摻鋼渣透水瀝青混合料的綜合路用性能最優。

5 結論

為設計綜合性能最佳的摻鋼渣透水瀝青混合料，選取級配、鋼渣摻量和油石比進行正交試驗制備透水瀝青混合料，以最佳級配、不同摻量鋼渣進行透水瀝青混合料配合比設計和路用性能試驗，獲得以下結論：

(1) 對摻鋼渣透水瀝青混合料空隙率的影響程度依次為級配、油石比、鋼渣摻量。以PAC-13體積參數滿足規范要求為目標，優選的最佳組合因子為級配2、鋼渣摻量25%、油石比5%。

(2) 隨鋼渣摻量增加，透水瀝青混合料的動穩定度、殘留穩定度和凍融試驗強度比均出現不同幅度增長，體積膨脹率增大，最佳摻量為50%。鋼渣摻量為25%，摻鋼渣瀝青混合料PAC-13的疲勞壽命最大。鋼渣的摻入增大了混合料的動態模量，最佳摻量為25%。鋼渣的摻入并未明顯改善瀝青混合料的低溫性能，但彎曲應變滿足規范要求。

(3) 設計綜合路用性能最優的摻鋼渣透水瀝青混合料PAC-13的條件是采用級配2，鋼渣摻量為25%～50%，通過析漏和飛散試驗確定最佳油石比。