钢渣透水沥青混合料性能研究

李 婕

(长沙中大建设监理有限公司， 湖南 长沙 410000)

0 引言

随着经济的稳步提升，我国的交通行业也在持续发展，新建道路和旧路养护任务依旧繁重。巨大的道路建、养需求离不开大量的天然集料。然而天然集料的获取需要开山伐林，不仅消耗了大量的人力和物力，同时还会对自然环境造成不可挽回的破坏;此外，随着环保理念的日益贯彻，全国各地都颁布了限制砂石开采的相关文件，优质的天然集料越发难以获得。因此，寻找可替代天然集料的产品需求日益迫切。

钢渣是钢铁生产的副产品，具有多重优势，有望替代优质石料。我国是钢铁大国，据统计，1t钢会产生0.1～0.15t钢渣，全国每年的钢渣产量约为3800万t，现存钢渣2亿多t[1-2]。钢渣堆积不仅导致大量土地被占用，同时还会对环境造成破坏。由于钢渣的物理力学性能优于普通碎石，因此，用钢渣代替部分或者全部碎石集料制备钢渣沥青混合料，既可以解决钢渣堆积带来的环境问题，还能减少对优质石料的依赖[3]。

目前关于钢渣沥青混合料的路用性能已有部分研究。李灿华等[4]研究发现钢渣沥青玛蹄脂碎石混合料的路用性能优良。谢勇等[5]研究发现钢渣密集配沥青混合料具有良好的嵌挤效应，可以提高路面抗剪切性能。现阶段，关于钢渣沥青混合料性能的研究多集中在密级配或沥青玛蹄脂碎石级配上，而关于钢渣透水沥青混合料的性能研究较少。为此，本文对OGFC(Open Graded Friction Course，大孔隙开级配排水式沥青磨耗层)钢渣沥青混合料进行研究。

1 原材料和试验方法

1.1 试验原材料

1.1.1基质沥青

OGFC为大孔隙结构，集料间为点与点的接触，对沥青的粘结性能要求较高，故需采用高粘沥青。高粘沥青技术性能试验结果见表1，其各项性能指标均满足《透水沥青路面技术规程》[6]的技术要求。

表1 高粘沥青试验指标针入度/mm延度/cm软化点/℃动力粘度/(Pa·s)弹性恢复/%溶解度/%试验结束453590300 0009899规范要求≥40≥30≥80≥200 000≥95≥99

1.1.2集料

已有研究表明，采用钢渣全部替代天然集料制备的沥青混凝土难以压实、孔隙率过大，会导致沥青用量过大[7]。因此，在实际使用时，多采用钢渣和天然集料复配的方式。本文粗集料采用钢渣和玄武岩，细集料采用玄武岩。其中钢渣为湖南华菱钢铁集团生产的转炉渣，级配见表2，主要成分和物理力学性能分别见表3、表4，各项性能指标均满足《沥青混合料用钢渣》[8]的要求。

表2 钢渣天然级配下列筛孔(mm)累计筛余百分率/%16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.0751009286122.31.60.5———

表3 钢渣化学组成及含量%CaoSiO2Al2O3MgOFe2O3MnOP2O5TiO2f-CaO42.2317.433.654.6720.143.670.644.182.32

表4 钢渣和玄武岩的技术指标类别表观相对密度吸水率/%压碎值/%洛杉矶磨耗/%针片状含量/%粘附性等级磨光值钢渣3.241.2515.212.110568玄武岩2.930.31613.211.2458规范要求≥2.9≤3.0≤22≤22≤12≥4≥42

1.2 试验方法

1.2.1钢渣沥青混合料制备

分别以20%、40%、60%、80%和100%的钢渣替代等量的玄武岩粗集料制备OGFC-13沥青混合料。由于钢渣的密度比玄武岩高，为了使目标级配曲线与实际级配曲线保持一致，在掺配时按照体积比进行掺配，钢渣粗集料的级配见表5。采用马歇尔方法进行配合比设计,得到5种钢渣掺量的OGFC-13沥青混合料最佳油石比分别为5.3%、5.6%、5.9%、6.1%、6.3%，目标孔隙率为20%。

表5 OGFC-13集料级配下列筛孔(mm)累计筛余百分率/%16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.0751009555201512108.564

1.2.2钢渣沥青混合料路用性能研究

采用车辙试验研究钢渣沥青混合料的高温性能；采用动态模量试验研究钢渣沥青混合料在受到应变后的抵抗变形能力，加载方式为正弦加载，频率取1Hz；采用摆氏摩擦仪研究钢渣沥青混合料的抗滑性能，取随机5个测试点的平均值为结果。各项试验均严格按照《公路沥青及沥青混合料试验规程》[9]进行。

2 试验结果与分析

2.1 高温性能

夏季高温，沥青混合料容易发生高温变形，在车辆荷载的作用下，更容易产生变形。因此，沥青混合料的高温性能一直是国内外研究的热点，常用车辙试验的动稳定度来表征沥青混合料的高温性能。车辙试验利用车轮荷载在沥青混合料上反复碾压，充分模拟车轮荷载在沥青路面上行走的状况，与实际相关性较好。不同钢渣掺量沥青混合料的高温稳定性结果见图1。

图1 不同钢渣掺量沥青混合料的高温稳定性

由图1可知，掺加钢渣提高了沥青混合料的高温稳定性。天然集料的动稳定度为4053次/mm，掺加钢渣后动稳定度提高到了5545 ～ 7532次/mm，增幅为36.8%～85.3%。可见，钢渣代替天然集料后对沥青混合料的高温性能提升非常明显。因为钢渣具有高碱度特性且表面粗糙，与沥青有良好的粘附性，其与沥青裹附形成的集料呈现出极强的粘聚力，从而增加了抵抗永久变形的能力;除此之外，因其表面多孔隙结构能吸附多余的沥青，起到了稳定作用，提高了混合料的使用性能。

随着钢渣掺量的提高，沥青混合料的动稳定度先增加后减小。当掺量为40%时，动稳定度达到最大值，为7532次 /mm。这是因为随着钢渣掺量的不断提高，沥青用量也在相应增加，当沥青用量略微增加时，对集料间的粘结情况有利;而沥青用量过多时，则会产生“泛油”现象，此时多余的沥青在高温下容易软化，从而引起车辙。综上所述，并非钢渣的掺量越高，沥青混合料的高温稳定性就越好，应根据路用性能选择适宜的掺量。

2.2 动态模量

动态模量是指材料在受到动态荷载的作用后，产生的动态形式的应变。由于动态荷载的周期是非固定的，因此可以较好的模拟实际情况，表征材料抵抗变形恢复的能力。本文对不同钢渣掺量下的沥青混合料进行动态模量试验，分别在5℃和35℃下进行试验，试验结果见表6。

表6 不同钢渣掺量沥青混合料的动态模量MPa温度/℃钢渣掺量020%40%60%80%100%57 8968 1008 5638 8959 21110 112359631 1001 2131 3151 4961 504

由表6可知，在2种温度下，钢渣替代天然集料后，沥青混合料的动态模量都增大了。5℃时，天然集料沥青混合料的动态模量为7896MPa，而钢渣沥青混合料的提高到了8100 ～ 10112MPa；35℃时，天然集料的动态模量为963MPa，而掺入钢渣后提高到了1100～1504MPa。可见，钢渣的掺入显著提高了沥青混合料的抵抗变形能力。同时可以看出，5℃时沥青混合料的动态模量均大于35℃时。这是由于沥青混合料本身对温度很敏感，随着温度的升高，沥青的粘度逐渐降低，动态模量随之降低，在车辆荷载作用下更易变形，这也是夏季容易出现车辙的原因；而在较低的温度下，沥青混合料更趋向于弹性材料，此时凝固的沥青可以承担更多的外界荷载，难以变形，因此动态模量较高。

钢渣沥青混合料动态模量随钢渣掺入量的加大而提升，在35 ℃时的提升幅度大于5 ℃时的提升幅度。说明温度越高，钢渣对沥青混合料抗变形能力的影响越大。在相同温度条件下，钢渣掺量的增加与混合料的动态模量是呈正相关，但增加的幅度比温度条件影响要小得多。钢渣掺量越高，混合料抗变形能力越好。

2.3 抗滑性能

良好的抗滑特性有利于车辆安全行驶，因此研究不同钢渣掺量的沥青混合料抗滑性能十分必要。不同钢渣掺量混合料的抗滑性能参数如图2所示。

图2 不同钢渣掺量沥青混合料的抗滑性能

由图2可知，钢渣的掺入对沥青混合料的抗滑性能具有一定提升，但效果不显著。混合料摆值随钢渣掺量的增加而先增大后减小，当钢渣掺量为20%时，沥青混合料的摆值达到最大值。100%掺量的钢渣沥青混合料摆值和天然集料沥青混合料相等。

同样的，钢渣沥青混合料在摩擦系数方面也表现出类似的规律。摩擦系数随着钢渣掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，在钢渣掺量为40%时达到最大值。分析认为：钢渣的表面粗糙，棱角性好，可以与沥青包裹形成粗糙的表面，因此掺加钢渣能提升混合料的抗滑性能。刘兴成[3]认为，当钢渣用量进一步提高时，抗滑性能会有所下降，这是因为虽然钢渣棱角性较好，但钢渣呈立方体形状，表面凸起的尖锐程度有可能降低，影响混合料的摩擦性能。因此，从提高沥青混合料的抗滑性能角度考虑，钢渣的掺量不宜高于60%。

3 结论

1) 钢渣不宜全部替代天然集料，实际中多采用钢渣和天然集料复配的方式。钢渣的物理力学性能优良，其各项性能指标均满足规范要求。

2) 随着钢渣掺量的提高，沥青混合料的动稳定度呈现先增加后降低的趋势。当钢渣掺量为40%时，沥青混合料的动稳定度达到最大值，为7532次 /mm。

3) 钢渣掺量的增加与混合料的动态模量成正比，温度越高，钢渣对沥青混合料抗变形能力的影响越大。

4) 钢渣的掺入对沥青混合料的抗滑性能具有一定提升，但效果不显著。随钢渣掺量的增加沥青混合料的抗滑性能先增大后减小,100%掺量的钢渣沥青混合料摆值和天然集料沥青混合料相等。因此，从提高沥青混合料的抗滑性能角度考虑，钢渣的掺量不宜高于60%。