不同鋼渣摻量的瀝青瑪蹄脂碎石混合料路用性能

陳偉， 韋金城，*， 徐希忠， 張曉萌， 閆翔鵬， 韓文楊， 戶桂靈， 蘆子朝

(1.山東建筑大學交通工程學院， 濟南 250100； 2. 山東省交通科學研究院科技創新中心， 濟南 250102； 3. 山東省交通規劃設計研究院有限公司， 濟南 250031)

隨著中國經濟的迅速發展，鋼鐵材料在經濟建設中的消耗增長量尤為突出，據統計，2018年世界粗鋼產量達到18.086億t，中國占50%以上。鋼渣是煉鋼過程中產生的副產品，占煉鋼產生廢料的13%[1]。美國、歐洲和其他發達國家鋼渣利用率高達70%～80%[2]，但是中國鋼渣資源利用率只有29.5%，其余的鋼渣被大規模露天堆放或直接填埋處理，不僅占用了土地資源，而且對環境造成了嚴重的污染。這與國家努力實現可持續發展的目標相違背，因此如何有效利用鋼渣引起研究人員的思考。

鋼渣與石灰巖、玄武巖相比具有天然優勢。鋼渣中含有豐富的金屬氧化物，表面粗糙，因為金屬氧化物的聚合，能有效地為鋼渣表面提供粗糙起伏的微觀形態，造成鋼渣之間的表面摩擦力較大[3]。陳雨等[4]將鋼渣、再生集料制成的透水瀝青混合料進行低溫劈裂試驗和動態模量試驗，結果表明：摻入鋼渣后經過凍融循環的瀝青混合料具有較好的高溫抗車轍性。劉興成[5]通過體積法確定了不同鋼渣摻量的OGFC-13瀝青混合料的級配，發現鋼渣摻量為50%時性能較好。Kavussi等[6]通過對鋼渣混合料采用四點彎曲疲勞試驗，證明了含鋼渣的瀝青混合料的抗疲勞性能較好。李偉等[7]用鋼渣代替碎石作為瀝青混合料的骨料分析表明，控制骨料的最大公稱粒徑和瀝青用量在合適的范圍內，可以提高鋼渣瀝青路面的路用性能。劉明金等[8]通過將AC-13中的石灰巖用鋼渣代替，結果表明使用50%～75%的鋼渣代替石灰巖時，鋼渣瀝青混合料的綜合性能最優。Masoudi等[9]通過向溫拌瀝青混合料加入鋼渣進行老化試驗發現，鋼渣可以減緩瀝青混合料的短期老化和長期老化。Motz等[10]通過室內直剪試驗對鋼渣瀝青混合料的各層間抗剪強度進行研究，證明鋼渣瀝青混合料路面的抗剪強度優于普通瀝青混合料路面的抗剪強度。張強等[11]使用等體積法將瀝青混合料中的石灰巖粗集料用不同摻量的鋼渣替代制備鋼渣瀝青混合料并進行性能分析，發現隨著鋼渣的摻入可以提高其高溫性能和水穩定性，但低溫抗裂性和安定性先提高后降低。

綜上所述，將鋼渣摻入瀝青混合料中可以提高混合料的抗滑性、穩定性、抗水損害性、自愈性、抗車轍性能等，但是目前對于SMA-13瀝青混合料最佳鋼渣摻量的研究很少，現使用不同的鋼渣摻量代替普通石灰巖粗集料制備的SMA-13瀝青混合料，進行路用性能分析、體積膨脹性分析，得出SMA-13瀝青混合料路用性能最佳的鋼渣摻量，為后期在實際工程中的應用和發展提供理論基礎。

1 原材料性質

1.1 瀝青

使用的瀝青膠結料是京博石化公司生產的苯乙烯(SBS)改性瀝青，根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)，對該瀝青的常規性能進行了檢測，具體技術指標如表1所示，均滿足規范要求。

1.2 鋼渣和石灰巖粗集料

鋼渣選用山東省日照鋼鐵廠生產熱燜鋼渣集料，為了防止鋼渣遇水發生體積膨脹，將鋼渣置于自然環境中與雨水和空氣充分接觸8個月，基本可以消除鋼渣的體積不穩定性。石灰巖采用的是中國濟南市周邊的優質石灰巖，依據《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)，對粗集料各功能指標進行測試， 具體指標如表2所示，滿足規范要求。

表2 粗集料的特性Table 2 Properties of coarse aggregates

1.3 石灰巖細集料

若瀝青混合料的細集料采用鋼渣細集料，可能會造成混合料較大的體積變化，額外增加瀝青用量[12]，綜合考慮，采用石灰巖細集料作為細集料，具體指標如表3所示。

表3 細集料的特性Table 3 Properties of fine aggregates

1.4 級配組成

為了確定鋼渣SMA-13瀝青混合料的最佳鋼渣摻量，共設計了5種不同鋼渣摻量的瀝青混合料：鋼渣摻量分別為0、25%、50%、75%、100%。其中SMA-13瀝青混合料的粗集料部分由粒徑5～10 mm和10～15 mm的鋼渣和石灰巖按一定比例組合形成，細集料部分采用粒徑0～3 mm的石灰巖，為了防止出現鋼渣與石灰巖集料的密度差值過大，導致實際合成級配曲線與目標級配曲線的偏離，采用體積法[13-14]將石灰巖粗集料替換為摻量不同的鋼渣粗集料，進行馬歇爾擊實試驗，確定最佳瀝青用量，制備鋼渣摻量0、25%、50%、75%、100%SMA-13瀝青混合料，并進行路用性能驗證，具體級配組成如表4所示。

2 試驗方法

2.1 車轍試驗

將鋼渣摻入SMA-13瀝青混合料中，由于鋼渣自身強度原因，通常會提高瀝青混合料的抗車轍性能[15]。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)(T0719)，通過車轍試驗評價瀝青混合料的抗車轍性能，其動穩定度能較好地反映瀝青路面在夏季高溫條件下抵抗車轍形成的能力。試驗采用長度300 mm、寬度300 mm、高度50 mm的標準瀝青混合料試件，每種鋼渣摻量各設置3個平行試件。試件開始前，先將混合料試件放置在(60±1) ℃的恒溫 箱中保溫6 h，確保試件內部溫度穩定在60 ℃。然后將試件放置在試驗溫度60 ℃，橡膠制的實心輪胎與試件的接觸壓強為0.7 MPa，往返碾壓速度為(42±1) 次/min。采用位移傳感器線性可變差動變壓器(linear variable differential transformer，LVDT)收集車轍深度變化，依據時間和車轍深度的變化計算動穩定度。

2.2 漢堡車轍試驗

根據AASHTO T 324-11，漢堡車轍試驗可以評價瀝青混合料的抗車轍性能和水穩定性。首先將旋轉壓實機成型的高度65 mm、直徑150 mm的瀝青混合料圓柱體試件，使用切割機切割成漢堡標準試件，然后把安裝試件的模具，放入(50±1) ℃的水中，使鋼輪在試件上以(52±2) 次/min的速率往復運動。當鋼輪在試件上碾壓20 000次或者位移傳感器LVDT測量的車轍深度達到12.5 mm時，車轍儀自動停止并保存數據。試驗主要通過測定瀝青混合料的車轍深度和加載次數來判定瀝青混合料的早期破壞。

2.3 凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗依據AASHTO T 283，通過瀝青混合料試件凍融前后的劈裂抗拉強度比，評價瀝青混合料的抗水損害能力。標準試件采用馬歇爾擊實，雙面各擊實50次，試件尺寸為直徑100 mm、高度(63.5±2.5) mm，每種鋼渣摻量制作6個試件，將試件分為兩組，一組試驗前放置在25 ℃的水浴中保溫2 h±10 min，另一組試件先抽真空，飽和度應控制在70%～80%，然后將試件放入注水10 mL的塑料袋，再將塑料袋放入-18 ℃的恒溫箱至少16 h，冰凍后放入60 ℃的水浴中24 h，然后將試件移至25 ℃的水浴中浸泡2 h，按照加載速率50 mm/min測定馬歇爾試件的劈裂強度。

2.4 動態模量試驗

動態模量試驗是在無側限的條件下，按照一定的溫度和加載頻率對試件施加偏移正弦波軸向壓應力，測量試件可恢復應變，是模擬瀝青混合料實際路用性能的重要方法。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)(T0738)，將旋轉壓實儀成型的直徑150 mm、高度170 mm的圓柱體試件，每種鋼渣摻量各4個平行試件，通過取芯切割成直徑100 mm、高度150 mm的標準試件。試驗前需要在試驗溫度下保溫最少4 h，采用AST材料試驗機進行測試，并計算動態模量。

2.5 低溫彎曲試驗

瀝青混合料低溫彎曲試驗用于評價瀝青混合料在低溫時抗彎拉破壞的性能。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)(T0715)，將成型的300 mm×300 mm×50 mm的瀝青混合料車轍板試件切割成長度(250±2) mm、寬度(30±2) mm、高度(35±2) mm的棱柱體小梁試件，試驗前將試件放置在(-10±0.5) ℃的溫度下保溫至少45 min，保證試件內部溫度均勻，然后將試件放在跨徑為200 mm的底座上，以50 mm/min的加載速度向試件中部施加荷載，采用位移傳感器LVDT測量跨中撓度，為了減少偶然情況的發生，對每種瀝青混合料采用4次重復試驗，計算出抗彎拉強度、最大彎拉應變和彎曲勁度模量。利用抗裂性反映鋼渣SMA-13瀝青混合料的低溫耐久性。

表4 鋼渣SMA-13級配組成設計Table 4 Steel slag SMA-13 gradation composition

2.6 瀝青混合料膨脹性試驗

根據《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)，當鋼渣作為瀝青路面材料時，必須檢測鋼渣的活性和膨脹性是否達到使用標準。將鋼渣按照瀝青混合料的實際配合比，制作標準馬歇爾試件，每種鋼渣摻量馬歇爾試件制作3個，用游標卡尺在直徑方向測量3個直徑，在高度方向上測定4處，計算初始體積V1，然后將試件放入(60±1) ℃的恒溫水浴中浸泡75 h，然后取出試件冷卻至室溫，觀察外表有無裂縫或鼓包現象，并按照相同方法測量試件體積V2。計算出鋼渣瀝青混合料的膨脹量。

3 試驗結果與分析

3.1 高溫穩定性研究

通過車轍試驗和漢堡車轍試驗得到的動穩定度和車轍深度，分析不同鋼渣測量下SMA-13瀝青混合料的高溫抗車轍性能，進而研究隨著鋼渣的摻入，SMA-13瀝青混合料高溫穩定性的變化規律。如圖1所示，不同鋼渣摻量下的SMA-13瀝青混合料的動穩定度隨著鋼渣摻量的增大而增大，且都大于規范規定值3 000次/mm，直至鋼渣摻量為75%時達到峰值8 035次/mm，然后開始下降，但摻入25%、50%、75%、100%鋼渣的SMA-13瀝青混合料都比不摻鋼渣時的瀝青混合料動穩定度提高至少1/4以上。鋼渣摻量75%的SMA-13瀝青混合料車轍深度為1.19 mm，均比其他摻量的鋼渣SMA-13瀝青混合料的車轍深度小。如圖2所示，在50 ℃水浴條件下進行的漢堡輪轍試驗，檢測的車轍深度隨著鋼渣摻量的增加而減小隨后增大，當鋼渣摻量達到75%時，SMA-13瀝青混合料的20 000次車轍深度達到最小值2.25 mm。加入鋼渣可以使SMA-13瀝青混合料的高溫抗車轍性能提高，因為鋼渣較石灰巖更加堅硬且棱角豐富，抵抗壓力的能力更強，經壓實后的粗集料間可以形成緊密的嵌鎖結構，而且鋼渣呈堿性，內部孔隙較多，與瀝青結合性較好，從而提高了瀝青混合料的高溫穩定性。但隨著鋼渣摻量提高到100%時，所需要的瀝青用量增大，鋼渣孔隙內部的瀝青達到飽和，在相同的壓實條件下，更容易導致泛油和車轍。隨著鋼渣摻量的提高，由于鋼渣獨特的棱角性導致混合料結構更難被壓實，孔隙率和壓實度可能會更難控制，從而導致高溫穩定性下降。

圖1 不同鋼渣摻量下SMA-13車轍試驗結果Fig.1 Wheel tracking test results of SMA-13 with different steel slag content

圖2 不同鋼渣摻量下SMA-13漢堡試驗結果Fig.2 Hamburg wheel tracking test results of asphalt mix with different steel slag content

3.2 低溫抗裂性研究

根據《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)進行低溫彎曲試驗分析SMA-13瀝青混合料在每種摻量下的最大抗彎拉強度和最大彎曲應變，來評價不同鋼渣摻量SMA-13瀝青混合料的低溫抗裂性能，其中最大彎拉應變可以表征瀝青混合料在某一鋼渣摻量下具有較好的低溫抗裂性。如表5所示，不同鋼渣摻量的SMA-13瀝青混合料的最大彎拉應變均大于規范規定，但鋼渣摻量為0時SMA-13瀝青混合料的最大彎拉應變最大，隨著鋼渣摻量的增加SMA-13瀝青混合料的最大彎拉應變開始下降，當鋼渣摻量為75%時，瀝青混合料的最大彎拉應變下降了6.0%。主要是因為鋼渣在露天存放過程中在表面會積聚很多微小粉塵吸附在鋼渣的表面，降低與瀝青的黏附性；隨著鋼渣摻量的提高，雖然瀝青用量增加但上述現象會更加明顯，由此可得SMA-13瀝青混合料中摻入鋼渣會降低其低溫抗裂性能，但鋼渣摻量為75%較鋼渣摻量0時，低溫抗裂性能下降并不大。

表5 不同類型SMA-13瀝青混合料低溫彎曲試驗結果Table 5 Results of low-temperature bending tests on SMA-13 asphalt mixes with different steel slag contents

3.3 水穩定性研究

凍融劈裂試驗的試驗條件比一般浸水試驗更加嚴格，目的是檢驗SMA-13瀝青混合料在不同鋼渣摻量下混合料的抗水損害能力。如圖3所示，隨著鋼渣的摻入，SMA-13瀝青混合料的凍融劈裂比逐漸增加，但增長的幅度不大，直到鋼渣摻量達到75%時SMA-13瀝青混合料的凍融劈裂比達到最大91.5%，比摻量0時增加7.4%，隨后當鋼渣摻量為100%時，下降3.5%。這表明鋼渣的摻入可以提高SMA-13瀝青混合料的水穩定性，主要是因為鋼渣內部有許多微小孔隙，并且鋼渣呈堿性與瀝青結合更加緊密，因此與瀝青結合時可以增大黏附力，提高了混合料的水穩定性。但鋼渣中還有未完全反應的CaO、MgO等有害雜質，與水反應會生成Ca(OH)2、Mg(OH)2對鋼渣SMA-13瀝青混合料的水穩定性造成影響。

圖3 不同類型SMA-13瀝青混合料凍融劈裂試驗結果Fig.3 Freeze-thaw splitting strength ratio of SMA-13 under different steel slag content

3.4 動態模量研究

單軸壓縮動態模量作為瀝青混合料材料的一種重要性能參數，因為動態模量與路面實際材料響應特征更接近，可最大程度上消除靜態荷載作用下材料產生的蠕變等非線性變形，與彈性層狀體系的假設更接近[16]。如圖4所示，在試驗溫度恒定下，所有瀝青混合料的動態模量|E*|均隨著加載頻率f的增加而增大。由于瀝青混合料的材料屬性為黏彈性，在外荷載應力作用下其形變存在一定的延遲性，部分瞬時能量釋放不充分，能量的積累隨著加載頻率的增加逐步升高，也就導致了動態模量|E*|的逐漸加大。當加載頻率相同時，動態模量隨著溫度的升高而下降；當溫度相同時，鋼渣SMA-13瀝青混合料隨著加載頻率的降低而下降。表明溫度的升高會影響鋼渣SMA-13瀝青混合料的動態模量，溫度升高時鋼渣內部孔隙與瀝青的黏附力減低，鋼渣的摻入會伴隨著更多的瀝青用量，上述現象也會更加明顯。依據《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)，所設計的SMA-13瀝青混合料在20 ℃、10 Hz條件下所測的動態壓縮模量需滿足在7 500～12 000 MPa的范圍中，因此如圖5所示，當鋼渣摻量在0和25%時都不滿足規范要求，當鋼渣摻量在50%、75%和100%時所測的動態模量均滿足規范要求因此向SMA-13瀝青混合料中摻入適量的鋼渣可以提高動態模量值。綜上可知，鋼渣的摻入能明顯提高SMA-13瀝青混合料的動態模量，當鋼渣摻量為50%、75%和100%時的動態模量都滿足規范要求，其中75%和100%時動態模量較大，但鋼渣摻量為100%時隨溫度的升高動態模量下降較快，表明鋼渣摻量為100%時的高溫性能較鋼渣摻量75%時差，建議SMA-13瀝青混合料的鋼渣摻入量為75%。

3.5 體積安定性研究

鋼渣中存在的游離氧化鈣(f-CaO)和游離氧化鎂(f-MgO)的含量會隨著鋼渣摻量的增加而增加，它們遇水后都會發生不同程度的膨脹，會導致瀝青混合料出現裂縫等病害[17]，降低道路的使用性能。需要對瀝青混合料進行膨脹性試驗，檢測其體積膨脹率是否滿足規范要求。根據《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)的要求，試驗前后的體積變化是不能超過1.5%，具體試驗結果如表6所示，隨著鋼渣摻量的增加，SMA-13瀝青混合料的體積膨脹率也逐漸增加，主要原因是隨著鋼渣摻量的增加，鋼渣內部剩余的f-CaO和f-MgO的含量也隨之增加與水反應生成Ca(OH)2、Mg(OH)2[18]，導致體積膨脹，影響了瀝青混合料的體積安定性。不同鋼渣摻量的SMA-13瀝青混合料的體積膨脹率均在0.9%以下，都滿足規范要求，表面無裂縫等不良病害出現，可能是此鋼渣的陳化將f-CaO和f-MgO的含量降低的效果較好，且瀝青包裹在鋼渣表明，減少了與水分接觸的機會，從而避免了膨脹的發生。鋼渣SMA-13瀝青混合料的體積安定性與鋼渣摻量成反比。

圖4 不同鋼渣含量的瀝青混合料的動態模量測試結果Fig.4 Dynamic modulus test results of asphalt mix with different steel slag contents

表6 不同類型SMA-13瀝青混合料膨脹性試驗結果Table 6 Results of swelling tests on SMA-13 asphalt mixes with different steel slag contents

圖5 20 ℃、10 Hz下動態模量隨鋼渣摻量的 變化關系試驗結果Fig.5 Experimental results on the relationship between dynamic modulus and steel slag content at 20 ℃ and 10 Hz

4 結論

將不同鋼渣摻量的SMA-13瀝青混合料進行了車轍試驗、漢堡車轍試驗、瀝青混合料彎曲試驗、凍融劈裂試驗、動態模量試驗和瀝青混合料膨脹性試驗研究其路用性能，根據試驗結果，可以得到以下結論。

(1)采用體積替換法將普通石灰巖粗集料替換為不同摻量的鋼渣粗集料，計算出各鋼渣摻量的級配組成，利用馬歇爾擊實試驗得到最佳瀝青用量，制備SMA-13瀝青混合料。

(2)主要對5種不同鋼渣摻量的SMA-13瀝青混合料的高溫穩定性能、低溫抗裂性能、水穩定性、動態模量和體積安定性進行分析研究，并探求其產生的原因。鋼渣的摻入能夠提高瀝青混合料的高溫穩定性和水穩定性，但是會降低其低溫性能和體積安定性；在20、30、40和50 ℃條件下相同的加載頻率下，75%的鋼渣摻量SMA-13瀝青混合料的動態模量優于其他摻量。

(3)綜合不同鋼渣摻量SMA-13瀝青混合料的多項路用性能測試結果，最終建議75%為SMA-13瀝青混合料的最佳鋼渣摻量。