钢渣沥青混凝土的疲劳性能及应变分析

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(1.昆明理工大学，建筑工程学院，云南 昆明 650500； 2.云南省土木工程防灾重点实验室，云南 昆明 650500；3.云南昆钢工业废渣利用开发有限公司，云南 昆明 650500)

1 前 言

根据国家统计局数据[1]，2014年，我国生产粗钢8.22亿吨，按照上述的粗钢与钢渣的转换关系计算，2014年我国生产钢渣约1.1亿吨，截止目前，全国钢渣累计堆存近10亿吨。不仅占用大量的土地面积，而且造成生态环境的严重破坏。如何提高利用率、充分有效地应用钢渣是目前面临的一个难题[2]。为了有效利用钢渣，考虑把钢渣应用于各个方面，如把钢渣应用于砌筑砂浆[3]、土壤改良剂[4]、水泥混凝土[5]、矿山处理排水的滤床[6]和建筑材料[7]，由于钢渣的体积不稳定性限制了其应用[8]。但钢渣具有良好的粘附性、棱角性和耐磨性等[9-10]，且沥青包裹后能防止钢渣膨胀，可把钢渣用于沥青路面的稳定碎石层[11]、超薄抗滑层[12]等道路材料。合理有效地把钢渣应用于沥青路面中代替部分天然集料，既节约资源又减少其对环境的污染[10]。

为了能更好地把钢渣应用于沥青混凝土路面建设，研究者从不同的角度研究和评价了钢渣应用于沥青混凝土的性能及影响。Marco Pasetto[11]使用两种不同类型的电炉渣代替天然骨料应用于柔性路面组成中的基层和路面基层沥青混凝土，试验结果表明钢渣用于公路建设使机械性能有很大提高。Ahmed Ebrahim Abu EI-Maaty Behiry[12]用理论分析的方法来估计沥青混凝土路面的抗疲劳性能，通过钢渣沥青混凝土和石灰岩沥青混凝土对比试验，结果表明钢渣的掺入有助于沥青混凝土性能的提高。吴少鹏等人[13]采用片麻岩作为粗集料，细钢渣作为细集料进行马歇尔的基本试验，表明细钢渣的加入对提高沥青混凝土水稳定性等有显著作用；还把钢渣作为粗集料制备SMA混合料，通过和玄武岩作为骨料的SMA混合料进行对比分析，结果显示，钢渣作为粗集料的SMA混合料满足相关规范要求，相对于玄武岩，钢渣作为骨料的SMA混合料的高温性能和低温抗开裂性能均得到改善[14]。但不同钢铁厂不同工艺产生的钢渣性能各异，昆钢钢渣游离氧化钙含量不高但其固溶在RO相中，很难消解，长时间的陈化处理后体积稳定性不良。本文针对昆钢钢渣的特点，对其替代普通集料后形成的沥青混凝土的疲劳性能进行了研究。

沥青混凝土是由集料、沥青和空隙组成的三相复合材料，其性能取决于集料形状及空间分布、空隙率大小[15]和沥青的性能[16]，简言之，沥青混凝土性能主要取决于集料特性和沥青性能。集料是沥青混凝土的重要组成部分，集料的组成和特性影响着沥青混凝土路面结构设计及性能的优化，一直成为研究的热点。沥青混凝土路面的疲劳指标也是其结构设计的重要参数之一，疲劳性能的评价分为外部因素和内部因素，外部因素主要为试验方法，试验温度，加载频率等，内部因素有沥青种类及用量、结构类型和集料最大粒径和集料类型[17]。对目前室内沥青混合料疲劳试验方法的对比和分析，由于间接拉伸疲劳试验以其抗压应力并存下的拉应力破坏模式更适合路面的应力状态，而被看好用于评价沥青混凝土疲劳力学性能，可作为本试验的试验方法。传统疲劳力学性能的分析方法较多，但大多方法用于均质材料，对非均质材料的分析存在一定的局限性[18]。研究表明，由于DIC方法对材料的疲劳裂纹分析具有理论意义和应用价值[19]，在材料力学性能分析上得到了很好的应用。

本文对不同形状的集料，在相同的级配下成型试件进行间接拉伸疲劳试验，结合数字图像相关方法对试件中心区域的变形进行分析，根据试件位移场应变场的变化信息，得到不同类型沥青混凝土应变变化累积过程。通过本试验为钢渣科学有效的应用到道路建设中提供一定的参考价值。

2 原材料及样品制备

2.1 原材料的选取

本试验所用试件均采用高富牌90#A级石油沥青，表1为沥青试验检测结果。钢渣来自昆钢，石料来自同一石场。表2为粒径9.5～13.2mm的粗集料试验结果，原材料选定符合《公路工程集料试验规》(JTG E42-2005)[20]要求。

表1 沥青特性测试结果Table 1 Test Results of Asphalt

表2 粗集料(9.5～13.2mm)特性测试结果Table 2 Test Results of Coarse Aggregates (9.5～13.2mm)

2.2 样品的制备

本试验选取AC-13沥青混凝土进行试验。试验确定的AC-13级配通过率见表3，级配曲线见图1，试件形貌见图2。

图2为粗细钢渣沥青混凝土与普通沥青混凝土外观形貌图，其外观具有明显的区别。图2(a)用细钢渣代替天然细集料制备的AC-13试件，粗骨料被含细钢渣的沥青胶浆充分地推挤开，细钢渣与沥青形成沥青胶浆起到很好地填充作用。图2(b)用粗钢渣代替天然粗集料制备的试件，细集料与沥青形成的沥青胶浆很好地填充在骨料之间，形成很好的裹覆作用，但从该试件表面看出，粗钢渣内部有大量的空隙和表面呈凹凸不平状，很少有尖锐的棱角出现，有利于增强粗骨料和沥青、沥青胶浆之间相互的粘结力和裹覆力。图2(c)用普通沥青混凝土试件粗集料形状较为规则，表面较平整，尖锐棱角存在较多。

表3 集料筛分试验结果Table 3 Sieving Test Results of Aggregates

图1 AC-13型沥青混合料级配设计 Fig.1 Gradation Design of AC-13 Asphalt Concrete

图2 试件形貌 (a) 细钢渣代替天然细集料； (b) 粗钢渣代替天然粗集料； (c) 天然集料沥青混凝土Fig.2 Specimen Morphology (a) Fine steel slag replaces natural fine aggregate; (b) Coarse steel slag replaces natural coarse aggregate; (c) Natural aggregate asphalt concrete

3 试 验

3.1 疲劳性能试验

本试验选用应力控制模式进行间接拉伸疲劳试验，采用UTM-30试验机。试验前，试件置于环境箱中(设置目标温度20℃)保温4h[21]。在20℃下进行试验，控制前10次循环初始微应变在100～400με之间[21]，初估沥青混凝土的泊松比为0.35[22]。为了保持试件与加载条之间的良好接触，施加竖向接触力，根据SHRP对间接拉伸试验接触力大小的推荐，在20℃时，10%的接触力对试件造成较为明显的蠕变变形，未加载时，位移传感器很难达到稳定，会有明显的漂动[23]。采用最大荷载的4%，但不能小于22.2N，不能超过89N[24]。所以本试验设置接触力为50N。根据规范[21]经多次调试，选用拉伸应力为600KPa。波形为非连续半正弦波，加载100ms，间歇400ms。荷载波形如图3所示。

图3 荷载波形图Fig.3 Load Waveform 1—Pulse repetition period；2—Rise time

3.2 DIC测试系统的构建

试验中数字图像测试系统组成有高速摄像机、Vic-2D分析软件、冷光源和计算机。制作试件表面散斑，安置冷光源，调试DIC测试系统，最后对试件的加载变化过程进行图像采集。

4 试验结果及分析

4.1 体积指标测定

应用水中重法测定试件的体积参数，部分试件体积参数如表4所示。表中数据为测定最终配合比成型试样所得，钢渣取代粗细集料采用等体积代换，表中列出相同配合比下部分沥青混凝土的体积参数。

4.2 间接拉伸回弹应变及回弹模量分析

本试验间接拉伸回弹应变试验结果如图4。

表4 部分试件体积指标参数 Table 4 Part of Specimen Volume Index Parameters

图4 钢渣沥青混凝土水平回弹应变曲线Fig.4 Steel Slag Asphalt Concrete Horizontal Resilience Strain

图4表明：三类试件的水平回弹应变主要经历三个阶段。第I阶段:变形平稳发展阶段(裂纹形成阶段)，由放大图可以看出，在很少的循环下产生较大的应变，即应变快速增长阶段表征了微裂纹的形成，此阶段持续时间很短，沥青混凝土在此阶段占整个疲劳寿命很少。第II阶段:应变平稳变化阶段，表征了裂纹稳定扩展，其斜率变化趋于稳定值，即变形增量很小。从图4中可以清晰地看出细钢渣和粗钢渣代替天然集料的沥青混凝土应变变化较普通试件的平缓，此阶段持续时间较普通试件的持续时间较长，粗钢渣代替天然集料沥青混凝土持续时间是普通试件的约1.3倍，细钢渣沥青混凝土持续时间约为天然集料沥青混凝土的2倍。由此从第II阶段得出钢渣代替天然集料在沥青混凝土的抗变形能力(抗裂纹扩展能力)方面有很大的提高；第III阶段：进入失稳扩展阶段，表征了试件的破坏，其斜率快速增大，在短时间内快速破坏。

图5 钢渣沥青混凝土回弹模量曲线Fig.5 Resilient Modulus of Steel Slag Asphalt Concrete

图5为钢渣沥青混凝土和天然集料沥青混凝土的回弹模量变化曲线。回弹模量用于评价路面材料抗压强度，是在试验过程中回弹应变值和应力值的比值。从图5中可以看出，回弹模量的变化经历三个阶段，这三个阶段与回弹应变值的三个变化阶段相对应。图5表明，钢渣代替天然集料的沥青混凝土抗压强度优于普通沥青混凝土，抗压强度大小为：细钢渣沥青混凝土>粗钢渣沥青混凝土>普通沥青混凝土。

疲劳试验过程中，首先在试件中部应力集中处出现裂纹，然后裂纹从中间逐步扩展直至贯穿试件，最终导致试件破坏。为清楚地看出试件裂纹的形成和扩展过程，结合数字图像相关方法对沥青混凝土变形与应变进行分析。

4.3 变形及应变云图分析

数字图像相关方法是一种基于计算机视觉原理、数字图像处理和数值计算的、非接触、非干涉、全场变形光学计量方法，是当前实验力学领域最活跃、最受关注、应用最广泛的光测力学方法之一。本文通过数字图像相关方法对沥青混凝土试件进行局部(中心区域)应变分析，其变形与应变如下所述。

图6为粗钢渣沥青混凝土试件X方向应变Exx变化云图。间接拉伸的拉伸应力理论上从试件中心区域向两边递减，中心区域存在较大的拉伸应力，产生较大的变形。图中可见，试件中部存在较大的应变，说明此处试件变形较大，并且变形主要集中在沥青胶浆及骨料和沥青的界面处，因骨料的形状不规则，在骨料之间的胶浆区域或骨料与胶浆的界面处存在应变集中现象，且在该区域有较大的应力作用，故在疲劳应力荷载交替循环下极易产生裂纹。从图中还可看出，试件疲劳应变在加载过程中逐渐累积，试件中部变形最大，形成接近带状的应变集中区，并沿两侧逐渐减弱，与试件理论上所受间接拉伸应力分布相一致，带状区形状与试件疲劳裂纹的形成及扩展路径一致。

图6 粗钢渣沥青混凝土应变云图((a)、(b)、(c)分别表示1000、3500、6000次循环对应的试件应变)Fig.6 Strain Contour of Coarse Steel Slag Asphalt Concrete((a), (b), (c) represent the strain of the test specimens corresponding to 1000, 3500, 6000 cycles, respectively)

从图7中看出，普通沥青混凝土试件在加载过程中，垂直方向中部应变明显，存在应力集中现象，其最大应变发生在沥青与细集料形成的沥青胶浆区域，其次出现在胶浆与骨料的交界面上。由于天然集料大多为机制而成，棱角尖锐，导致应力作用增大，在相同的应力水平，疲劳应变累积速率增大，导致裂纹的形成较早，扩展较剧烈，疲劳寿命缩减。

从图8中可以看出，细钢渣沥青混凝土疲劳应变出现区域及应力集中区域与图6和图7存在很大的差异，应变在沥青胶浆和骨料交界面处较大，疲劳过程中应力较大区域首次出现并不在试件中心区域，随着加载的进行，应力最大区域出现在试件中心部位，并不断的累积，与图6和图7应变云图对比，相同循环荷载作用下，应变分布存在很大的差异，即最大应变并未出现在沥青胶浆区域。图8应力集中区域较为分散，应力作用下形成分散的裂纹，然后分散裂纹继续扩展形成贯穿裂纹。

综合以上图6，图7和图8来看，数字散斑相关方法得到的应变场的最大路径与实际裂缝发生的位置基本一致，表明数字散斑相关方法是获取沥青混凝土试件表面真实应变分布状态的有效方法。由DIC方法清晰地看出试件表面应力应变的积累变化过程，钢渣沥青混凝土和普通沥青混凝土最大的应变都在沥青胶浆区域，其次为沥青胶浆和集料的界面处，在相同的循环次数下，细钢渣沥青混凝土的应变集中区分散，未形成明显的扩展路径。

在相同试验条件和加载方式下，试件的疲劳循环次数对比如表5所示。表5表明，钢渣代替天然集料用于路面材料在疲劳性能方面具有一定的优势。

表5 沥青混凝土破坏循环次数Table 5 Asphalt Concrete Destruction Cycles

在间接拉应力600KPa下，普通试件的循环次数为6211次，细钢渣沥青混凝土循环次数为10801次，相对于普通集料沥青混凝土疲劳寿命增加74%，相对于粗钢渣沥青混凝土疲劳寿命也大幅提高，提高43%；粗钢渣沥青混凝土为7551次，相对普通集料沥青混凝土疲劳寿命增加22%。通过上述试验表明：钢渣作为骨料代替天然集料，耐疲劳性优于天然集料沥青混凝土，其中细钢渣的掺入对沥青混凝土耐疲劳性能的提高有显著作用。

图7 普通沥青混凝土应变云图((a)、(b)、(c)分别表示1000、3500、6000次循环对应的试件应变)Fig.7 Strain Contour of Common Asphalt Concrete((a), (b), (c) represent the strain of the test specimens corresponding to 1000, 3500, 6000 cycles, respectively)

图8 细钢渣沥青混凝土应变云图((a)、(b)、(c)分别表示1000、3500、6000次循环对应的试件应变)Fig.8 Strain Contours of Fine Steel Slag Asphalt Concrete((a), (b), (c) represent the strain of the test specimens corresponding to 1000, 3500, 6000 cycles, respectively)

5 结 论

1.裂纹稳定扩展阶段对试件的疲劳寿命长短起着关键性作用，试件抗变形能力:细钢渣沥青混凝土>粗钢渣沥青混凝土>普通沥青混凝土。

2.试件破坏发生在应变较大的中心区域，破坏路径与DIC方法所得的较大应变集中分布带基本一致。裂纹大多先出现在胶浆与骨料的交界面应力集中较大处，产生较大应变，应变随即向胶浆中心区域扩散，导致最终的破坏路径出现在试件中心区域，并在胶浆区域或胶浆与骨料的交界面形成破坏路径。

3.钢渣取代部分天然粗集料和细集料，在相同的试验条件下，钢渣沥青混凝土的疲劳寿命得到了大幅的提高，其中以细钢渣取代细集料所制试件效果最为显著。将昆钢钢渣运用于沥青路面中在其力学性能上与天然集料沥青路面相比有着很好的应用前景。