王超 張彩利 王偉

摘要 將鋼渣和玻璃纖維兩種材料加入到瀝青混凝土中，通過馬歇爾試驗法確定鋼渣瀝青混凝土最佳油石比，并采用對比試驗，分析了鋼渣瀝青混凝土路用性能，再添加不同含量的玻璃纖維，分析其對鋼渣混凝土的影響。結(jié)果表明，在瀝青混凝土中摻入鋼渣，瀝青混凝土低溫抗裂性能有所下降，摻入適量的玻璃纖維可以彌補(bǔ)該性能的下降，其最佳玻璃纖維摻量為0.2%。

關(guān) 鍵 詞 廢鋼渣；玻璃纖維；瀝青混凝土；馬歇爾試驗；路用性能

中圖分類號 U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

鋼渣是煉鋼中產(chǎn)生的廢渣，其排放量為鋼產(chǎn)量的15%左右。國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)顯示，2017年1至10月，我國鋼產(chǎn)量為7.10 億t，同比增長6.1%，鋼渣產(chǎn)生量為 1.06 億t。然而，鋼渣中含有重金屬，傳統(tǒng)掩埋處理不僅侵占土地而且還淤塞河流、污染環(huán)境。因此，必須對鋼渣進(jìn)行再利用，減少環(huán)境污染。國內(nèi)外人員就鋼渣在瀝青路面方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究。馮艷瑾[1]通過試驗驗證了鋼渣細(xì)集料與鋼渣粉在SMA-13瀝青混凝土中應(yīng)用的可行性，對鋼渣SMA-13瀝青混合料的級配設(shè)計、路用性能以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究，認(rèn)為鋼渣可以作為瀝青混凝土集料使用。李偉等[2]進(jìn)行了鋼渣瀝青混凝土的滲水試驗、單軸壓縮試驗以及疲勞壽命試驗，分析不同級配對鋼渣瀝青混凝土滲透性、壓縮性及耐久性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼渣瀝青混凝土骨料最大公稱粒徑增加時，鋼渣瀝青混凝土的滲水系數(shù)和初始勁度模量會增加，抗壓模量和疲勞壽命次數(shù)會減小，并且隨著油石比增大，抗壓強(qiáng)度會降低。Pasetto M，Baldo N. M[3] 通過電爐鋼渣的物理力學(xué)性能試驗和鋼渣瀝青混凝土試驗，發(fā)現(xiàn)所有電爐鋼渣混合料均滿足道路行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，適用于道路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，且具有比全天然骨料更好的力學(xué)性能。

另外，我國每年的廢玻璃數(shù)量龐大，對廢玻璃的回收和利用，不但經(jīng)濟(jì)上受益，而且符合可持續(xù)發(fā)展的理念。Aysar NAJD等[4]從斷裂力學(xué)角度出發(fā)，研究了玻璃纖維瀝青罩面的抵抗開裂能力和裂縫擴(kuò)展能力，發(fā)現(xiàn)加入玻璃纖維后，瀝青混凝土的斷裂韌性會有所提高。朱春鳳，肖波[5]發(fā)現(xiàn)加入玻璃纖維后，瀝青混凝土的動穩(wěn)定度和水穩(wěn)定性會提高、永久變形會減小。王增先[6]在玻璃工藝的浸潤劑中加入硅烷偶聯(lián)劑，從而提高了玻璃纖維的表面性能，進(jìn)一步改善了瀝青混凝土的粘結(jié)性和拌和均勻性，且改善后的玻璃纖維對各種溫拌瀝青混凝土具有較好的適用性。

雖然國內(nèi)外對鋼渣或玻璃纖維在瀝青混凝土中的應(yīng)用已有大量研究，但鋼渣和玻璃纖維同時應(yīng)用于瀝青混凝土的研究卻不多。因此，為了探究鋼渣和玻璃纖維能否同時應(yīng)用于瀝青混凝土中，需要對其配合比設(shè)計和使用性能進(jìn)行研究。

1 瀝青混凝土配合比設(shè)計

1.1 試驗材料

鋼渣和石料的路用性能試驗參照J(rèn)TG E42-2005《公路工程集料試驗規(guī)程》，其主要性能見表1。

從表1可以看出，鋼渣的吸水率超過了規(guī)范要求的2%，原因在于鋼渣孔隙較多，當(dāng)鋼渣應(yīng)用于瀝青混凝土?xí)r，會吸收較多的瀝青。鋼渣的抗壓碎能力較好，壓碎值為17.3，鋼渣表觀密度較大，達(dá)到了3.239，比石料的表觀密度高出16%。且鋼渣針片狀含量較低，這說明鋼渣形狀規(guī)整，比石灰石更易于形成骨架結(jié)構(gòu)，顆粒與顆粒之間傳力更為均勻。

相關(guān)文獻(xiàn)顯示[7]，鋼渣中的游離氧化鈣含量可占到6%，這些游離氧化鈣水解時體積將增大[8]。因此，鋼渣瀝青混凝土在使用過程中，遇水可能會產(chǎn)生路面開裂等病害，所以必須按JTG E42-2005《公路工程集料試驗規(guī)程》和JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》測定所用鋼渣的膨脹率。

由表2可看出，鋼渣膨脹率最大，但也滿足規(guī)范要求的2.0%。鋼渣粘附性最好，這是由于鋼渣中的堿性物質(zhì)能夠與瀝青中的酸性物質(zhì)充分結(jié)合，并且鋼渣孔隙多，對瀝青吸附性強(qiáng)。但是由于每批鋼渣游離氧化鈣數(shù)量不一樣，因此在使用鋼渣作為骨料時，必須檢測合格才能使用。

采用的玻璃纖維為短切無堿原絲，其長度約為6 mm。玻璃纖維物理、力學(xué)性能見表3。

從表3可以看出，玻璃纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度和熔點，剛性大，極限拉伸應(yīng)變低，脆性大，并且由于玻璃纖維吸水率低，其吸附瀝青的性能較差。當(dāng)油石比較大時，玻璃纖維不能吸附多余瀝青，瀝青混凝土是否會出現(xiàn)泛油，需要進(jìn)一步研究。

瀝青采用重交90號A級道路石油瀝青，其三大指標(biāo)見表4。

細(xì)集料采用的石料為石灰?guī)r，其主要物理性質(zhì)指標(biāo)如表5所示，選用的礦粉技術(shù)指標(biāo)如表6。

1.2 礦料級配設(shè)計

以AC-13級配類型進(jìn)行對比研究，分別以鋼渣摻用量的不同，劃分為3種瀝青混凝土進(jìn)行對比分析。鋼渣AC-13、碎石AC-13、粗鋼細(xì)石AC-13，其中鋼渣AC-13是指粗集料和細(xì)集料都采用鋼渣（礦粉除外）；粗鋼細(xì)石AC-13是指粗集料全部采用鋼渣，細(xì)集料采用石灰?guī)r；碎石AC-13是指粗集料和細(xì)集料都使用石灰?guī)r，不摻任何鋼渣，以作對比。3種瀝青混凝土礦料級配如表7。

1.3 最佳油石比

3種瀝青混凝土的最佳油石比采用馬歇爾試驗方法進(jìn)行確定，馬歇爾試驗結(jié)果如圖1所示。

計算得出瀝青混凝土最佳油石比為4.8，鋼渣瀝青混凝土最佳油石比為5.9，鋼石瀝青混凝土最佳油石比為5.2。

2 路用性能分析

2.1 水穩(wěn)定性檢驗

水穩(wěn)定性評價采用JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》的浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗來綜合評價。試驗各項數(shù)據(jù)及計算結(jié)果見表8。

3種瀝青混凝土凍融劈裂數(shù)據(jù)見表9。

從表8和表9的數(shù)據(jù)可以看出，3種瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度，均滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求，其中鋼渣瀝青混凝土的水穩(wěn)定性能最好。

2.2 鋼渣瀝青混凝土低溫抗裂性

采用JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》小梁低溫彎曲試驗評價混合料低溫抗裂性能。其結(jié)果如表10所示，3種集料組合的瀝青混凝土最大彎拉應(yīng)變都滿足規(guī)范要求。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，鋼渣AC-13的低溫抗裂性最差。這是由于加入鋼渣后瀝青混凝土的剛度有所提高，模量增大，瀝青混凝土的變形能力變差，最大彎拉應(yīng)變存在一定程度的降低。因此，當(dāng)瀝青路面發(fā)生溫度突變時，溫度應(yīng)力可能會超過材料拉伸強(qiáng)度的極限，必須采取一定的措施提高鋼渣瀝青混凝土的抗拉伸性能。

2.3 鋼渣瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性

鋼渣瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性采用馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度進(jìn)行評價。3種瀝青混凝土浸水馬歇爾試驗結(jié)果如表11。

由表11可見，3種瀝青混凝土的穩(wěn)定度和流值均滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。鋼渣 AC-13穩(wěn)定度最大，這說明鋼渣對于提高瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度有幫助。

動穩(wěn)定度常用來反映瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性。對不同鋼渣摻量下的瀝青混凝土進(jìn)行車轍試驗，試驗結(jié)果見表12。

由表12可看出，3種集料瀝青混凝土動穩(wěn)定度值符合規(guī)范要求，鋼渣 AC-13動穩(wěn)定度最好。鋼渣瀝青混凝土動穩(wěn)定度高的原因是鋼渣集料的針片狀顆粒較少，內(nèi)磨阻力大。經(jīng)壓實后，顆粒與顆粒之間相互嵌擠，抗剪性能高。鋼渣孔隙多，能吸附多余的瀝青，在高溫季節(jié)，有利于提高瀝青路面的抗變形能力。

3 玻璃纖維用量

參考相關(guān)文獻(xiàn)[9]，玻璃纖維的摻入量采用外摻法，摻加量分別為0%、0.1%、0.2%、0.3%，0.4%。由于玻璃纖維吸水率低、用量較少，可以認(rèn)為對鋼渣瀝青混凝土最佳瀝青用量影響較少，不再探究最佳瀝青用量和玻璃纖維的摻入量之間的關(guān)系。并按JTG E42-2005《公路工程集料試驗規(guī)程》和JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》檢驗鋼渣瀝青混凝土相關(guān)主要性能，結(jié)果見表13。

由表13試驗結(jié)果得出，添加玻璃纖維能夠顯著提高瀝青混凝土的動穩(wěn)定度。當(dāng)玻璃纖維摻量為0.4%時，與不添加玻璃纖維相比，車轍穩(wěn)定度提高了110%，試驗結(jié)果表明，玻璃纖維可以顯著的提升瀝青混凝土的抗車轍能力。這是因為摻入玻璃纖維后，玻璃纖維在鋼渣瀝青混凝土中起到加筋作用，并且形成良好的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在車輛荷載作用下，可以防止材料之間的相對滑移，進(jìn)而使得鋼渣瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性得到提高。

當(dāng)玻璃纖維摻量為0.2%時，與不添加玻璃纖維相比，瀝青混凝土最大彎拉應(yīng)變提高了30.5%。表明玻璃纖維對瀝青混凝土低溫性能影響較大，瀝青混凝土最大彎拉應(yīng)變隨著纖維摻量增加先增大后減少，在0.2%時達(dá)到最大值，說明摻加適量玻璃纖維可以通過加筋增韌作用提高瀝青混凝土的低溫抗裂能力。當(dāng)纖維摻量過多時，玻璃纖維會減少瀝青膜厚度，反而導(dǎo)致瀝青混凝土低溫性能下降，因此摻入適當(dāng)?shù)牟ＡЮw維可以緩解由于摻入鋼渣而降低的最大彎拉應(yīng)變。

當(dāng)玻璃纖維的摻入量為 0.1%、0.2%時，TSR均有不同程度的增加。其中，玻璃纖維摻入量為 0.2%時，TSR增加的幅度最大。因此，纖維的摻入量為 0.2%時，試件的水穩(wěn)定性能得到明顯的提高。但當(dāng)玻璃纖維的摻入量為 0.3%時，相比于摻入量為 0.2%時的試件，TSR有明顯的降低，比未摻入玻璃纖維的試件還要低，這是因為玻璃纖維摻入量過高時，多余的玻璃纖維相互纏繞、重疊，降低了瀝青混凝土之間的連接與整體性，從而降低了瀝青混凝土的水穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）將鋼渣和玻璃纖維同時應(yīng)用到瀝青混凝土?xí)r，鋼渣玻璃纖維瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫性能都滿足規(guī)范要求。因此，初步判定將鋼渣和玻璃纖維同時應(yīng)用到瀝青混凝土是可行的。

2）鋼渣玻璃纖維瀝青混凝土中含有CaO，適量的CaO可以提高瀝青與鋼渣的粘附性，但是過量的CaO會使瀝青混凝土產(chǎn)生體積膨脹，可能會導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生裂縫等病害。因此，不同CaO含量的鋼渣對于瀝青混凝土的影響性還需進(jìn)一步研究。

3）摻入鋼渣后，瀝青混凝土的低溫抗變形能力下降，但摻入適量的玻璃纖維可以改善鋼渣瀝青混凝土的低溫抗變形能力。

4）玻璃纖維摻量為0.2%時，瀝青混凝土的水穩(wěn)定性和低溫性能良好。然而，當(dāng)玻璃纖維摻量超過0.2%時，則會影響瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，不利于提高瀝青混凝土的路用性能，故鋼渣瀝青混凝土中玻璃纖維最佳摻量為0.2%。

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯 楊 屹]