鋼渣瀝青混合料性能試驗研究

蔣承志JIANG Cheng-zhi

（揚州大學建筑科學與工程學院，揚州 225000）

1 國內外研究現狀

LiChao[1]采用鋼渣替代全部或部分玄武巖和玄武巖骨料配制了3 種瀝青混合料探索其粘彈性特性的變化規律。結果表明：隨著溫度的降低，3 種瀝青混合料的蠕變速率和累積應變變化率逐漸減小，松弛時間逐漸增大；特別是當溫度從-20℃降低到-30℃時，三種瀝青混合料的累積應變變化率均達到最小，均小于10%。BaiXuefeng[2]為了建立接近實際情況的瀝青混合料非均質性數值模型，采用離散元法建立了隨機集料模型。通過模擬梁的三點彎曲試驗，探討了鋼渣瀝青混合料i 型裂紋的擴展機理。結果表明：鋼渣骨料的棱角度比玄武巖小，拐角處應力集中較小，骨料裂紋Ng 數量較少；裂縫沿玄武巖骨料劇烈擴展，SAM的低溫抗裂性能優于BAM。

ZhengHua[3]研究了不同鋼渣含量瀝青混合料在干濕循環和凍融循環環境下耐水性的惡化過程。結果表明，鋼渣瀝青混合料具有明顯的抗水損傷性能。隨著干濕或凍融反復循環次數的增加，鋼渣瀝青混合料的耐水性能先迅速惡化后趨于穩定，存在水破壞的極限狀態。在干濕循環條件下，鋼渣含量為50%的瀝青混合料具有較好的耐水性能，而在凍融循環條件下，鋼渣含量為100%的瀝青混合料具有較好的耐水性能。鋼渣瀝青混合料的界面相結構穩定致密，瀝青砂漿均勻而緊密地包裹鋼渣并形成一定的滲透深度。鋼渣與瀝青的增強機理主要包括物理錨固效應和化學黏附效應。

林志平[4]將鋼渣代替普通AC-20 瀝青混凝土中的全部粗細砂巖集料，研究鋼渣對瀝青混合料路用性能的影響。結果表明：摻入鋼渣后，瀝青用量較砂巖集料瀝青混凝土增加0.4%，提高了瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、抗滑性，但對體積膨脹性、水穩定性影響有限，體積膨脹率、殘留穩定度和劈裂抗拉強度比均滿足規范要求。何亮總結了鋼渣的物理性質、化學成分及礦物相組成；分析了影響鋼渣體積安定性的因素及其改善措施。研究結果表明：鋼渣可用于瀝青混合料，且應為陳化半年以上的轉爐鋼渣或電爐鋼渣；鋼渣的物理力學性能優良，而化學成分及礦物相組成受煉鋼工藝影響有所區別；鋼渣體積安定性的不足可通過預處理或陳化處理得到較好的改善。

WangLan[5]通過宏觀和微觀試驗，研究了鋼渣瀝青混合料的低溫開裂特性及其影響機理。結果表明：SAM（鋼渣瀝青混合料）具有較多的小孔隙和較少的大孔隙，其總孔隙率小于玄武巖瀝青混合料（BAM）；SAM 抗彎曲變形的初始彈性階段比BAM 更長，彎曲應變能密度（dW/dV）更大，裂紋穿透速度更慢。SAM 的水平應變能密度（DE）大于BAM，裂紋尖端應力更大?？紫堵逝c瀝青混合料的低溫抗裂性能密切相關。LuoWei[6]為了混合料獲得較高的加熱性能，確定瀝青混合料中鋼渣的最佳摻量進行了研究。研究結果還表明，隨著鋼渣摻量的增加，瀝青混合料的微波加熱性能有所提高。但鋼渣含量過高會導致瀝青混合料大部分區域過熱，當鋼渣等量替代粗骨料（4.75～9.5mm）約60%時，溫度分布更為均勻適宜。

張宗琦[7]制備了三種不同級配的密級配鋼渣瀝青混合料，分別檢測其高溫性能、低溫性能以及水穩定性能等。試驗數據結果表明：AC-13、AC-16、AC-20 等不同級配的混合料穩定度、凍融劈裂結果以及浸水殘留穩定度等指標均滿足規范的要求。隨著級配組合、骨料粒徑的變大，對應穩定度也會隨之變大，且具有相當良好的水穩定性，滲水系數均滿足密級配瀝青混凝土小于120mL/min 的要求。唐秀明[8]在分析鋼渣集料工程特性的基礎上，對優化的混合料性能開展系統研究。試驗結果表明，與石灰巖瀝青混合料相比，骨架嵌擠密實型鋼渣瀝青混合料膨脹性、高溫穩定性及水穩定性更優，具有良好的工程應用前景。申愛琴[9]研究了鋼渣瀝青混合料（SSAM）在不同鋼渣摻量、不同荷載和不同溫度條件下的抗滑性能衰減規律。結果表明：鋼渣的摻入從衰減終值、損失率和衰減速率3 個方面提高了瀝青混合料的抗滑性能；SSAM 抗滑性能隨鋼渣摻量的增加呈現先升后降趨勢，在50%鋼渣摻量處出現拐點；荷載對SSAM 抗滑性能的影響主要表現在衰減過程的第2 階段至第5 階段，溫度對SSAM 抗滑性能的影響主要表現在第1 階段；鋼渣集料表面紋理豐富，孔結構和孔級配更合理，從而改善了SSAM 瀝青膜的黏結性，提高了SSAM 抗滑性能的穩定性。

2 原材料

本研究為了符合江蘇工程的實際，集料采用了玄武巖，填料采用石灰巖磨細礦粉。采用《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）對集料進行各項性能測試和密度試驗，結果表明所有集料滿足規范要求。集料密度以及填料各項指標見表1～表3。

表2 OGFC-5 集料密度試驗結果

表3 填料性能指標及試驗結果

鋼渣密度以及各項指標見表4～表7。

表5 鋼渣骨料表觀密度

表6 鋼渣骨料壓碎值

表7 鋼渣骨料吸水率

3 試驗過程方案設計

車轍試驗最早是由英國研發，并因本身的簡易操作和測試結果直觀且與實際工程中表現的高溫性能吻合度較好，所以在實際工程中得到廣泛應用。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）進行車轍試驗（圖1）。

試件是長×寬×高為300×300×50mm 的長方體，通過輪碾法進行車轍板試件的成型，試驗溫度控制在60℃，輪壓為0.7MPa。根據時間和試件被橡膠輪碾壓后變形所形成的關系曲線來描述抗車轍的能力。通過分析試件的車轍變形量與輪碾次數的關系，用動穩定度指標來評價瀝青混合料高溫性能，車轍試驗的動穩定度計算方式見式（1）。

式中：DS：動穩定度，次/mm；

d1：對應試件t1的變形量，mm；

d2：對應試件t2的變形量，mm；

C1、C2：試驗系數，本試驗為C1=C2=1.0；

N：輪子碾壓速度，為42 次/min。

基于瀝青路面在車載作用下的受力狀態，同濟大學的孫立軍教授提出了一種操作便捷、離散性小的用于評價瀝青混合料抗剪性能的試驗方法——單軸貫入試驗。單軸貫入試驗通過一直徑為r 的鋼質壓頭對直徑為R 的試件加壓，其中r＜R，由于r/R 的值足夠小，試件受壓部分不僅承受豎直向下的力，還會受到壓頭周圍瀝青混合料的圍壓，這與瀝青路面在車輛荷載作用下的受力狀態一致。試驗原理圖見圖2。

單軸貫入試驗采用貫入應力來評價瀝青混合料的高溫性能，計算公式見式（2）和式（3）。

式中：Rτ——貫入強度，MPa；

σp——貫入應力，MPa；

P——試件破壞時的極限荷載，N；

A——壓頭橫截面面積，mm2；

fτ——貫入應力系數，根據貫入應力系數取值法，本文取0.35。

根據（JTG E20-2011）和設計規范》（JTG D50-2017）相關規范進行單軸貫入試驗。將拌合好的瀝青混合料通過旋轉壓實儀成型試件（試件規格為：直徑150mm，高度100mm），置于室溫下冷卻，至少48h，將試件和壓頭（直徑為42mm，見圖3）置于60℃環境箱下保溫5～6h，然后將壓頭放在試件中心置于試驗臺上，將加載裝置的加載速度設置為1mm/min 對試件進行加載，直至應力值降為應力極值點的90%，停止加載。單軸試驗過程見圖4。試驗結果見表8。

圖3 單軸貫入試驗壓頭示意圖（尺寸單位：mm）

圖4 單軸貫入試驗過程圖

表8 瀝青混合料高溫車轍試驗測試結果

4 試驗結果分析

根據表8、圖5 和圖6 可以看出，兩種瀝青混合料的動穩定度都符合技術要求，圖5 至圖6 中通過紅色虛線直接標出了各混合料動穩定度的規范要求，可以更加直觀地看出所有瀝青混合料均符合相關規范要求，并且在相同鋼渣摻量下，OGFC 瀝青混合料的動穩定度均大于SMA 瀝青混合料的動穩定度，這是由于OGFC 瀝青混合料中使用了高粘改性劑，進一步提升了瀝青混合料的高溫性能。除此之外，還可以看出對于這兩種級配，瀝青混合料的動穩定度隨鋼渣摻量先增大再減小，對于SMA-5 級配當鋼渣摻量為75%達到最大值6706 次/mm，是不摻鋼渣的1.62倍。在鋼渣摻量為100%時，雖然動穩定度呈下降趨勢，但仍有5938 次/mm 為不摻鋼渣的1.5 倍。對于OGFC-5 級配當摻量達到50%時達到最大值9130.4 次/mm，是不摻鋼渣的1.72 倍。在鋼渣摻量為100%時，動穩定度也呈下降趨勢，但仍有7623.6，為不摻鋼渣的1.43 倍。這表明鋼渣粗集料對瀝青混合料的高溫性能有良好改善作用。首先，由于鋼渣集料有多孔的特點，相對于傳統玄武巖集料，鋼渣表面的孔隙增大了拌合時與瀝青的接觸面積。這使得集料能吸附更多的自由瀝青，提升結構瀝青與自由瀝青的比例，從而提高了瀝青混合料的高溫性能。其次，鋼渣有極好的棱角性，且表面粗糙，能夠在擊實成型時形成嵌擠性較好的試件，增加其抵抗變形的能力。當鋼渣摻量過多時動穩定度下降是因為隨著鋼渣摻量的增多，最佳油石比也會隨之變大，當用油量過大時瀝青混合料表面黏附的瀝青膜厚度增加，減小集料之間的嵌擠作用導致無法形成穩定骨架結構。此外。溫度升高時瀝青軟化導致瀝青混合料的變形量增大。

圖6 OGFC-5 瀝青混合料車轍試驗結果