纖維增強鋼渣改性瀝青混合料抗裂和水穩定性能研究

呂威威

(新疆交投工程咨詢有限責任公司,烏魯木齊 830000)

鋼鐵產業作為我國經濟建設和工業發展的重要原材料,截止2022年鋼渣尾渣等固體廢物堆存量已超過20億t,占比超20余萬畝[1,2]。鋼渣作為碎石材料的替代品是土木工程領域固體垃圾再利用的重要手段之一[3,4]。與傳統的碎石相比,鋼渣具有壓碎值低、耐磨、表面粗糙等優點,但也具有吸水膨脹導致混凝土抗裂性、水穩定性不足等問題[5]。于洋等[6]利用鋼渣結合其他固體廢物制備超高性能混凝土,實現了鋼渣的高摻量再利用。李曉剛等[7]提出了鋼渣的體積安定性評價方法和控制指標。張爭奇等[8]分析了鋼渣摻量、粒徑大小對瀝青混合料的抗滑性能進行了系統分析,并推薦了最佳鋼渣摻量(75%)。由此可見,鋼渣被用于瀝青混合料已經開展較多研究,且得到了較廣泛的發展。然而,在開級配透水混凝土方面的應用卻較少。大孔隙開級配磨耗層OGFC透水瀝青混合料對骨料的力學性能較高,同時要求具有較高的抗滑和水穩定性[9]。鑒于此,結合OGFC的應用要求,研究鋼渣/纖維對改性OGFC的性能影響,為鋼渣在排水瀝青路面工程的推廣應用提供參考。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

試驗用瀝青為新疆某高黏改性瀝青SBS-Ⅰ,瀝青技術指標見表1。

表1 瀝青技術指標

試驗用聚酯纖維厚度約為20 μm,長度為12 mm,斷裂伸長率最高為35%,抗拉強度為600 MPa,滿足路用纖維的性能要求。鋼渣集料來自于河北石家莊某鋼鐵廠提供的轉爐鋼渣,粒徑為4.75～16 mm,顏色為深褐色,表面粗糙多孔,但形狀較為規則且統一,還具有一些囊狀結構,是較優良的鋼渣集料。采用石灰巖骨料配制瀝青混合料,集料堅硬、表面光滑且潔凈、富有棱角、孔隙極少,為機制砂。鋼渣和石灰巖的主要物理性能指標見表2。

表2 集料的基本物理性能

采用XRF對鋼渣和石灰巖的化學組成進行測試,結果見表3。鋼渣的主要化學組成為CaO,主要的化學元素包括鈣、鐵和鋁。鋼渣的堿度為2.72,屬于高堿度鋼渣,與瀝青具有較好的粘附性。鋼渣和石灰巖集料的各項指標均滿足瀝青混合料所用集料的技術標準。

表3 集料的基本化學組成

1.2 試驗方案

采用馬歇爾設計方法,按照體積法配制OGFC-13混合料,對預先篩分好的各檔石灰巖集料及礦粉進行級配組成設計,將鋼渣集料(13.2～16 mm、13.2～9.5 mm、4.75～9.5 mm)分四種不同替代率(25%、50%、75%、100%)等體積替代相同粒級的石灰巖集料;考慮聚酯纖維對瀝青混合料性能的影響,設置了五種纖維摻量(0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%)。根據設定的配合比,采用半圓彎曲試驗探究不同鋼渣摻量和纖維摻量對鋼渣瀝青混合料的低溫抗裂性能。

1.3 配合比設計

采用開級配骨架密實型OGFC-13級配(圖1)。根據開級配瀝青混合料的配合比設計方法,采用析漏試驗和飛散試驗確定最佳瀝青用量。按照經驗法為不同鋼渣替代率下的混合料確定初始瀝青用量,并以0.5%梯度進行試驗,確定不同鋼渣替代率下的最佳瀝青用量;隨后,進一步試驗確定包含不同纖維摻量下的最佳瀝青用量;通過5×36次試驗,確定不同試驗組的最終配合比設計參數,結果見表4。

表4 試驗配合比及對應最佳油石比

由表4可知,在其他因素保持恒定下,最佳瀝青用量隨著鋼渣摻量增加而提高,約0.2%～0.3%/梯度;類似地,在鋼渣摻量不變情況下,最佳瀝青用量受纖維摻量的影響較少,但仍然隨其摻量增加而提高,但僅為0.05%～0.1%/梯度。因為鋼渣的吸水率高于石灰巖,使得在拌合過程中隨著鋼渣增加,瀝青用量逐漸提高。類似地,纖維摻量的增加將使得混合料更加粘稠,此時需要提高瀝青摻量來提高試件的流值。

2 分析與討論

2.1 極限拉應力

根據試驗規程成型馬歇爾半圓試件,并將其在0、-10 ℃、-20 ℃下保溫6 h,采用萬能試驗機測試其低溫抗裂性能,加載速率為5 mm/min,停止荷載為0.1 kN。不同試驗溫度和纖維摻量下,鋼渣替代率對瀝青混合料極限拉應力的結果如圖2所示。總體上,在試驗溫度和纖維摻量相同的情況下,隨著鋼渣摻量的增加,混合料的極限拉應變要么先增大后減少,要么先以低速減少后快速減少;此時判斷最佳鋼渣替代率的方法可通過定點或速率變化的拐點。由此可知,在試驗溫度不變情況下,隨著聚酯纖維摻量的提高,鋼渣最佳替代率將逐漸增加。0 ℃、-10 ℃、-20 ℃下,最佳的鋼渣和纖維摻量組合分別為:25%+0.40%、50%+0.60%、50%+0.60%。因此,在溫度較低時,鋼渣瀝青混合料的最佳摻量應為50%+0.60%,此時與傳統瀝青混合料相比,最大極限拉應力可達6.41 MPa,增加14.08%。此外,瀝青混合料的抗裂性能受試驗溫度的影響較大,纖維的摻入對瀝青混合料的抗裂性有一定促進作用,但過量的摻加也會降低其性能。隨著纖維摻量的提高,在相同的溫度下,極限拉應力先增大后減少,在多數情況下,均在0.60%達到峰值。

2.2 極限拉應變

通常情況下,0 ℃、-10 ℃、-20 ℃下的試驗溫度分別表示粘彈性、玻璃態。在零下溫度,玻璃態的瀝青呈現高脆性狀態,塑性降低,易發生脆性斷裂。因此,針對兩種抗裂類型,除采用上述極限拉應力外,該文還采用極限拉應變來表征抗裂性能,以反映瀝青混合料在0 ℃與負溫條件下的抗裂特征及差異性,結果見表4。總體上,隨著試驗溫度降低,集料拉應變均逐漸降低;無論在何種試驗溫度下,鋼渣和聚酯纖維的摻入對瀝青混合料的抗裂性能的提高均有促進效果,且不同溫度下的改善效果差異顯著。在負溫條件下,纖維的最佳摻量提高0.2%,而鋼渣的最佳替代率也增加,這是因為纖維和瀝青中形成的網狀晶相結構在改善低溫性能方面能發揮重要作用。此外,與對照組相比,發現鋼渣50%+纖維0.60%下,瀝青混合料的極限拉應變增長速度隨溫度降低而增加,而鋼渣0.25%+纖維0.40%卻與此相反,這是因為前者具有更高的瀝青含量,使得纖維、鋼渣、瀝青具有更強的粘附性和裹附效果,進而具有更高的抗變形能力。

表4 極限拉應變結果

2.3 斷裂能

為進一步分析纖維與鋼渣對瀝青混合料低溫抗裂性效果,選擇最佳鋼渣和纖維摻量,計算了不同試驗溫度下的斷裂能指數,即根據荷載-位移曲線,計算出試件不同豎向位移與荷載的乘積和,以表征瀝青混合料從加載至斷裂全過程的荷載和豎向位移,結果如圖3所示。

1)瀝青混合料的斷裂能指數隨纖維摻量均呈波動式變化,最佳纖維摻量為0.60%。分析原因可知,聚酯纖維均勻的分散在混合料中,能夠形成致密的三維網狀結構,能夠對瀝青混合料起到加筋固結效果,且充分分散的纖維可將應力傳遞至各個區域,能夠提高混合料內聚能,因此,在破壞性試驗時,所需的斷裂能更大。與對照組(纖維摻量和鋼渣摻量均為0)相比,三種試驗溫度下,其斷裂能分別提高8.69%、29.7%、30.2%。而在其他摻量下斷裂能減少,可能是因為纖維未能充分分布到瀝青混合料內部的各個區域,使得與骨料的搭接效果并不顯著;而類似地,過多的纖維將導致團聚,進而產生應力集中。

2)不同鋼渣摻量對瀝青混合料斷裂能的影響規律相似,最佳鋼渣摻量為50%;與對照組(纖維摻量和鋼渣摻量均為0)相比,三種試驗溫度下,斷裂能分別提高17.3%、14.92%、12.6%,即隨著溫度減少而逐漸減少,說明與纖維相比,瀝青混合料的溫度敏感性受鋼渣摻量影響更大。產生最佳斷裂能的關鍵在于尋找鋼渣與石灰巖機械嵌擠最佳時機。50%摻量下的鋼渣具有最好搭接效果,使得混合料的內粘聚性能較高。由此可見,根據極限拉應力和極限拉應變得出的最佳纖維和鋼渣摻量能夠產生最佳的抗裂效果,尤其是低溫抗裂性能。

2.4 水穩定性

采用馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂試驗評估水穩定性,結果見表5。與對照組相比,瀝青混合料的殘留穩定度逐漸提高,最大為95.6%,且劈裂強度比也逐漸增加至88.2%,與對照組相比,兩種性能分別提高了7.2%、8.2%,表明鋼渣/纖維改性瀝青混合料具有較好的水穩定性能,且最佳摻量為鋼渣50%+纖維0.60%。

表5 不同溫度下的斷裂能指數

分析其原因可知,鋼渣摻量過大,使得瀝青混合料表面較為粗糙、孔隙增多、脆性增大,而25%和50%鋼渣摻量下能夠獲得較合適的孔隙率。此時,鋼渣-石灰巖的嵌擠結構通過吸附更多的自由瀝青能夠達到相對穩定的狀態,且鋼渣上特殊化學成分及凹槽結構能夠提高與瀝青的咬合力,從而提高鋼渣和瀝青的粘附性。同時,纖維的摻入提高混合料的斷裂韌性,提高了瀝青和纖維的附著力,進而提高整個瀝青混合料的結構整體性。

3 結 論

利用極限拉應力、極限拉應變、斷裂能和殘留穩定度、凍融劈裂強度指標,分析鋼渣替代率和纖維對瀝青混合料的抗裂、水穩定性能的影響。得到主要研究結論如下:

a.鋼渣摻量對瀝青混合料性能影響顯著;0、-10 ℃、-20 ℃下,最佳的鋼渣和纖維摻量組合分別為:25%+0.40%、50%+0.60%、50%+0.60%。

b.與纖維相比,瀝青混合料的斷裂能隨鋼渣的摻量逐漸減少,纖維的摻入可適當提高斷裂能,因此,纖維在鋼渣改性開級配瀝青混合料是必要的。

c.隨溫度降低,鋼渣瀝青混合料的極限拉應力先增大后減少,而極限拉應變和斷裂能持續降低,鋼渣50%+纖維0.60%的組合能產生最佳的抗裂性能,可將斷裂能提高30.2%。

d.鋼渣50%+纖維0.60%可提高8.2%的水穩定性能,在開級配瀝青混合料中摻入鋼渣能夠強化級配,聚酯纖維能夠發揮增粘、加筋作用,提高瀝青混合料水穩定性。