＊謝 斌

（揚(yáng)州市公路事業(yè)發(fā)展中心 江蘇 225000）

引言

鋼渣是鋼鐵制造過程中的副產(chǎn)品，每生產(chǎn)3噸鋼材大約會(huì)產(chǎn)生1噸鋼渣。我國是鋼鐵生產(chǎn)大國，由此每年生產(chǎn)大約8000萬噸的鋼渣，如何利用好數(shù)量如此巨大的廢棄物，是人們必須面對(duì)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(xiàn)出較高的強(qiáng)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(shù)和耐磨性，它已廣泛用于需要高耐磨性的工業(yè)道路、交叉口和停車區(qū)域等[3]。Asi等[4]評(píng)估了含鋼渣的瀝青混合料的抗滑性能，認(rèn)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(jié)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(xué)性能達(dá)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(xué)者對(duì)鋼渣在瀝青混合料中的應(yīng)用也進(jìn)行了不少研究[6-7]，得出的結(jié)論和國外學(xué)者是一致的。

在公路鋼渣瀝青工程領(lǐng)域，項(xiàng)目研究人員們開展了一系列關(guān)于鋼渣瀝青混合料（Steel Slag Asphalt Mixture，SSAM）的研究與實(shí)踐。將鋼渣當(dāng)做集料應(yīng)用到瀝青路面的鋪設(shè)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(xiàng)性能，及實(shí)現(xiàn)瀝青路面的多功能性。本文主要針對(duì)鋼渣作粗集料的瀝青混合料的路用性能展開實(shí)驗(yàn)研究，通過對(duì)比不同成分瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能，進(jìn)一步明確鋼渣對(duì)瀝青混合料性能的影響程度，以期為后續(xù)的道路施工提供參數(shù)。

圖1 鋼渣瀝青路面圖

但受鋼渣處理工藝和設(shè)備的限制，我國部分鋼鐵廠生產(chǎn)的鋼渣集料存在著體積穩(wěn)定性不良、含灰量較大等問題。低品質(zhì)鋼渣集料也直接導(dǎo)致我國早期修建的幾條鋼渣瀝青混凝土路面試驗(yàn)段質(zhì)量變異性較大。本研究對(duì)河北某鋼廠采用新工藝后產(chǎn)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(jí)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?guī)r），對(duì)不同瀝青混合料進(jìn)行組成設(shè)計(jì)，并測(cè)試其馬歇爾性能指標(biāo)、蠕變勁度模量和劈裂強(qiáng)度，為鋼渣的推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)和參考。

1.原材料

(1)瀝青

本研究使用SBS改性瀝青，相關(guān)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表1 SBS改性瀝青性能檢測(cè)結(jié)果

(2)集料和鋼渣

本文所用天然集料為石灰?guī)r，所用礦粉為石灰?guī)r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?guī)r集料和鋼渣的相關(guān)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示，鋼渣成分測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表2 粗骨料性能測(cè)試結(jié)果

表3 鋼渣主要成分測(cè)試結(jié)果

表2測(cè)試結(jié)果表明，天然石灰?guī)r集料的密度小于鋼渣，這是由于鋼渣含有鐵質(zhì)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(huì)對(duì)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(huì)導(dǎo)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(shí)CaO也是一種活性成分，其水化物具有一定的粘結(jié)能力[8]，也會(huì)對(duì)瀝青混合料性能產(chǎn)生影響。

2.瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

本研究包括兩種級(jí)配（AC10和AC13）和兩種粗集料（石灰?guī)r和鋼渣），共設(shè)計(jì)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(jù)設(shè)計(jì)結(jié)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(dǎo)致使用鋼渣瀝青混合料的最佳油石比較大，比常規(guī)瀝青混合料最佳油石比提高了0.2%左右。

3.性能測(cè)試結(jié)果和討論

對(duì)四種瀝青混合料的馬歇爾指標(biāo)、劈裂強(qiáng)度、蠕變勁度模量進(jìn)行測(cè)試，每組試驗(yàn)取4個(gè)平行試件。

(1)馬歇爾試驗(yàn)

馬歇爾試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表4所示，其中馬歇爾模數(shù)為穩(wěn)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(biāo)測(cè)試結(jié)果

如表4所示，鋼渣瀝青混合料比相應(yīng)的石灰?guī)r瀝青混合料表現(xiàn)出更高的馬歇爾穩(wěn)定性和更低的流值。穩(wěn)定度和流值是馬歇爾試驗(yàn)的重要指標(biāo)，瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)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(fā)生開裂的能力。表4測(cè)試結(jié)果還表明，鋼渣瀝青混合料的馬歇爾模數(shù)高于石灰?guī)r瀝青混合料，如前所述，馬歇爾模數(shù)是衡量材料抵抗永久變形能力的指標(biāo)，在AC10級(jí)配中，鋼渣瀝青混合料的馬歇爾模數(shù)提高了47.8%，在AC13級(jí)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(shù)是表征瀝青混合料抗車轍性能的經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)，為此，本研究還測(cè)試了不同瀝青混合料的蠕變勁度模量，可從力學(xué)角度反應(yīng)混合料的高溫抗變形性能。本研究分別在40℃和60℃下測(cè)試了瀝青混合料的蠕變勁度模量，結(jié)果如表5所示。

表5 瀝青混合料蠕變勁度模量測(cè)試結(jié)果

由表5測(cè)試結(jié)果可見，①溫度對(duì)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?guī)r瀝青混合料相比，鋼渣瀝青混合料在40℃和60℃時(shí)均表現(xiàn)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(shí)為例，無論是在AC10級(jí)配還是AC13級(jí)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(shù)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(jié)料的抗變形能力[12]。

(3)劈裂強(qiáng)度

對(duì)瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，包括常規(guī)劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度，并計(jì)算了凍融劈裂強(qiáng)度比以反映瀝青混合料的水穩(wěn)定性。測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 瀝青混合料劈裂強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

表6測(cè)試結(jié)果表明，含鋼渣粗骨料的瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度高于含石灰?guī)r骨料的瀝青混合料，表明鋼渣瀝青混合料具有更高的內(nèi)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(qiáng)度比也高于石灰?guī)r瀝青混合料，說明前者對(duì)水的影響更為不敏感，有助于提高瀝青混合料的水穩(wěn)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(qiáng)，另一方面鋼渣中活性成分的水化產(chǎn)物也有助于提高鋼渣與瀝青的粘結(jié)[13]。

4.結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)研究的測(cè)試數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)鋼渣瀝青混合材料具有很高的利用價(jià)值，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)馬歇爾穩(wěn)定性和流值試驗(yàn)的結(jié)果，鋼渣增加了瀝青混合料的穩(wěn)定性，降低了其流動(dòng)性，且鋼渣瀝青混合料具有更高的馬歇爾模數(shù)。

（2）鋼渣對(duì)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(nèi)聚強(qiáng)度，且前者的水穩(wěn)定性更優(yōu)，有助于在潮濕多雨地區(qū)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(shí)現(xiàn)了廢棄資源的利用，另一方面改善了常規(guī)瀝青混合料的性能。