钢渣沥青混合料疲劳性能及改善机理

申爱琴， 喻沐阳， 郭寅川， 崔 涛， 刘 波

(长安大学 公路学院， 陕西 西安 710064)

钢渣属于炼钢过程中排出的固体废渣，将其作为粗集料用于道路工程中对解决钢渣环境污染和筑路石料匮乏等问题具有重要意义[1]，若用于沥青路面则可发挥其碱性强、耐磨性好的优势[2]，对提高沥青路面的耐久性具有至关重要的影响.

研究表明钢渣的优质集料特性主要来源于其表面的囊状构造[3].钢渣的力学性能较轧制的天然集料更加优异，不但耐磨耗、棱角性好，而且与沥青有较好的黏附性[4].钢渣沥青混合料具有较高的抗拉强度，冻融循环后体积膨胀率在1%以下.与玄武岩沥青混合料相比，钢渣沥青混合料疲劳寿命略有提升，原因是钢渣作为粗集料不会破坏沥青混合料的相容性，而且在达到疲劳破坏时也不会出现贯穿型裂缝，裂缝长度也明显小于前者[5].钢渣沥青路面实体工程也表现出了优异的路用性能.然而现有研究大多采用钢渣替代全部粗集料或细集料的方案，缺乏针对不同钢渣掺量沥青混合料疲劳性能的研究，对钢渣沥青混合料疲劳性能改善机理的研究也鲜有报道.

本文基于现象学法[6]，以应变水平和钢渣掺量1)为变量，采用应变控制四点弯曲疲劳试验对钢渣沥青混合料的疲劳性能进行研究.结合钢渣沥青混合料在疲劳试验中劲度模量衰减规律来分析其疲劳损伤演化过程.在此基础上分析疲劳裂纹扩展路径特征，以揭示沥青混合料疲劳开裂机理.最后从钢渣物理化学性质和钢渣-沥青界面相结构两个方面深入研究了钢渣沥青混合料疲劳性能改善机理，以期为钢渣在沥青路面中的应用提供理论基础.

1)文中涉及的掺量除特别说明外均为质量分数.

1 原材料和疲劳试验方法

1.1 试验材料

粗集料采用钢渣(SS)和辉绿岩，规格均为9.5～16mm， 4.75～9.5mm，钢渣选用陕西龙门钢铁集团生产的转炉钢渣，辉绿岩为商州汇金石料厂生产，粗集料技术指标见表1；细集料为蒲城泉沟产石灰岩机制砂；填料为蒲城泉沟产石灰岩矿粉.

表1 试验用粗集料技术指标

本文采用的橡胶沥青由韩国SK牌90#沥青外掺20%橡胶粉(0.600mm,30目)和0.5%的PA-1型抗剥落剂制备而成.橡胶沥青黏度大、弹性恢复效果较好，能使疲劳荷载产生的能量更多地以热能形式散失，可以有效避免路面因累计损伤而导致的疲劳失效破坏.同时为兼顾高温抗车辙性能，外掺0.3%的抗车辙剂(以沥青混合料总质量计).

1.2 钢渣沥青混合料配合比设计

本文钢渣沥青混合料参考SMA-13矿料级配范围，由于采用橡胶沥青作为胶结料，橡胶粉颗粒替代了部分矿粉而对混合料的空隙起到了一定的填充作用，因此对0.075筛孔通过率进行了下调，矿料级配如表2所示.其中粗集料分别采用外掺0%，30%，50%，70%钢渣(以粗集料质量计)的方案，沥青混合料设计采用马歇尔设计方法，设计空隙率(体积分数)均为4.0%，技术指标如表3所示.由表3可见，各沥青混合料均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求.而且随着钢渣掺量wSS的增加，钢渣沥青混合料油石比也有明显提升，这与钢渣表面丰富的孔结构特征相对应[7].

表2 钢渣沥青混合料的矿料级配

表3 钢渣沥青混合料技术指标

1.3 试验装置

应用现象学法进行疲劳试验的方法很多，考虑到试验周期和耗资等因素，本文采用了适用性较好的四点弯曲疲劳试验，有效模拟了实际沥青路面应力应变交迭变化状态[8-9].疲劳试验采用澳大利亚生产的BFA(beam fatigue apparatus)试验装置.采用振动轮碾成型仪和金刚石切割机制作尺寸为380.0mm×63.5mm×50.0mm的疲劳试件，并根据体积指标进行检测和筛选，以减少平行试件性能差异对试验结果的影响.

1.4 试验参数设定

疲劳荷载控制方式对疲劳性能的评价有至关重要的影响，结合国内外相关研究，应力控制模式主要适用于厚度大于25cm的路面，而应变控制模式对较薄的路面具有较好的适应性[10]，而且沥青结合料层疲劳开裂寿命控制指标为层底拉应变，因此本文选用应变控制模式.

作为一种黏弹性材料，沥青混合料在高温状态下具有一定自愈合能力，因此疲劳试验温度设定不宜过高[11]，而且中国JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》中沥青层底拉应变设计指标采用的是20℃的参考值.因此本文疲劳试验温度设定为20℃.

根据车辆行驶速度和沥青路面受力特性，车辆行驶速度越快，荷载作用时间越短，对应的频率就越高.结合国内外相关研究[8]，本文荷载频率采用10Hz 偏正弦荷载，大致相当于60～120km/h的行车速度.

应变水平的选择需要考虑沥青路面实际状况和试验设备参数设定范围，应变水平过大会导致试件快速破坏，不能真实反映材料的疲劳性能，与沥青路面实际受力情况严重不符，而应变水平过小不仅会使材料无法达到疲劳失效状态，还会导致试验周期过长.因此应变水平的选择应该涵盖一定的范围，本文将应变水平设定为400×10-6，600×10-6，800×10-6，1000×10-6.相同试验条件下进行6次平行试验，确保每组试验有效试件不少于4个.

1.5 疲劳寿命确定方法

沥青混合料疲劳寿命确定方法参考AASHTO T321-07规范[12].定义第50次加载对应的劲度模量S50为初始劲度模量，试验终止条件设为劲度模量下降到初始劲度模量的20%，最大加载次数为250000 次，试验结束后采用式(1)所示的指数函数方程来拟合疲劳试验劲度模量数据.

S=AeBN

(1)

式中：S为劲度模量；N为循环加载次数；A，B为拟合参数.

根据试验数据回归拟合结果，计算劲度模量衰减至拟合参数A的50%(Sf，50)时所对应的加载次数(Nf,50)作为该应变水平下的疲劳寿命，也可直接通过式(2)计算.

Nf,50=[ln(Sf,50/A)]/B=[ln(1/2)]/B=

-0.6931B

(2)

2 疲劳试验结果与分析

2.1 钢渣掺量对疲劳性能的影响

图1是在400×10-6应变水平下沥青混合料疲劳寿命与钢渣掺量的关系.由图1可见，随着钢渣掺量的增加，沥青混合料疲劳寿命呈现先增大后减小的趋势，当钢渣掺量为30%时，沥青混合料的疲劳寿命达到峰值，与钢渣掺量为0%的辉绿岩沥青混合料相比提高了26.26%.当钢渣掺量从30%增加到70%时，沥青混合料的疲劳寿命反而有较大幅度的下降，甚至低于不掺加钢渣时的沥青混合料.究其原因，钢渣掺量过大会导致沥青混合料初始劲度模量增加(如图2所示)，使其在相同应变水平下所受到的疲劳应力增大，因此表现出了较低的疲劳寿命.

图1 沥青混合料疲劳寿命与钢渣掺量的关系Fig.1 Relationship between fatigue life of asphalt mixture and steel slag content

图2 沥青混合料初始劲度模量与钢渣掺量的关系Fig.2 Relationship between initial stiffness modulus of asphalt mixture and steel slag content

2.2 应变水平对疲劳性能的影响

图3是钢渣掺量为0%和30%时沥青混合料初始劲度模量与应变水平的关系.由图3可见，钢渣沥青混合料M30的初始劲度模量随着应变水平的增大而减小，当应变水平由400×10-6增大到1000×10-6时，钢渣沥青混合料M30的初始劲度模量减小了42.39%.这是因为应变水平越大，裂缝扩展损耗的能量就越多，所以M30的初始劲度模量就越小.钢渣的掺入降低了沥青混合料的初始劲度模量，而且应变水平越大，其初始劲度模量降低越明显，最大降幅达50.94%.

图3 不同应变水平下沥青混合料的初始劲度模量Fig.3 Initial stiffness modulus of asphalt mixture under different strain levels

图4是钢渣掺量为0%和30%时沥青混合料在不同应变水平下的疲劳寿命.由图4可见，钢渣沥青混合料M30的疲劳寿命随应变水平的提高而大幅降低，当应变水平由400×10-6增大到1000×10-6时，M30的疲劳寿命减小了88.74%，辉绿岩沥青混合料M0的疲劳寿命减小了99.04%，说明辉绿岩沥青混合料疲劳寿命对应变水平的增加更敏感.相同应变水平条件下钢渣沥青混合料疲劳寿命与辉绿岩沥青混合料相比有较大提升，且应变水平越高，前者的优势也越明显.

图4 不同应变水平下沥青混合料的疲劳寿命Fig.4 Fatigue life of asphalt mixture under different strain levels

2.3 钢渣沥青混合料疲劳损伤分析

2.3.1疲劳损伤过程分析

在不同应变水平下，钢渣沥青混合料M30的劲度模量与加载进度N/Nt(荷载作用次数与最大加载次数的比值)的关系如图5所示.由图5可见，M30的劲度模量随N/Nt的增加而不断降低.当应变水平为800×10-6和1000×10-6时，其疲劳损伤过程可分为失稳、平衡、失效3个阶段.在第1阶段，由于沥青混合料内部和表面存在裂缝和孔隙等缺陷，局部区域因应力集中形成疲劳裂缝，使其劲度模量急剧减小；在第2阶段，内部缺陷附近区域的高密度能量通过裂缝扩展得到释放，使得损伤发展得到抑制；在第3阶段，劲度模量在疲劳荷载作用下迅速降低，疲劳损伤速度急剧增加直至失效.而在低应变水平下沥青混合料疲劳损伤速率较慢，试验停止时还处于平衡阶段，因此在400×10-6和600×10-6应变水平下只出现前2个阶段.

图5 钢渣沥青混合料M30的劲度模量与N/Nt的关系Fig.5 Relationship between stiffness modulus of steel slag asphalt mixtures M30 and N/Nt

2.3.2疲劳失效劲度模量衰减比

将疲劳失效时的劲度模量(Sr)与初始劲度模量(S50)的比值Sr/S50定义为疲劳失效劲度模量衰减比，可作为失效损伤量的评价指标.沥青混合料M0和M30的疲劳失效劲度模量衰减比Sr/S50与应变水平的关系如图6所示.由图6可见，不同应变水平下钢渣沥青混合料M30的Sr/S50均小于50%，并随着应变水平的增大而逐渐减小，说明应变水平越大，钢渣沥青混合料达到疲劳失效时产生的损伤也越大.相同应变水平下，钢渣沥青混合料的Sr/S50较辉绿岩沥青混合料有较大提高.

图6 疲劳失效劲度模量衰减比与应变水平的关系Fig.6 Relationship between failure stiffness modulus attenuation ratio and strain level

2.4 疲劳裂纹扩展路径分析

在四点弯曲疲劳试验过程中，部分辉绿岩沥青混合料试件出现了明显的疲劳开裂现象，本文对产生开裂的试件裂纹扩展路径进行了分析.图7为不同应变水平下辉绿岩沥青混合料疲劳裂纹扩展路径.

由图7可知，应变水平对辉绿岩沥青混合料疲劳裂纹扩展路径有较大影响，当应变水平为600×10-6和800×10-6时，疲劳裂纹扩展路径复杂且呈曲线形，裂纹沿着矿料-沥青界面处扩展，矿料未见有明显断裂损坏现象，因此在低应变水平下，辉绿岩沥青混合料疲劳性能主要受矿料-沥青界面相强度的影响，受矿料力学性质的影响则较小.当应变水平为1000×10-6时，疲劳裂纹形状整齐且呈直线型，扩展路径相对较短，并出现了矿料断裂损坏的痕迹.可见在高应变水平下，除矿料-沥青界面相强度外，矿料的力学性能对辉绿岩沥青混合料疲劳性能也有较大影响.但实际路面沥青层底拉应变往往处于较低水平，因此从实际意义出发，影响混合料疲劳性能的主要因素是矿料-沥青界面相强度.

图7 不同应变水平下辉绿岩沥青混合料M0的疲劳裂纹扩展路径Fig.7 Fatigue crack propagation path of M0 under different strain levels

3 钢渣沥青混合料疲劳性能改善机理

3.1 矿料化学组成和表面形貌

采用X射线荧光光谱分析(XRF)对钢渣和辉绿岩进行物相检测并确定其化学组成，结果如表4所示.由表4可见，2种矿料化学组成相似，但含量有较大差异.辉绿岩中SiO2含量为44.10%，钢渣中SiO2含量则仅为15.28%，远低于辉绿岩.另外，钢渣中CaO含量较辉绿岩要高.

图8，9分别为钢渣和辉绿岩的扫描电镜(SEM)图.集料颗粒的表面微观构造对沥青混合料疲劳性能具有显著的影响.从图8可清楚地观察到钢渣表面较为粗糙，具有复杂的纹理构造，并呈现出明显的多孔特性，可有效增加矿料与沥青胶浆的接触面积和嵌入深度.由图9可见，辉绿岩表面光滑致密，纹理构造较为简单，不利于其与沥青胶浆的结合和黏结.

表4 粗集料的化学组成

图8 钢渣表面SEM照片Fig.8 SEM micrographs of steel slag surface

图9 辉绿岩表面SEM照片Fig.9 SEM micrographs of diabase surface

3.2 矿料-沥青界面相结构

矿料-沥青界面相结构作为影响沥青混合料疲劳性能的主要因素，本文对其进行了深入分析.图10，11分别是钢渣和辉绿岩与沥青胶浆界面的SEM形貌.

图10，11中颜色较深部分为沥青胶浆，颜色较浅且表面纹理构造丰富的部分即为矿料.图10中，沥青胶浆均匀紧密地裹附在钢渣表面并形成一定的嵌入深度，界面相结构稳定密实，有效增强了沥青混合料抵抗疲劳损伤的能力；图11中，辉绿岩-沥青界面充满微小的坑槽和孔洞，沥青胶浆未能紧密地裹附在辉绿岩表面，界面相结构呈现半分离的状态，因此在疲劳荷载作用下很容易发生界面相结构破坏，从而导致沥青混合料发生疲劳开裂破坏.

图10 钢渣-沥青界面SEM照片Fig.10 SEM micrographs of interface between steel slag and asphalt

图11 辉绿岩-沥青界面SEM照片Fig.11 SEM micrographs of interface between diabase and asphalt

3.3 改善机理分析

钢渣沥青混合料疲劳性能改善机理主要表现在2个方面：一是交互黏附作用.钢渣复杂的表面构造为钢渣-沥青化学交互作用提供了较大的接触面积，钢渣表面碱活性成分与橡胶沥青中酸性基团发生化学反应，从而产生能量的交换并形成黏附作用，增强了矿料与沥青胶浆的相容性；二是嵌入锚固作用.钢渣表面丰富的孔结构为沥青胶浆提供了较大的浸润界面，使沥青胶浆在钢渣表面形成一定嵌入和锚固深度，提高了沥青膜厚度和结构沥青比例，形成了稳固的钢渣-沥青界面相结构，从而有效提高了沥青混合料的疲劳性能.

4 结论

(1)钢渣掺量是影响沥青混合料疲劳性能的重要因素，其最佳掺量为30%.适量掺加钢渣可有效提高沥青混合料疲劳寿命，并对缓解沥青路面疲劳开裂有重要意义.

(2)钢渣沥青混合料劲度模量与疲劳寿命随着应变水平的增加而大幅减小.与辉绿岩沥青混合料相比，在高应变水平下钢渣沥青混合料的优势更加明显.

(3)钢渣沥青混合料疲劳损伤演化过程可分为失稳、平衡、失效3个发展阶段，疲劳失效劲度模量衰减比Sr/S50小于50%，并随着应变水平的增大而逐渐减小.

(4)沥青混合料疲劳开裂主要发生在矿料-沥青界面处，矿料-沥青界面相结构对混合料疲劳性能有显著影响，高应变水平下混合料的疲劳破坏机理与低应变水平下不同.

(5)钢渣的化学性质和表面构造为界面相结构提供了交互黏附和嵌入锚固作用，可有效改善矿料-沥青界面相结构的稳定性，提高沥青混合料的疲劳性能.

参考文献：

[1] 高本恒,郝以党,张淑苓,等.钢渣综合利用现状及发展趋势[J].环境工程,2016，34(S1):776-779.

GAO Benheng,HAO Yidang,ZHANG Shuling,et al.Development trend and comprehensive utilization of steel slag[J].Environmental Engineering,2016，34(S1):776-779.(in Chinese)

[2] 李灿华,向晓东,周溪滢.钢渣开级配透水沥青混合料及性能研究[J].,2015,18(1):168-171.

LI Canhua,XIANG Xiaodong,ZHOU Xiying.Investigation of performance of porous open graded steel slag asphalt mixture[J].,2015,18(1):168-171.(in Chinese)

[3] WALIGORA J,BULTEEL D,DEGRUGILLIERS P,et al.Chemical and mineralogical characterizations of LD converter steel slags:A multi-analytical techniques approach[J].Materials Characterization,2010,61(1):39-48.

[4] 叶勇,周新星,刘全涛.细集料对钢渣沥青混合料粘附性的影响研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2016,40(3):423-427.

YE Yong,ZHOU Xinxing,LIU Quantao.Effect of fine aggregates on the adhesive properties of steel slag based asphalt mixture[J].Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science & Engineering),2016,40(3):423-427.(in Chinese)

[5] 谢君.钢渣沥青混凝土的制备、性能与应用研究[D].武汉：武汉理工大学,2013.

XIE Jun.Research on the preparation,performance and application of basic oxygen furnace slag based asphalt concrete[D].Wuhan：Wuhan University of Technology,2013.(in Chinese)

[6] de ALMEIDA A J,MOMM L,TRICHS G,et al.Evaluation of the influence of water and temperature on the rheological behavior and resistance to fatigue of asphalt mixtures[J].Construction and Building Materials,2018,158:401-409.

[7] 侯贵华,李伟峰,郭伟,等.转炉钢渣的显微形貌及矿物相[J].硅酸盐学报,2008,36(4):436-443.

HOU Guihua,LI Weifeng,GUO Wei,et al.Microstructure and mineral phase of converter slag[J].Journal of the Chinese Ceramic Society，2008,36(4):436-443.(in Chinese)

[8] 洪海,程培峰.HDPE-橡胶粉复合改性沥青应力吸收层混合料疲劳性能[J].哈尔滨工业大学学报,2014,46(12):125-128.

HONG Hai,CHENG Peifeng.Fatigue performance of stress absorbing layer asphalt combining HDPE and rubber powder[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2014,46(12):125-128.(in Chinese)

[9] 吴志勇,张肖宁,游宏,等.基于应变控制的沥青混合料疲劳寿命预测[J].华南理工大学学报(自然科学版),2014，42(2):139-144.

WU Zhiyong,ZHANG Xiaoning,YOU Hong,et al.Prediction of fatigue life of asphalt mixture based on strain control[J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2014，42(2):139-144.(in Chinese)

[10] 苑苗苗,张肖宁,陈伟强,等.沥青混合料疲劳失效判据探讨及验证[J].华南理工大学学报(自然科学版),2013,41(4):96-101.

YUAN Miaomiao,ZHANG Xiaoning,CHEN Weiqiang,et al.Investigation and verification of fatigue failure criterion of asphalt mixtures[J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2013,41(4):96-101.(in Chinese)

[11] 黄卫东,李本亮,黄明.沥青混合料自愈合特性四点弯曲疲劳试验研究[J].,2015,18(4):572-577.

HUANG Weidong,LI Benliang,HUANG Ming.Evaluation of self-healing of asphalt mixture through four-point bending fatigue test[J].,2015,18(4):572-577.(in Chinese)

[12] AASHTO T321-07 Standard method of test for determining the fatigue life of compacted hot mix asphalt subjected to repeated flexural bending[S].