鋼渣瀝青混合料路用性能試驗研究

摘 要：為了對鋼渣瀝青混合料路用性能進行評價，文章通過馬歇爾試驗確定了AC-10混合料密級配下粗鋼渣與細鋼渣的最佳瀝青用量，并進一步開展了車轍試驗、彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂抗拉試驗。試驗結果表明：鋼渣摻入后，最佳瀝青用量增大，高溫穩定性以及水穩性均略有增大，低溫抗裂能力下降，各項指標均符合規范要求。

關鍵詞：瀝青混合料；路用性能；最佳瀝青用量；粗細鋼渣

中圖分類號：U414.1

0"引言

隨著我國基礎建設的發展，公路建設也逐步邁入快速發展時期，同時對優質道路基層材料的需求量也在日益增加。據不完全統計，僅2020年一年，我國的砂石消耗量就高達180×108 t，嚴重影響生態環境。鋼渣與碎石性能相似，具有堅硬耐磨等優點，在一定程度上可代替石料作為天然集料。同時，鋼渣作為煉鋼的副產品，年產量超過億t，若能采用鋼渣代替天然集料，則可有效提高路面質量以及社會經濟效益與環境效益。因此，研究鋼渣瀝青混合料的道路基層材料路用性能顯得尤為關鍵。

近年來，國內外研究學者針對鋼渣廢料的利用開展了大量的研究。Yildirim IZ等［1-2］分析了不同類型鋼渣的物理性能、力學性能以及化學成分。Asi I M等［3］將瀝青混合料中部分粗集料用鋼渣替代，分析了不同鋼渣摻量下瀝青混合料的力學性能，結果表明：鋼渣摻入量為30%時，瀝青混合料的路面抗滑性能大幅提高，鋼渣摻入量為75%時，所有混合料的力學性能均有提高。孟文清等［4］研究了不同摻量下鋼渣礦粉煤矸石混合料的力學性能，并利用Minitab軟件建立回歸分析模型，揭示了混合料強度與相對摻量之間的關系。白卿等［5］為提高鋼渣的利用效率，將鋼渣加入混凝土中，研究了鋼渣-混凝土的抗凍性、耐久性、抗鹽蝕性等性能，總結了鋼渣-混凝土存在的問題并對其進行進一步改良。張爭奇等［6］為研究鋼渣對瀝青混合料的影響，利用國際摩擦指數、鋼渣摻配比例、摻配集料類型等多指標，綜合評價了混合料的抗滑耐久性，結果表明75%鋼渣+25%玄武巖/石灰巖瀝青混合料的抗滑耐久性最優。陳偉等［7］配制了不同鋼渣摻量下的瀝青混合料，通過車轍試驗、凍融劈裂試驗以及膨脹性試驗等，分析得出混合料的最佳鋼渣摻量。李金麗［8］為尋求鋼渣二次利用方法，將鋼渣摻入混凝土混合料中，研究了鋼渣摻量對混凝土密度、坍落度以及抗壓強度的影響，結果表明當鋼渣摻量為25%時，混凝土抗壓強度取得最大值44.2 MPa。劉營等［9］將鋼渣替換集料應用于道路工程面層瀝青混合料中，研究了不同條件下鋼渣瀝青混凝土的性能。

上述學者的研究主要集中于鋼渣的利用，較少涉及不同鋼渣摻量下瀝青混合料路用性能的評價。因此，本文基于前人研究的基礎，分析了粗細鋼渣摻入對瀝青混合料的影響，同時通過高溫穩定性、馬歇爾水穩性、凍融劈裂水穩性以及低溫抗裂性試驗綜合評價鋼渣瀝青混合料的路用性能，該研究可為道路基層材料的配制提供相應參考。

1"原材料

試驗集料采用粗鋼渣、細鋼渣、瀝青以及玄武巖骨料等。

1.1"鋼渣

本次試驗粗鋼渣顆粒粒徑為5～9 mm，細鋼渣顆粒粒徑為0～3 mm，鋼渣形狀較為均勻，顏色為灰色，粗鋼渣表面分布有大量孔隙。如表1所示為粗細鋼渣基本物理性能。

由表1可知，粗鋼渣與細鋼渣均呈現堅固性好、粘附性強、吸水率高等特點，各項指標符合規范要求。

如下頁表2所示為粗細鋼渣化學成分分析。由表2可知，粗細鋼渣的化學成分相同，均以鈣、鎂、鐵、硅等氧化物為主，含量占總值的90%以上。

鋼渣的堿度值R可以反映鋼渣的活性，如式（1）所示為鋼渣的堿度計算公式：

R=ωCaOωSiO2+P2O5（1）

利用化學成分含量分別計算粗鋼渣與細鋼渣的堿度值，其中粗鋼渣R=3.141＞1，細鋼渣R=3.133＞1。說明粗細鋼渣均易與瀝青發生化學反應，是一種良好的混合料。

1.2"瀝青

為獲取瀝青的主要性能指標，對瀝青開展相關試驗，試驗結果如表3所示。試驗結果均滿足規范要求。

1.3"玄武巖骨料

如表4所示為玄武巖骨料的基本性能，其技術指標均符合《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）所規定的基本要求，因此玄武巖骨料可作為天然骨料。

2"配合比及試驗方法

2.1"級配設計

本試驗瀝青混合料采用AC-10混合料密級配，根據相關規范確定玄武巖骨料、粗鋼渣瀝青混合料以及細鋼渣瀝青混合料的級配情況。如表5所示為混合料級配情況。

2.2"最佳瀝青用量

為確定瀝青混合料的最佳瀝青用量，本文在空隙率相同的條件下，預選不同油石比，根據相關規范要求，制作馬歇爾試樣并測定其各項指標，根據式（2）～（4）確定最佳油石比。

OCA1=a1+a2+a3+a44（2）

OCA2=OCAmin+OCAmax2（3）

OCA=OCA1+OCA22（4）

式中：OCA——最優油石比；

a1——密度最大值的油石比；

a2——穩定度最大值的油石比；

a3——目標空隙率的油石比；

a4——瀝青飽和度中值的油石比；

OCAmin以及OCAmax——計算結果中符合規范內的油石比最小值與最大值。

不同級配下混合料的最佳瀝青用量如表6所示。

3"試驗方法

為進一步評價粗細鋼渣瀝青混合料的路用性能，本文對瀝青混合料開展了車轍試驗、彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂抗拉試驗。

3.1"車轍試驗

依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）規范要求，制作試驗試塊，試塊尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，瀝青混合料用量為11.7 kg。試塊成型后，將試件板和試模于常溫放置48 h后，再放入自動車轍試驗儀中進行車轍試驗。

3.2"彎曲試驗

根據相關規范要求，制作12個尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的標準條狀試件，將試件放置于恒溫箱中，待試件內部溫度為-10 ℃時，將試件取出并進行彎曲試驗，測得各試件抗彎拉強度、最大彎拉應變以及彎曲勁度模量。

3.3"浸水馬歇爾試驗

制作標準馬歇爾試件后，將其放置于恒溫水槽中48 h，利用馬歇爾擊實儀以及馬歇爾穩定度測定儀測定浸水后試件的殘留穩定度，評價瀝青混合料的水穩定性。

3.4"凍融劈裂抗拉試驗

通過馬歇爾擊實法制備標準圓柱試塊，將試塊放入真空箱中進行飽水處理，飽水后的試塊放入恒溫冰箱（溫度-18 ℃）16 h，將凍后的試塊取出并放入60 ℃恒溫水槽中24 h，最后將處理后的試塊放入恒溫水槽（溫度25 ℃），時間應≥2 h，待保溫完成后，對試塊開展劈裂試驗，測定試塊的凍融劈裂水穩定性。

4"粗鋼渣與細鋼渣瀝青混合料試驗結果分析

4.1"高溫穩定性分析

4.1.1"粗鋼渣瀝青混合料高溫穩定性

瀝青路面需具備較好的耐熱性能，以保障高溫條件下瀝青路面不會發生較大的形變以及車轍。目前，常采用車轍試驗來驗證瀝青路面的高溫穩定性，根據規范進行粗鋼渣瀝青混合料車轍試驗，測定其動穩定度，試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，不同粗鋼渣含量下瀝青混合料的穩定度均大于規范所規定的2 400次/mm。當粗鋼渣摻量為0時，即天然骨料（玄武巖骨料）瀝青混合料的動穩定度僅為3 027次/mm，而隨著摻量的增加，動穩定度出現先增大后減小的變化趨勢，其中動穩定度最大值出現在粗鋼渣含量為36%時。由此可知，粗鋼渣的摻入有助于提高混合料的高溫穩定性，而當粗鋼渣摻量過多時，會消耗大量瀝青，且瀝青耐高溫性較差，在高溫下容易被軟化。因此，當粗鋼渣含量＞54%時，動穩定度降低，高溫穩定性下降。

4.1.2"細鋼渣瀝青混合料高溫穩定性

如圖2所示為不同細鋼渣摻量下瀝青混合料的動穩定度變化情況。

由圖2可知，混合料動穩定度均大于規范規定的2 400次/mm。隨著細鋼渣摻量的增加，混合料動穩定度呈現先增大后減小的變化趨勢，與粗鋼渣不同的是，18%細鋼渣摻量下混合料動穩定取得最大值，其值為6 235次/mm，與天然骨料瀝青混合料相比增加了94.18%，出現該現象的原因與粗鋼渣瀝青混合料相似。

4.2"低溫抗裂性分析

4.2.1"粗鋼渣瀝青混合料低溫抗裂性

在低溫條件下（-10 ℃）對瀝青混合料進行彎曲試驗，試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著粗鋼渣含量的增加，最大彎拉應變呈現先增大后減小再增大的“S”型變化趨勢，而抗彎拉強度與彎曲勁度模量均呈現先增大后減小的變化趨勢。當鋼渣摻量從0增加至18%時，最大彎拉應變減小了0.5%，彎曲勁度模量增加了24.2%，當鋼渣摻量為36%時，最大彎拉應變減小了減小了5.5%，彎曲勁度模量增加了41.1%。彎拉應變的減小，會導致材料塑性降低，形變能力減弱，而彎曲勁度模量的增大會導致混合料低溫抗裂性能降低。因此，綜上可知，粗鋼渣的摻入會降低混合料的低溫抗裂性能。

4.2.2"細鋼渣瀝青混合料低溫抗裂性

圖4為不同細鋼渣摻量下瀝青混合料低溫彎曲試驗結果。

由圖4可知，隨著細鋼渣含量的增加，抗彎拉強度與彎曲勁度模量均呈現先增大后減小的變化趨勢，當細鋼渣摻量從0增加至18%時，抗彎拉強度增加了11.0%，彎曲勁度模量增加了5.0%。最大彎拉應變與粗鋼渣摻入時最大彎拉應變的變化存在差異，其隨著細鋼渣含量的增加而不斷增大，增大幅度分別為5.65%、10.21%、11.99%。

4.3"浸水馬歇爾水穩定性分析

4.3.1"粗鋼渣瀝青混合料浸水馬歇爾水穩定性

水穩定性可以反映混合料抵抗水侵蝕的能力，常采用浸水馬歇爾試驗進行測定，根據相關規范對粗鋼渣瀝青混合料進行浸水馬歇爾試驗，試驗結果如圖5所示。

由圖5可知，浸水馬歇爾水穩定度均大于規范規定的85%，當粗鋼渣摻量為36%時，瀝青混合料殘留穩定度最大，相較于粗鋼渣摻量為0、18%以及54%時分別提高了4.38%、1.81%以及2.14%，由此可知與動穩定度相同，粗鋼渣的摻入可有效提高混合料殘留穩定性，但粗鋼渣摻量過多會導致混合料殘留穩定度下降。

4.3.2"細鋼渣瀝青混合料浸水馬歇爾水穩定性

如圖6所示為不同細鋼渣摻量下瀝青混合料浸水馬歇爾水穩定性變化情況。

由圖6可知，不同細鋼渣摻量下瀝青混合料浸水馬歇爾水穩定度均大于規范規定的85%，隨著細鋼渣摻量的增加，混合料穩定度呈現先增大后減小的變化趨勢。當細鋼渣摻量為18%時，殘留穩定度取得最大值，與天然骨料混合料相比，細鋼渣瀝青混合料增加了2.3%，而當細鋼渣摻量為36%、54%時，其水穩性均低于天然骨料瀝青混合料，主要原因是細鋼渣穩定性較差，遇水膨脹后使瀝青與骨料分離，最終導致混合料水穩定性降低。

4.4"凍融劈裂水穩定性分析

4.4.1"粗鋼渣瀝青混合料凍融劈裂水穩定性

根據規范要求，將凍融循環處理后的試樣進行劈裂抗拉試驗，進而評價試樣凍融循環下的水穩定性，如圖7所示為試驗結果。

由圖7可知，隨著粗鋼渣摻量的增加，凍融劈裂強度比呈現先增大后減小的變化趨勢。其中，當粗鋼渣摻量為18%時，凍融劈裂強度比最大，其值為96.21%，遠大于規范規定的80%。

4.4.2"細鋼渣瀝青混合料凍融劈裂水穩定性

如圖8所示為不同細鋼渣摻量下瀝青混合料凍融劈裂強度比變化情況。

由圖8可知，隨著細鋼渣摻量的增加，凍融劈裂強度比呈現先增大后減小的變化趨勢。其中，當細鋼渣摻量為18%時，凍融劈裂強度比最大，其值為86.14%，而與粗鋼渣瀝青混合料不同的是，當細鋼渣摻量為54%時，凍融劈裂強度比小于規范要求的80%。出現上述情況的原因是細鋼渣比表面積大，遇水容易發生反應，同時考慮細鋼渣雜質較多，也是影響其水穩性的關鍵因素之一。

5"結語

為了對鋼渣瀝青混合料的道路基層材料路用性能進行評價，本文通過配置不同粗細鋼渣摻量的瀝青混合料，分析了粗細鋼渣摻入對瀝青混合料的影響，同時通過高溫穩定性、馬歇爾水穩性、凍融劈裂水穩性以及低溫抗裂性綜合評價鋼渣瀝青混合料的路用性能。

本文得到如下主要結論：

（1）粗鋼渣替代率為0、18%、36%、54%時，最佳瀝青用量分別為4.69%、4.91%、4.96%、5.10%；細鋼渣替代率為18%、36%、54%時，最佳瀝青用量分別為5.21%、6.62%、7.89%。

（2）隨著粗細鋼渣摻量的增加，混合料動穩定度、殘留穩定度以及劈裂強度比均出現先增大后減小的變化趨勢。

（3）摻入定量的粗細鋼渣有助于提高混合料的高溫穩定性以及水穩定性。

（4）隨著粗鋼渣含量的增加，最大彎拉應變呈現先增大后減小再增大的“S”型變化趨勢，而抗彎拉強度與彎曲勁度模量均呈現先增大后減小的變化趨勢；隨著細鋼渣含量的增加，抗彎拉強度與彎曲勁度模量均呈現先增大后減小的變化趨勢。

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