粗鋼渣瀝青混合料性能試驗研究

＊謝 斌

（揚州市公路事業發展中心 江蘇 225000）

引言

鋼渣是鋼鐵制造過程中的副產品，每生產3噸鋼材大約會產生1噸鋼渣。我國是鋼鐵生產大國，由此每年生產大約8000萬噸的鋼渣，如何利用好數量如此巨大的廢棄物，是人們必須面對的問題。鋼渣由于含有大量的自由鐵，使材料具有較高的密度和硬度，表現出較高的強度和耐久性，因此不少研究者將鋼渣用作路面的集料[1-2]。此外，由于鋼渣具有較高的摩擦系數和耐磨性，它已廣泛用于需要高耐磨性的工業道路、交叉口和停車區域等[3]。Asi等[4]評估了含鋼渣的瀝青混合料的抗滑性能，認為含30%鋼渣的AC型瀝青混合料具有最高的抗滑性能。Wu等人[5]研究了鋼渣在SMA瀝青混合料中用作粗集料的可行性，研究結果表明，將石灰石粗骨料替換為鋼渣骨料后，最多可提高瀝青混合料的力學性能達75%，將鋼渣用作骨料提供了一種新的、更具成本效益的廢棄資源利用方法。我國一些學者對鋼渣在瀝青混合料中的應用也進行了不少研究[6-7]，得出的結論和國外學者是一致的。

在公路鋼渣瀝青工程領域，項目研究人員們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。將鋼渣當做集料應用到瀝青路面的鋪設中（圖1），不僅拓寬了鋼渣利用途徑，還能夠改善瀝青混合料的多項性能，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，通過對比不同成分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，以期為后續的道路施工提供參數。

圖1 鋼渣瀝青路面圖

但受鋼渣處理工藝和設備的限制，我國部分鋼鐵廠生產的鋼渣集料存在著體積穩定性不良、含灰量較大等問題。低品質鋼渣集料也直接導致我國早期修建的幾條鋼渣瀝青混凝土路面試驗段質量變異性較大。本研究對河北某鋼廠采用新工藝后產生的廢鋼渣用于瀝青混合料的可行性展開研究，在兩種不同級配的瀝青混合料（AC-10和AC-13）中分別采用兩種不同的粗集料（鋼渣和石灰巖），對不同瀝青混合料進行組成設計，并測試其馬歇爾性能指標、蠕變勁度模量和劈裂強度，為鋼渣的推廣應用提供指導和參考。

1.原材料

(1)瀝青

本研究使用SBS改性瀝青，相關性能測試結果如表1所示，滿足相關規范要求。

表1 SBS改性瀝青性能檢測結果

(2)集料和鋼渣

本文所用天然集料為石灰巖，所用礦粉為石灰巖磨制而成。本研究所用鋼渣來自河北某廠，粒徑為5～10mm。天然石灰巖集料和鋼渣的相關性能測試結果如表2所示，鋼渣成分測試結果如表3所示。

表2 粗骨料性能測試結果

表3 鋼渣主要成分測試結果

表2測試結果表明，天然石灰巖集料的密度小于鋼渣，這是由于鋼渣含有鐵質成分，因此密度較大，磨耗值較小。但由于鋼渣表面多孔，故其吸水率也較大。這些性能的不同均會對瀝青混合料性能造成影響。

表3表明鋼渣中含有大量的CaO，遇水會導致體積膨脹，這也是鋼渣瀝青混合料體積安定性不良的根本原因，但同時CaO也是一種活性成分，其水化物具有一定的粘結能力[8]，也會對瀝青混合料性能產生影響。

2.瀝青混合料組成設計

本研究包括兩種級配（AC10和AC13）和兩種粗集料（石灰巖和鋼渣），共設計四種瀝青混合料，分別記為AC10-石、AC10-鋼、AC13-石和AC13-鋼。AC10-石和AC13-石中同粒徑集料全部由鋼渣替代。根據設計結果，AC10-石、AC10-鋼、AC13-石和AC13-鋼的最佳油石比分別為5.5%、5.7%、4.9%和5.1%，可見，由于鋼渣的多孔性，導致使用鋼渣瀝青混合料的最佳油石比較大，比常規瀝青混合料最佳油石比提高了0.2%左右。

3.性能測試結果和討論

對四種瀝青混合料的馬歇爾指標、劈裂強度、蠕變勁度模量進行測試，每組試驗取4個平行試件。

(1)馬歇爾試驗

馬歇爾試驗測試結果如表4所示，其中馬歇爾模數為穩定度和流值之比，該值較高表明瀝青混合料在相同變形條件下所需的力較大，表明瀝青混合料可能具有更高的抗變形能力[9]。

表4 瀝青混合料馬歇爾指標測試結果

如表4所示，鋼渣瀝青混合料比相應的石灰巖瀝青混合料表現出更高的馬歇爾穩定性和更低的流值。穩定度和流值是馬歇爾試驗的重要指標，瀝青混凝土的馬歇爾穩定度反映了其在交通荷載下抵抗推擠和車轍的能力，流值則是瀝青混凝土變形而不發生開裂的能力。表4測試結果還表明，鋼渣瀝青混合料的馬歇爾模數高于石灰巖瀝青混合料，如前所述，馬歇爾模數是衡量材料抵抗永久變形能力的指標，在AC10級配中，鋼渣瀝青混合料的馬歇爾模數提高了47.8%，在AC13級配中，這一值提高為47.9%，表明鋼渣可有效提升瀝青混合料抵抗車轍變形的能力[10-11]。

(2)蠕變勁度模量

馬歇爾模數是表征瀝青混合料抗車轍性能的經驗性指標，為此，本研究還測試了不同瀝青混合料的蠕變勁度模量，可從力學角度反應混合料的高溫抗變形性能。本研究分別在40℃和60℃下測試了瀝青混合料的蠕變勁度模量，結果如表5所示。

表5 瀝青混合料蠕變勁度模量測試結果

由表5測試結果可見，①溫度對瀝青混合料的蠕變勁度模量有較大影響，溫度越高，混合料的蠕變勁度模量越小，這是由瀝青混合料的軟化造成；②與石灰巖瀝青混合料相比，鋼渣瀝青混合料在40℃和60℃時均表現出更高的蠕變勁度模量，說明混合料永久變形的抵抗能力得到了顯著改善。以60℃時為例，無論是在AC10級配還是AC13級配中，鋼渣使得瀝青混合料的勁度模量提高了近3倍，明顯改善了瀝青混合料的高溫性能。究其原因，一方面鋼渣的表面摩擦系數更大，使得鋼渣-集料骨架在荷載作用下不易變形，另一方面鋼渣表面的多孔使得其與瀝青的物理吸附能力更高，有助于提升瀝青膠結料的抗變形能力[12]。

(3)劈裂強度

對瀝青混合料的劈裂強度進行了測試，包括常規劈裂強度和凍融劈裂強度，并計算了凍融劈裂強度比以反映瀝青混合料的水穩定性。測試結果如表6所示。

表6 瀝青混合料劈裂強度測試結果

表6測試結果表明，含鋼渣粗骨料的瀝青混合料的劈裂強度高于含石灰巖骨料的瀝青混合料，表明鋼渣瀝青混合料具有更高的內聚力，間接反映了鋼渣與瀝青之間的吸附能力更高。除此之外，鋼渣瀝青混合料的凍融劈裂強度比也高于石灰巖瀝青混合料，說明前者對水的影響更為不敏感，有助于提高瀝青混合料的水穩定性，這是由于一方面鋼渣與瀝青之間的物理吸附能力更強，另一方面鋼渣中活性成分的水化產物也有助于提高鋼渣與瀝青的粘結[13]。

4.結論

通過以上實驗研究的測試數據分析，發現鋼渣瀝青混合材料具有很高的利用價值，得出以下結論：

（1）根據馬歇爾穩定性和流值試驗的結果，鋼渣增加了瀝青混合料的穩定性，降低了其流動性，且鋼渣瀝青混合料具有更高的馬歇爾模數。

（2）鋼渣對瀝青混合料蠕變勁度模量的提升幅度在3倍左右，顯著改善了瀝青混合料的高溫抗車轍性能。

（3）鋼渣瀝青混合料比石灰石瀝青混合料具有更好的內聚強度，且前者的水穩定性更優，有助于在潮濕多雨地區使用鋼渣瀝青混合料[14]。

（4）本研究所用鋼渣可用于瀝青混合料，一方面實現了廢棄資源的利用，另一方面改善了常規瀝青混合料的性能。