钢渣沥青混合料路用性能的实验研究

许建斌

（安徽交通职业技术学院土木工程系， 安徽 合肥 230051）

0 引言

钢渣是炼钢过程的副产品，属于固体废物，其产量约占钢铁产量的15%[1]。在我国，钢渣的年产量已突破1 亿吨，然而其有效利用率较低仅仅为22%左右[2]。因此，将钢渣作用建筑材料应用于土木工程领域将会大大提高其利用率[3-5]。

在公路工程领域，研究人员开展了一系列关于钢渣沥青混合料（Steel Slag Asphalt Mixture, SSAM）的研究与实践。申爱琴等人借助于多应变水平下的疲劳试验研究了SSAM 的疲劳性能，并认为掺加钢渣可提升混合料的疲劳[6]。高振鑫等人研究了钢渣对沥青混合料水稳定性的影响机理并认为钢渣可改善水稳定性[7]。李伟等人研究了SSAM 的层间抗剪切性能，结果显示SSAM 层间抗剪效果优于普通沥青混合料[8]。申爱琴等人还研究了钢渣沥青路面抗滑性能的衰减过程，结果表明钢渣的纹理和孔结构特征能够提高抗滑性能的稳定性[9]。除此之外，随着近些年沥青路面自愈合技术的飞速发展，研究人员将钢渣作为增强沥青自愈合技术的重要载体广泛的应用于沥青混合料[10-11]。综上所述，将钢渣当做集料应用于沥青路面不仅拓宽了钢渣利用渠道，还能够改善沥青混合料的多项性能以及实现沥青路面的多功能性。本文主要针对钢渣作粗集料的沥青混合料的路用性能展开实验研究，通过对比普通AC-13 型与钢渣AC-13 沥青混合料的各项路用性能，进一步明确钢渣对沥青混合料性能的影响程度，以期为工程实践提供参考。

1 材料与实验方案

在本项研究中，研究钢渣完全替代粗集料（≥2.36mm）时混合料的路用性能，并且采用玄武岩粗集料成型的沥青混合料作为实验对照组。钢渣与对照组沥青混合料中细集料均使用玄武岩，填料均采用石灰岩矿粉。集料与矿粉经检验均符合规范要求。根据施工技术规范（JTG F40-2004）要求，实验所用钢渣已破碎且已存放6 个月以上。

实验所使用的沥青为针入度70#基质沥青，其主要技术指标如表1。

表1 沥青技术指标

实验级配采用在我国使用较多的AC-13 型级配，其级配组成如表2 所示。沥青混合料的设计根据我国规范使用Marshall 法以便为我国类似工程提供参考。

表2 沥青混合料级配（AC-13）

2 实验结果与讨论

2.1 钢渣对最佳沥青用量的影响及分析

根据室内沥青混合料设计实验结果可知，SSAM 与普通AC-13 的最佳沥青用量分别为5.1%和4.3%，即SSAM 的最佳沥青用量比普通AC-13 高18.6%。Shaopeng Wu 等人曾将钢渣应用于SMA 沥青混合料，并得到了钢渣与玄武岩集料的扫描电镜图片，如图1 所示。根据图1 可知钢渣颗粒表面存在很多小孔，而玄武岩集料表面未见明显孔结构，并且数据显示钢渣集料表面的孔隙率是玄武岩集料的24 倍（5.76% VS 0.24%）[12]。由此可见，SSAM 的最佳沥青用量的增大

图1 钢渣（a）与玄武岩（b）的扫描电镜图[12]

可能是由于钢渣颗粒存在较多的孔隙结构，该结构消耗了更多的沥青，这也会通过增加混合料中沥青用量增加造价。另一方面由于孔结构吸附了更多的沥青，即存在一部分沥青“渗入”钢渣集料内部，形成的这种结构可能会增强钢渣集料与沥青界面的相互作用。

2.2 高温性能

本研究使用60℃车辙试验（T 0719-2011）评价两种沥青混合料的高温稳定性能。实验步骤完全按照实验规程要求，实验结果如表3 所示。

表3 车辙试验结果

由表3 结果可知，两种沥青混合料的动稳定度均大于1000 次/min，即两种沥青混合料的抗车辙效果均能满足规范要求。值得注意的是，普通AC-13 的动稳定度明显低于SSAM，且比SSAM 低约12.3%。所以由上表结果可以看出，AC-13 型SSAM 的高温抗车辙性能优于普通AC-13，这可能是由于钢渣颗粒表面较玄武岩集料更为粗糙，在混合料内部提供了更大的摩阻力从而提升了抗车辙性能。并且其孔结构吸附了沥青提高了沥青-集料的界面作用，提升了抗车辙性能。

2.3 低温性能

本研究采用-10℃小梁弯曲实验（T 0715-2011）评价两种沥青混合料的低温拉伸性能。实验步骤严格按照实验规程要求，实验结果如表4 所示。

表4 低温弯曲试验结果

由表4 实验结果可知，在相同低温（-10℃）状态下，SSAM 的破坏弯拉应变大于普通AC-13，说明了SSAM 在荷载作用下能承受更大的变形。而且SSAM的弯曲劲度模量明显小于普通AC-13（约小11.55%）。结果说明了SSAM 的低温抗裂性能更好。产生这种结果的原因可能是钢渣粗糙且多孔的表面特征以及钢渣的碱性性质[13]，促使沥青与其表面产生更强的粘附性，在低温状态下承受更大的弯拉应变而不至于破坏。

2.4 水稳定性

沥青路面在水与荷载的耦合作用下容易出现松散剥落，即出现水损害。在本研究中使用冻融劈裂实验（T 0729-2000）评价两种沥青混合料的水稳定性。实验结果如表5 所示。

表5 冻融劈裂实验结果

由表5 实验结果可知，两种沥青混合料的冻融劈裂强度比均大于75%，即均满足施工技术规范要求。对比两种沥青混合料可知，SSAM 的冻融劈裂强度比虽小于普通AC-13，但两者差值较小，说明SSAM 的水稳定性较普通AC-13 区别并不明显。

3 结论

本研究通过室内试验研究了普通AC-13 与钢渣AC-13 两种沥青混合料，得出主要结论如下：

1）使用钢渣作为沥青混合料集料时会增加沥青用量，其原因是由于钢渣颗粒表面较为粗糙且存在大量的孔结构，其孔结构也可能会增强集料与沥青之间的界面相互作用。

2）钢渣沥青混合料的高温抗车辙性能与低温抗裂性能优于普通AC-13，在实际工程中可使用钢渣作为集料改善密级配沥青混合料的高低温性能。

3）钢渣沥青混合料的水稳定性稍弱于普通AC-13 型沥青混合料，但两者差别并不十分明显，在工程应用中应注意其对水稳定能的影响。