鋼渣瀝青混合料路用性能及粗集料棱角性分析研究

王恩波 王小冬 侯博元

摘 要：為了研究鋼渣對瀝青混合料路用性能的影響，本文通過試驗對比分析了以玄武巖和鋼渣為粗集料時，AC-13和SMA-13兩種瀝青混合料的高溫穩定性﹑低溫抗裂性﹑水穩定性﹑抗滑性和動態流變性能，并由數字圖像分析技術對比了SMA-13中玄武巖和鋼渣顆粒的棱角性。試驗結果顯示：鋼渣對AC-13的高溫穩定性起弱化作用，對SMA-13的高溫穩定性起增強作用;鋼渣對AC-13和SMA-13的低溫抗裂性﹑水穩定性和抗滑性都起到明顯的增強作用，且能提高兩種瀝青混合料在高溫和低溫時的車轍因子，改變瀝青混合料的動態流變屬性;相比于玄武巖顆粒，鋼渣顆粒的棱角性更明顯。

關鍵詞：道路工程;鋼渣瀝青混合料;路用性能;動態流變性能;棱角性

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）10-0178-04

Analysis and Research on Pavement Performance and Rough Aggregate Angularity of Steel Slag Asphalt Mixture

Wang Enbo1， Wang Xiaodong2， Hou Boyuan3

（1. Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China; 2. China United Northwest Institute for Engineering Design & Research Co.， Ltd.， Xi an 710082， China ; 3. Beijing Anjie Engineering Consulting Co.， Ltd.， Beijing 100037， China）

Abstract：In order to study the influence of steel slag on the pavement performance of asphalt mixture， this paper compares and analyzes the high temperature stability， low temperature crack resistance， water stability， skid resistance and dynamic rheological properties of AC-13 and SMA-13 asphalt mixtures when basalt and steel slag are used as coarse aggregates through experiments， and by digital image analysis technology compared SMA-13 basalt and steel slag particles angularity. The results show that steel slag weakens the high temperature stability of AC-13 and enhances the high temperature stability of SMA-13， and steel slag enhances the low temperature anti-crack water stability and anti-slide property of AC-13 and SMA-13， the rutting factor of two kinds of asphalt mixture at high and low temperature can be improved， and the dynamic rheological property of asphalt mixture can be changed， compared with basalt particles， the angularity of steel slag particles is more obvious.

Key words：road engineering; slag asphalt mixture; road performance; dynamic rheological performance; angularity

0 前言

鋼渣是煉鋼時產生的副產物，在我國每年的產量都維持在一億噸作用，但其利用率僅為25%左右[1～3]，大量的廢棄鋼渣不僅占用了大量的土地，而且對環境造成了極大的污染[4～5]，因此如何合理利用鋼渣對經濟社會至關重要。另一方面隨著我國道路交通事業的迅速發展，且對環境保護的要求越來越高，傳統的路面碎石集料來源受到越來越多的限制[6～8]，因此尋求優質穩定的新型道路材料具有重要的現實意義。而鋼渣具有良好的棱角性，較高的硬度和強度，耐磨性能好，力學性質與天然石料較接近[9～10]，將其應用在道路工程中，不僅能實現廢棄材料的再利用，而且能對節省工程造價和保護環境產生良好的效應。然而將鋼渣摻入瀝青混合料中，瀝青混合料路用性能會發生怎樣的改變，值得深入研究。基于此，文章選用AC-13和SMA-13兩種瀝青混合料，測定鋼渣摻入后兩種瀝青混合料路用性能和動態流變性能的變化規律，分析鋼渣在道路工程中利用的可行性，為鋼渣的循環再利用提高理論參考。

1 原材料

瀝青選用AS70#基質瀝青，基質瀝青主要技術指標如表1所示;鋼渣采用北京某公司生產的陳伏鋼渣，經過篩分后取4.75～16mm為試驗所用，經測定鋼渣的各項物理力學性能指標均能滿足《公路工程集料試驗規程》（JTGE 42—2005）的要求，鋼渣主要化學成分如表2所示。AC-13和SMA-13的合成級配如表3所示。經馬歇爾試驗確定的玄武巖AC-13﹑鋼渣AC-13﹑玄武巖SMA-13和鋼渣SMA-13四種瀝青混合料的最佳油石比分別為4.9%、5.2%、4.0%和4.3%。

2 鋼渣瀝青混合料路用性能

對4種瀝青混合料分別進行車轍試驗﹑小梁低溫彎曲試驗﹑浸水馬歇爾試驗和抗滑性能試驗，對比分析4種瀝青混合料的路用性能指標，研究鋼渣對瀝青混合料路用性能的影響，試驗結果如表4所示。

從表4可以看出，鋼渣AC-13瀝青混合料的動穩定度小于玄武巖AC-13，而鋼渣SMA-13瀝青混合料的動穩定度大于玄武巖SMA-13，表明瀝青混合料級配類型不同，鋼渣對高溫穩定性的影響不同。解釋其原因主要為，在骨架密實結構中，粗集料顆粒相互嵌擠，相比于玄武巖顆粒，鋼渣骨料顆粒相互接觸時具有更高的內摩阻力，因此對瀝青混合料高溫穩定性起到改善作用;而在懸浮密實結構中，鋼渣顆粒與細集料的物理屬性不同，在外力作用下更容易隨細集料發生流動變形，因此反而對瀝青混合料高溫穩定性起弱化作用。鋼渣AC-13瀝青混合料和玄武巖AC-13瀝青混合料的彎拉應變值差別較小，而在SMA-13瀝青混合料中，鋼渣的摻入明顯提高了彎拉應變;AC-13和SMA-13兩種瀝青混合料中，鋼渣的摻入都能明顯提高瀝青混合料的斷裂能，表明鋼渣能改善瀝青混合料的低溫抗裂性，且對SMA-13的改善效果更明顯。這是因為鋼渣瀝青混合料瀝青用量更大，低溫荷載作用下瀝青混合料的變形能力更好，因此低溫抗裂性更佳。

AC-13和SMA-13兩種瀝青混合料，用鋼渣代替玄武巖粗集料后，兩種瀝青混合料的馬歇爾殘留穩定度均有所提高，表明鋼渣能提高瀝青混合料的水穩定性。解釋其原因主要為，鋼渣本身在高溫水環境下的膨脹率較小，且鋼渣呈堿性，與酸性的瀝青有更強的粘結力，在水作用下發生剝落的可能性較小，因此瀝青混合料水穩定性更佳。AC-13和SMA-13兩種瀝青混合料中，以鋼渣替代玄武巖粗集料都會使路面的動態摩擦系數增大，抗滑性能得到改善，這主要是因為鋼渣自身的磨耗值大于玄武巖集料，鋼渣表面更佳的紋理結構能為路面提供更好的摩擦力，因此提高了抗滑性。

3 鋼渣瀝青混合料動態流變性能

為了研究鋼渣對瀝青混合料動態流變性能的影響，利用動態模量試驗，測定4種瀝青混合料復數模量E*和相位角δ 隨加載頻率的變化規律，并得到10℃和45℃時瀝青混合料的車轍因子E*/sin δ，評價低溫和高溫時4種瀝青混合料的動態流變性能，試驗結果如圖1所示。

從圖1可以看出，在低溫條件下，同種集料的AC-13和SMA-13瀝青混合料的車轍因子相差很小，而當瀝青混合料級配相同時，以鋼渣為粗集料的瀝青混合料的車轍因子明顯大于以玄武巖集料為粗集料的瀝青混合料，表明低溫時瀝青混合料的動態流變性主要取決于粗集料種類，受混合料級配類型的影響較小。這主要是因為低溫時瀝青模量和粘聚力較大，對瀝青混合料整體的承載力貢獻較多，因此級配類型對動態流變性能的影響較小。而集料不同，瀝青混合料低溫受力時整體的骨架承載力不同，相比于玄武巖集料，鋼渣具有更高的力學強度，因此鋼渣瀝青混合料的車轍因子更大。

高溫時相同集料的瀝青混合料，SMA-13的車轍因子明顯大于AC-13，當瀝青混合料級配類型一致時，鋼渣瀝青混合料高溫時的車轍因子明顯大于玄武巖瀝青混合料。這主要是因為高溫時，瀝青粘度降低，粘性成分比例增大。此時SMA-13良好的骨架結構有利于抵抗荷載作用下瀝青混合料的變形的能力較好，因此車轍因子大于AC-13。瀝青混合料級配類型相同時，鋼渣較好的力學強度為瀝青混合料提供了更好的承載力，因此比玄武巖瀝青混合料的車轍因子大。

4 粗集料棱角性分析

為了探究鋼渣對瀝青混合料性能的改善機理，選用SMA-13瀝青混合料，利用數字圖像技術對瀝青混合料中兩種集料的棱角性進行對比分析。

分析時將粗集料顆粒看成是與圖形區域擁有相同二階中心矩的橢圓，等效橢圓表征了圖形整體的輪廓形狀。選取的評價集料棱角性的的二維參數指標有：

（1）表征集料宏觀形狀的等效橢圓的偏心率：對應在圖形上即為橢圓的離心率，偏心率的大小代表了集料形狀偏圓或是細長。

（2）棱角性指標J：表征集料輪廓的復雜程度，計算公式如下：

式中：P為顆粒輪廓周長;Pe為等效橢圓周長。

表征集料輪廓飽滿程度的填充系數：對應到圖形中即為圖形面積與外接盒面積的比值。

表征集料細觀棱角個數的Harris角點個數。

圖2為兩種粗集料對應的SMA-13時間界面的拍攝照片，將其通過MATLAB軟件進行灰度化、圖像增強和圖像分割之后，濾去4.75mm及以下的顆粒和瀝青膠漿，得到粗集料的二值圖，如圖3所示。

將圖3對應的圖像在MATLAB中計算等效橢圓的偏心率、棱角性指標和填充系數。將二值圖壓縮至283×283像素（如圖4所示），搜索兩種瀝青混合料中粗集料的角點數，其中玄武巖SMA-13中搜索到265個角點，鋼渣SMA-13中搜索到326個角點。利用MATLAB對harris函數公開代碼計算得到平均每個集料擁有的角點個數。圖像分析的結果如表5所示。

從表5可以看出，玄武巖粗集料的等效橢圓偏心率和棱角性指標小于鋼渣，表明鋼渣集料表面的邊緣復雜程度較高;玄武巖的填充系數大于鋼渣，平均角點個數小于鋼渣，表明鋼渣的棱角性較強。這就解釋了鋼渣瀝青混合料比玄武巖瀝青混合料路用性能較佳的原因。

5 結論

鋼渣對瀝青混合料高溫穩定性的影響與集料級配類型有關，對AC-13起弱化作用，對SMA-13起增強作用;鋼渣能明顯改善AC-13和SMA-13瀝青混合料的低溫抗裂性﹑水穩定性和抗滑性。

低溫時瀝青混合料的車轍因子受集料級配類型的影響較小，而高溫時SMA-13的車轍因子明顯大于AC-13，這主要與高低溫時瀝青的粘彈性變化有關;高低溫狀態時，鋼渣的摻入都能明顯提高瀝青混合料的車轍因子，改變瀝青混合料的動態流變性能。

由數字圖像分析可知，相比于玄武巖顆粒，鋼渣顆粒的棱角性更明顯，顆粒表面的邊緣復雜程度更高。

參考文獻

[1]柴軼凡，彭軍，安勝利.鋼渣綜合利用及鋼渣熱悶技術概述[J].內蒙古科技大學學報，2012（03）：250-253.

[2]申愛琴，喻沭陽，郭寅川，等.鋼渣瀝青混合料疲勞性能及改善機理[J].建筑材料學報，2018（02）：327-334.

[3]2009年-2015年鋼鐵渣數據統計表[J].中國廢鋼鐵，2016（01）：32-35.

[4]孫鵬翔.鋼渣瀝青密集配混合料路用性能試驗研究[D].沈陽：沈陽建筑大學，2012.

[5]朱光源，王元綱，黃凱健，等.礦物細摻料對鋼渣集料膨脹性的抑制作用[J].森林工程，2019（01）：87-92.

[6]鄒浩娜，馮勇.鋼渣浸水陳化處理時間分析研究[J].粉煤灰綜合利用，2016（01）：24-26.

[7]阮文，胡圣魁，陳澤宏，等.基于膨脹機理的鋼渣基層材料安定性研究[J].公路，2013（04）：169-174.

[8]張光明，連芳，張作順，等.鋼渣中的f-CaO及穩定化處理的研究進展[J].礦物學報，2012[C] ：203-204.

[9]林志偉，顏峰，郭榮鑫，等.富水環境下鋼渣骨料體積膨脹行為及抑制方法研究現狀綜述[J].硅酸鹽通報，2019（01）：118-124.

[10]盧發亮，李晉.濟鋼轉爐鋼渣瀝青混合料路用性能研究[J].中外公路，2013（04）：259-263.