钢渣沥青混合料早期性能的时变规律研究

卢章天　黄岩峰　温剑启

摘要：在钢渣沥青混合料路面成型早期，裹覆钢渣集料的结构沥青和自由沥青仍处于变化之中，钢渣沥青混合料早期性能也随时间发生变化。文章通过沥青浸渍实验对比分析钢渣、石灰岩碎石对沥青的吸收特性随时间变化的规律，并将沥青混合料试件放置不同时间后进行室内车辙试验、低温弯曲小梁试验、冻融劈裂试验，研究不同钢渣掺量（0%、50%、100%）沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性随时间变化的规律。结果表明：钢渣对沥青的瞬时吸收量约为石灰岩碎石的10倍，且钢渣对沥青的吸收量随时间增大，约10 d后趋于稳定;钢渣掺量越高，最佳沥青用量越高，新成型试件的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性越好，但随着试件放置时间增加，低温抗裂性和水稳定性衰退。

关键词：钢渣沥青混凝土;配合比设计;路用性能;时变规律;吸收沥青

中国分类号：U414文献标识码：A

0 引言

2019年，全国规模以上工业企业粗钢、生铁、钢材产量分别为99 634万t、80 937万t和120 477万t，同比分别增长8.3%、5.3%和9.8%[1]。钢渣是炼钢过程中排出的熔渣，是钢铁生产中的主要副产物，其数量一般为粗钢产量的12%～20%。长期以来，我国大部分钢渣被当作废物堆弃，其综合利用率极低，不仅占用大量土地，且易引发环境污染问题[2-3]。为提高钢渣的综合利用率，促进钢铁产业的可持续发展，道路工作者发现钢渣具有密度大、强度高、表面粗糙、稳定性好、耐磨与耐久性好、与沥青结合牢固等特点，可用作筑路材料[4-5]。钢渣为多孔性材料[6]，在使用过程中，在毛细管力以及沥青自身流动性作用下，沥青会逐渐进入钢渣的孔结构，钢渣沥青混合料的沥青含量和沥青膜厚度随时间发生变化，这虽然能提高结构沥青的比例，但也可能使沥青路面发生剥离、开裂等早期病害[7-8]。因此，采用钢渣作为沥青混合料的组成材料时有必要考虑钢渣的密度、孔特征与普通集料的差异及其对混合料设计及性能的影响[9-10]。本文通过沥青浸渍试验分析钢渣吸收沥青随时间的变化规律，研究钢渣沥青混合料早期路用性能的时变规律，从而合理地确定钢渣沥青混合料的最佳沥青用量，并对考虑时间因素的早期路用性能评价提供参考依据。

1 原材料

1.1 钢渣

1.1.1 化学性质

本试验采用武汉钢铁集团存放近一年的转炉钢渣，其化学成分如表1所示。除了f-CaO，钢渣的其他成分均比较稳定。f-CaO结构致密、晶粒大、晶格紧密，与水反应的速度极慢，但吸水发生化学反应后，其体积膨胀近一倍，是影响钢渣沥青混合料路用性能的重要因素。武钢转炉钢渣的f-CaO含量为1.82%，满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的要求（≤3%）。

1.1.2 技术性质

鋼渣作为筑路集料还必须具备与普通石灰岩、玄武岩碎石相当的物理、力学性能，其检测结果如表2所示。可以看出，钢渣的表观相对密度、10 d浸水膨胀率、粘附性、磨耗值、压碎值等各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的相关要求。

1.2 沥青

沥青为东海70#基质沥青，其相对密度为1.033 g/cm3、针入度为6.32 mm、软化点为47.6 ℃、60 ℃动力黏度为218 [HTSS]Pa·s、15 ℃延度>100 cm以及其他各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的相关要求。

1.3 集料及填料

集料及填料分别为兴业县葵阳镇的石灰岩碎石、石灰岩磨细矿粉，其各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的相关要求（如表3、表4、表5所示）。

2 试验方法

2.1 沥青浸渍试验

为研究钢渣对沥青的吸收特点及其随时间变化的规律，本试验采用文献[9]中提到的沥青浸渍实验测定钢渣与石灰岩碎石的有效相对密度γbi，即集料吸收部分沥青后的密度，并结合沥青的相对密度γb和集料的毛体积相对密度γsb，按式（1）计算集料对沥青的瞬时吸收量Pba。

2.2 混合料早期路用性能试验

采用马歇尔设计方法进行钢渣沥青混合料的配合比设计，确定钢渣掺量分别为0%、50%、100%，然后将成型好的试件在室温下放置不同时间（1 d、3 d、5 d、10 d、20 d、30 d）后，再分别进行车辙试验、低温小梁弯曲试验、冻融劈裂试验，以研究钢渣沥青混合料的早期路用性能随时间变化的规律。试验具体步骤按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的相关要求进行。

3 试验结果与分析

3.1 钢渣对沥青的吸收特征

在沥青混合料成型及使用过程中，集料的开口孔隙会逐渐吸收部分沥青而导致混合料性能的变化。因为钢渣具有多孔结构，所以钢渣对沥青的吸收不可忽略[11]。本文通过沥青浸渍实验对比分析了钢渣与普通石灰岩对沥青吸收性的差异以及钢渣对沥青的吸收量与时间的关系。

3.1.1 集料对沥青瞬时吸收量对比

表6为钢渣与石灰岩碎石对沥青的瞬时吸收量对比表。从表6可以看出，钢渣的表观相对密度和毛体积相对密度差值较大，达0.3～0.5，远大于石灰岩集料的0.01～0.04，钢渣对沥青的瞬时吸收量约为石灰岩碎石的10倍左右，这主要是因为钢渣具有多孔性结构，而石灰岩碎石质地致密，孔隙不发达。另外，可以看出，集料对沥青的瞬时吸收量与其粒径大小无明显变化规律，这可能是集料的孔隙特征变异性较大和集料比表面积差异共同导致的结果。

3.1.2 钢渣对沥青的吸收量随时间的变化规律

为研究钢渣对沥青的吸收量与时间的关系，采用沥青浸渍试验测定钢渣对沥青的吸收量。与前文的不同之处在于改变钢渣在沥青中的浸渍时间，分别为1 d、2 d、3 d、5 d、10 d、20 d、30 d。钢渣对沥青的吸收量随时间的变化规律如图1所示。

从图1可以看出，沥青进入钢渣孔隙的过程具有时间依赖性。在浸渍初期（1～5 d），钢渣对沥青的吸收量随浸渍时间增加而急剧增加;在浸渍中期（5～10 d），钢渣对沥青的吸收速率稍微减缓;而在浸渍后期（10～30 d）钢渣对沥青的吸收率基本达到最大值，此时的吸收量几乎为瞬时吸收量的2倍。这是因为在浸渍初期钢渣具有较多的孔隙且孔隙较大，孔隙内部空气压力较小，沥青在自身流动性和毛细管力作用下较容易进入钢渣的孔隙结构中。而随着钢渣孔隙被沥青不断填充，其孔隙变小，空气压力变大，沥青进入孔隙的速率逐渐减小至零，此时沥青的流动压力、毛细管力与孔隙的空气压力达到平衡，钢渣对沥青的吸收量也达到饱和状态。

3.2 配合比设计结果

马歇尔设计方法中集料的比例是按体积比计算的，但在实际中为了方便，一般按集料的重量比配料，其前提是各档集料的比重相當。钢渣、石灰岩碎石的表观相对密度相差高达20%以上，因此采用钢渣代替部分或全部石灰岩碎石时必须考虑两者体积的差异性[12]。本试验以拌制AC-13型沥青混合料为例，将钢渣和石灰岩碎石筛分分档，以最接近公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006）中AC-13的级配中值作为试验级配。根据等体积原则分别以0、50%、100%的钢渣取代2.36 mm以上的石灰岩集料，2.36 mm以下集料全部采用石灰岩集料，合成级配见表7。最后通过马歇尔试验确定钢渣掺量为0%、50%、100%三种沥青混合料的最佳沥青用量分别为4.56%、5.31%、5.74%。可以看出，钢渣掺量越大，最佳沥青用量越高。

3.3 钢渣沥青混合料路用性能的时变规律

在钢渣沥青混合料路面铺筑初期，钢渣会不断吸收沥青，使混合料中结构沥青含量以及沥青膜厚度发生变化，同时可能使沥青与钢渣之间的界面粘结状态发生变化。在考虑钢渣吸收沥青的时间依赖性的基础上，通过室内试验研究了钢渣沥青混合料路用性能随时间变化的规律。

3.3.1 高温稳定性的时变规律

从图2可以看出，用钢渣代替部分或全部石灰岩集料后，沥青混合料的动稳定度有所提高，且替代率越大，提高幅度越大，当替代率为100%时，其动稳定度约为0替代率时的两倍。这说明使用钢渣替代石灰岩集料可以提高沥青混合料的高温稳定性和抗永久变形能力。随着车辙试件放置时间的增加，钢渣沥青混合料的动稳定度增加并约在10 d后达到稳定状态，这与钢渣对沥青的试验结果基本吻合。放置10 d后50%和100%钢渣替代率的沥青混合料的动稳定度分别比初始值提高21.1%、21.3%。而普通石灰岩沥青混合料（即0钢渣的沥青混合料）的动稳定度几乎不变，始终保持稳定。这主要是因为：

（1）与石灰岩碎石相比，钢渣的棱角性更好，经压实成型后骨料之间的相互嵌挤作用更强，内摩擦角更大，钢渣沥青混合料抗变形能力更好;

（2）与石灰岩相比，钢渣的表面纹理更加丰富，较多的孔隙结构使得钢渣与沥青之间的粘结界面更大、更强;

（3）随着时间延长，沥青或沥青胶浆不断被吸收进入钢渣的开口孔隙中，不仅提高了混合料中结构沥青的比例，且使钢渣处于被沥青胶浆贯穿的网络结构中，钢渣和沥青胶浆能更好地融为一体，使钢渣与沥青胶浆的整体性增强。

3.3.2 低温抗裂性的时变规律

图3为钢渣沥青混合料低温小梁弯曲试验结果随试件放置时间变化的曲线图。

从图3可以看出：（1）随着放置时间增加，钢渣沥青混合料的抗弯拉强度和弯拉应变呈减小趋势，劲度模量逐渐增大，且三者均在10 d后趋于稳定，而普通石灰岩沥青混合料的结果则比较稳定，与放置时间相关性不大;（2）在放置时间<5 d时，钢渣掺量越大，其抗弯拉强度和弯拉应变越大，劲度模量越小。

抗弯拉强度和弯拉应变分别反映了沥青混合料抵抗弯拉应力而不被破坏以及发生形变的能力，劲度模量为抗弯拉强度与弯拉应变的比值。一般认为抗弯拉强度越高，弯拉应变越大，劲度模量越小，材料的低温抗裂性越好。新成型的钢渣沥青混合料比普通沥青混合料具有更好的低温抗裂性能，但随着时间增加，其低温抗裂性能急剧下降，并在成型后10 d左右达到稳定状态。放置10 d后50%和100%钢渣替代率的沥青混合料的低温弯拉应变值分别比初始值减小36.9%、38.7%。这是因为钢渣具有多孔性，沥青或沥青胶浆会在毛细管作用下不断进入钢渣的孔隙结构中。在成型初期，钢渣对沥青的吸收有利于提高结构沥青的比例，增强钢渣与沥青之间的相互作用，从而改善混合料的低温抗裂性能;但随着钢渣对沥青的吸收量增大，沥青膜厚度大幅度减小，无法满足最低要求，使钢渣沥青混合料的低温抗弯拉强度和抗变形能力下降[13]。

3.3.3 水稳定性的时变规律

下页图4为钢渣沥青混合料冻融劈裂试验结果随试件放置时间变化的曲线图。

从图4可以看出，钢渣沥青混合料冻融前后的劈裂强度、劈裂强度比与钢渣掺量及试件放置时间有关，且钢渣掺量越大，试件放置时间的影响越大。当钢渣掺量为0时，即普通石灰岩混合料，其劈裂强度、劈裂强度比几乎不随时间变化;而当钢渣掺量为50%、100%时，钢渣沥青混合料劈裂强度、劈裂强度比与试件放置时间紧密相关。在试件成型初期（放置[JP+1]时间<5 d），3种混合料的冻融劈裂强度比相当，但钢渣沥青混合料冻融前后的劈裂强度均高于普通沥青混合料，且随时间增加而增加;5 d后，冻融前后的劈裂强度以及冻融劈裂强度比均急剧下降，直到10 d后才逐步达到稳定状态，此时，50%和100%钢渣替代率的沥青混合料的冻融劈裂强度比（TSR）分别比初始值减小10.4%、13.6%。这主要是因为：（1）对于新成型的试件，由于钢渣的强碱性以及丰富的表面纹理，与沥青具有更强的粘结力，水分难以进入钢渣与沥青的界面，从而使钢渣沥青混合料的水稳定性能优于普通石灰岩沥青混合料;（2）在试件成型初期，钢渣吸收沥青，使结构沥青比例增加，有利于提高钢渣与沥青的粘结强度，从而改善沥青混合料的水稳定性;（3）5 d后，随着钢渣对沥青的不断吸收，集料表面的沥青膜厚度快速减小，无法满足最低要求，同时集料表面沥青的迁移作用也会破坏集料与沥青之间的界面稳定性以及两者的粘结强度，使水分更容易进入界面，从而导致混合料抗水损害性能下降[14]。另外，冻融劈裂试件表面出现了白色的结晶颗粒，可能为Ca（OH）2或CaCO3，且放置时间越长，结晶颗粒越多，表明钢渣中的f-CaO对沥青混合料的水稳定性存在一定影响。

4 结语

（1）钢渣具有多孔结构，钢渣对沥青的瞬时吸收量约为石灰岩的10倍，且钢渣对沥青的吸收量随浸渍时间增加，约10 d后达到稳定状态。另外，集料粒径与沥青吸收量无显著关系。

（2）钢渣掺量越高，钢渣沥青混合料的最佳沥青用量越大，新成型试件的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性越好。但随着时间增加，钢渣不断吸收沥青，钢渣沥青混合料的结构沥青比例增加、沥青膜厚度减小，沥青与钢渣集料之间的界面粘结状态也发生变化，钢渣沥青混合料的高温稳定性有所改善，然而低温抗裂性和水稳定性发生衰退，且钢渣掺量越高，混合料性能变化幅度和速率越大。

（3）鋼渣沥青混合料的设计与应用必须考虑钢渣对沥青吸收性的影响，传统马歇尔设计方法确定的最佳沥青用量无法满足钢渣沥青混合料后期路用性能的要求。建议采用马歇尔方法设计的钢渣沥青混合料应进行放置10 d后的性能验证。如果不具备条件，可对动稳定度、低温弯拉应变和冻融劈裂强度比进行修正，修正系数分别为1.2、0.65、0.9。

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