钢渣沥青混合料水稳定性研究

张彩利，王 超，李 松，丁维哲，唐秀明

(1.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401；2.唐山市交通运输局，唐山 063000)

0 引 言

随着我国钢铁工业的发展，钢渣年产量呈递增趋势，每年有大量的钢渣被掩埋或者堆积于农田之中，占用大片土地的同时也会造成严重的环境污染。如果能将钢渣大量应用到公路建设中，不仅解决公路建设中急需材料的短缺问题，而且可以减少钢渣对土地的占用和污染，这对于促进我国可持续发展战略的顺利实施具有重要的技术与经济意义[1-3]。

为更好地将钢渣应用于沥青混合料中，学者们围绕钢渣沥青混合料进行了大量研究。Chen等[4]将钢纤维应用到钢渣沥青混合料中，研究发现当钢渣质量分数为30%、钢纤维质量分数为2%时，钢纤维钢渣沥青混合料具有优秀的高温性能和水稳定性。Arabani等[5]研究了RAP(Reclaimed Asphalt Pavement，再生沥青混合料)钢渣沥青混合料的高温稳定性、低温性能和水稳定性，研究结果表明粗钢渣集料搭配细RAP的综合路用性能最好；Kavussi等[6]对钢渣棱角性、嵌挤能力、黏附性和钢渣沥青混合料的疲劳性能进行研究，研究结果表明钢渣良好的棱角性和嵌挤能力可以有效防止疲劳裂缝的扩展。国内道路工作者围绕钢渣沥青混合料疲劳性能、抗滑性能、高温性能、低温性能等方面也进行了大量研究[7-9]，但有关浸水时间对不同类型钢渣沥青混合料路用性能影响方面的研究却少有报道。本文基于不同类型钢渣集料制备钢渣沥青混合料，对水作用下钢渣沥青混合料路用性能变化规律进行研究。

1 实 验

1.1 原材料

1.1.1 沥青

沥青为京博70号A级道路石油基质沥青，其各项性能指标如表1所示。

表1 沥青性能指标Table 1 Asphalt performance indicators

1.1.2 钢渣和石灰岩

选用热闷钢渣、冷弃陈放三个月钢渣(简称冷弃陈渣)、石灰岩3种集料进行对比试验，将三种集料分成0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm三种规格，集料编号分别为：1#热闷钢渣10～15 mm、2#热闷钢渣5～10 mm、3#热闷钢渣0～5 mm、4#冷弃陈渣10～15 mm、5#冷弃陈渣5～10 mm、6#冷弃陈渣0～5 mm、7#石灰岩10～15 mm、8#石灰岩5～10 mm、9#石灰岩0～5 mm，对9种集料物理力学指标性能进行检测，检测结果如表2所示。

表2 集料主要物理指标Table 2 Main physical indicators of aggregates

从表2可以看出，不同类型钢渣集料密度均大于石灰岩集料，原因在于钢渣集料含铁量较大。从吸水率指标可以看出，不同类型钢渣集料吸水率均大于石灰岩集料，且大于2%，这反映出钢渣集料表面多孔特性，且不同类型钢渣集料吸水率随着粒径减小而增大，原因在于越来越多的闭口孔隙变成开口孔隙，使得钢渣吸水率增大。

1.1.3 钢渣沥青混合料级配

根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中的AC-13级配范围，确定试验所用级配如表3所示。

表3 级配筛孔质量通过百分率Table 3 Mass passing percentage of graded sieve

1.2 试验方案

1.2.1 性能试验方法

针对热闷钢渣沥青混合料(粗细集料均为热闷钢渣)、冷弃陈渣沥青混合料(粗细集料均为冷弃陈放三个月钢渣)、石灰岩沥青混合料(粗细集料均为石灰岩)和钢渣石灰岩沥青混合料(粗集料为冷弃陈放三个月钢渣、细集料为石灰岩)，选用70号基质沥青和表3中级配，采用马歇尔设计方法确定出四种沥青混合料的最佳油石比分别为：热闷钢渣沥青混合料和冷弃陈渣沥青混合料最佳油石比为5.2%(质量分数，下同)、石灰岩沥青混合料最佳油石比为4.9%、钢渣石灰岩沥青混合料最佳油石比为5.1%，按各沥青混合料最佳油石比成型马歇尔试件和车辙试件，并进行不同浸水时间的钢渣沥青混合料体积稳定性、水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性能及疲劳性能试验。

图1 原子力显微镜检测样品Fig.1 Sample detected by AFM

1.2.2 微观检测方法

原子力显微镜检测一般要求固体试样长×宽在2 cm×2 cm以内，高度不得大于5 mm，且试件表面平整光滑[10]。本文用切割机将钢渣沥青混合料马歇尔试件切成薄片，并用三氯乙烯溶解得到可供原子力显微镜(AFM)扫描的样品，如图1所示。

2 结果与讨论

2.1 钢渣沥青混合料体积稳定性

钢渣集料中含有游离氧化钙、游离氧化镁，这两种物质具有结构致密、水化速率较为缓慢、遇水后体积膨胀的特点，如果钢渣中这两种物质含量过高，将会引起钢渣沥青混合料体积稳定性能的降低[11]，为此需要对钢渣沥青混合料膨胀量进行检验，使用试件为马歇尔试件，试验结果如表4所示。

表4 不同沥青混合料膨胀量试验Table 4 Expansion test results of different asphalt mixtures

从表4可以看出，热闷钢渣沥青混合料和石灰岩沥青混合料膨胀量均满足小于1.5%的技术要求。但冷弃陈渣沥青混合料膨胀量大于1.5%，已不满足规范要求；用石灰岩细集料替代冷弃陈渣细集料后，钢渣石灰岩沥青混合料膨胀量为1.2%，较冷弃陈渣沥青混合料降低36%，且小于1.5%，这说明冷弃陈渣细集料活性较大，严重影响着钢渣沥青混合料的体积稳定性，用石灰岩细集料代替冷弃陈渣细集料可以减少钢渣沥青混合料的膨胀性。

2.2 钢渣沥青混合料水稳定性

为研究浸水时间对钢渣沥青混合料水稳定性的影响，分别对钢渣沥青混合料进行残留稳定度和冻融劈裂试验[12-13]。

2.2.1 残留稳定度试验

图2 沥青混合料残留稳定度与浸水时间关系Fig.2 Relationship between residual stability of asphalt mixture and soaking time

将石灰岩、热闷钢渣、冷弃陈渣、钢渣石灰岩所拌和的沥青混合料分别用室温水浸泡0 d(其中室温水浸泡0 d是指不进行室温水浸泡，而直接进行残留稳定度试验)、30 d、60 d、90 d、120 d后对其进行残留稳定度试验，可以得到不同沥青混合料在不同浸水时间下的残留稳定度，整理数据如图2所示。

由图2可以看出，随着浸水时间增长，石灰岩沥青混合料残留稳定度不断下降，而冷弃陈渣沥青混合料、热闷钢渣沥青混合料和钢渣石灰岩混合料残留稳定度均不断增长。当室温水浸泡120 d时，石灰岩沥青混合料残留稳定度仅为48%，但冷弃陈渣沥青混合料、热闷钢渣沥青混合料和钢渣石灰岩混合料残留稳定度分别为147%、126%、120%，分别是石灰岩沥青混合料残留稳定度的3.06倍、2.62倍和2.5倍。

对室温水浸泡0 d和120 d沥青混合料中的钢渣集料进行原子力显微镜扫描，结果如图3、图4及表5所示，从表5可以看出，室温水浸泡0 d和室温水浸泡120 d钢渣集料表面积与扫描面积之比分别为1.29和2.90，即在相同扫描面积下，室温水浸泡120 d钢渣集料表面积是室温水浸泡0 d钢渣集料的2.2倍，这说明随着浸水时间的延长，钢渣集料表面粗糙度增大，这使得沥青与钢渣集料接触面积增加，进而增强沥青与钢渣集料之间的黏附性，最终提高钢渣沥青混合料的抗水损害能力。

图3 室温水浸泡0 d钢渣扫描3D微观图Fig.3 Scanning 3D micrograph of steel slag soaked in room temperature water for 0 d

图4 室温水浸泡120 d钢渣扫描3D微观图Fig.4 Scanning 3D micrograph of steel slag soaked in room temperature water for 120 d

图5 浸水时间对TSR的影响Fig.5 Effect of soaking time on TSR

表5 不同浸水时间下钢渣表面积Table 5 Surface area of steel slag under different soaking time

2.2.2 冻融劈裂试验

将石灰岩、热闷钢渣、冷弃陈渣、钢渣石灰岩所拌和的沥青混合料用室温水浸泡0 d、30 d、60 d、90 d、120 d后进行冻融劈裂试验，得到不同浸水时间下，不同沥青混合料的冻融劈裂强度比(TSR)，具体结果如图5所示。

由图5可以看出，随着浸水时间增加，不同类型沥青混合料的冻融劈裂强度比逐渐减少，且在不同浸水时间下，钢渣石灰岩沥青混合料和热闷钢渣沥青混合料的TSR均比石灰岩沥青混合料大。当浸水时间小于30 d时，冷弃陈渣沥青混合料和钢渣石灰岩沥青混合料的TSR较为接近，但当浸水时间大于30 d时，冷弃陈渣沥青混合料的TSR迅速减小，即抗冻融循环的水稳定性能迅速衰减，而钢渣石灰岩沥青混合料TSR的变化则相对平缓；在室温水浸泡120 d时，钢渣石灰岩沥青混合料的TSR为71%，为冷弃陈渣沥青混合料的1.25倍，这说明用石灰岩细集料替换冷弃陈渣细集料有助于提高冷弃陈渣沥青混合料冻融循环水稳定性。

室温水浸泡120 d的冷弃陈渣沥青混合料马歇尔试件破坏情况如图6所示，由图6(b)可见，马歇尔稳定度仪中，室温水浸泡120 d的冷弃陈渣沥青混合料虽然马歇尔稳定度较高，但其表面出现较大裂纹，这主要是由于冷弃陈渣膨胀量大、体积不稳定所造成[14-15]。

图6 室温水浸泡120 d的冷弃陈渣沥青混合料马歇尔试件破坏图Fig.6 Failure diagram of Marshall specimen of cold abandoned steel slag asphalt mixture soaked in room temperature water for 120 d

2.3 钢渣沥青混合料低温性能

采用低温弯曲破坏试验评价钢渣沥青混合料的低温性能，试验设备为UTM万能试验机，试验温度为(-10±0.5) ℃，加载速率为50 mm/min。试验所用试件是由轮碾法成型的车辙板切割为长(250±2.0) mm、宽(30±2) mm、高(35±2) mm棱柱体小梁，其跨径为(200±0.5) mm。数据采集由UTM万能试验机自带系统完成，将荷载-跨中挠度曲线呈现并保存在计算机上。将石灰岩、热闷钢渣、冷弃陈渣、钢渣石灰岩所拌和的沥青混合料用室温水浸泡0 d、120 d后对其破坏时最大弯拉应变和抗弯拉强度进行研究，其中破坏时抗弯拉强度比定义为室温水浸泡120 d沥青混合料与室温水浸泡0 d沥青混合料破坏时抗弯拉强度的比值，抗弯拉应变比定义为室温水浸泡120 d沥青混合料与室温水浸泡0 d沥青混合料破坏时最大弯拉应变的比值，试验结果如图7和图8所示。

由图7和图8可以看出，随着浸水时间增大，各类型沥青混合料的抗弯拉强度比与抗弯拉应变比均降低，低温性能下降。冷弃陈渣沥青混合料破坏时抗弯拉强度比与抗弯拉应变比最小，钢渣石灰岩沥青混合料破坏时抗弯拉强度比最大，抗弯拉应变比较大(仅次于热闷钢渣)。这说明水分对冷弃陈渣沥青混合料的低温性能影响较大，浸水后强度和变形性能均大幅度衰减，其主要原因是冷弃陈渣膨胀量大，使沥青混合料内部产生较多微裂缝，从而大大降低破坏时的抗弯拉强度比与抗弯拉应变比。用低膨胀量石灰岩细集料替换高膨胀量冷弃陈渣细集料，冷弃陈渣沥青混合料破坏时抗弯拉强度比与抗弯拉应变比均有所改善，其中钢渣石灰岩沥青混合料破坏时抗弯拉强度比和抗弯拉应变比分别是冷弃陈渣沥青混合料的1.08倍和1.59倍，这得益于膨胀性物质的减少，因此用石灰岩细集料替代冷弃陈渣细集料可以改善冷弃陈渣沥青混合料的抗低温开裂能力。

图7 沥青混合料破坏时的抗弯拉强度比Fig.7 Flexural tensile strength ratio of asphalt mixture under damaged

图8 沥青混合料破坏时的抗弯拉应变比Fig.8 Flexural tensile strain ratio of asphalt mixture under damaged

2.4 钢渣沥青混合料疲劳性能

图9 浸水时间对沥青混合料疲劳寿命影响Fig.9 Effect of soaking time on fatigue life of asphalt mixture

采用间接拉伸试验对钢渣沥青混合料疲劳性能进行研究。试验仪器选用UTM万能试验机，预应力为50 N，加载频率为10 Hz，加载波形为正弦波，试验温度为15 ℃。为评价沥青混合料疲劳性能，将沥青混合料分别成型马歇尔试件，其中一部分置于室温空气中保存，一部分放入室温水中浸泡0 d、40 d、80 d和120 d后，按应力比0.5进行疲劳试验，可得到不同浸水情况下，不同沥青混合料的疲劳寿命，试验结果如图9所示。

由图9可以看出，在应力比0.5下，四种沥青混合料的疲劳寿命均随着浸水时间增加而减小，即水对沥青混合料疲劳寿命有着显著的影响，这主要是由于沥青混合料长时间受水侵蚀，沥青逐渐老化而性能下降，直接影响沥青混合料的疲劳寿命。不同浸水时间下，热闷钢渣沥青混合料、钢渣石灰岩沥青混合料疲劳寿命均略大于石灰岩沥青混合料的疲劳寿命，原因在于膨胀性合格的钢渣与沥青之间的黏附性较好，水的作用下沥青不容易从钢渣集料表面剥落，从而提高钢渣沥青混合料的疲劳寿命。随着浸水时间增加，冷弃陈渣沥青混合料疲劳寿命迅速下降，原因在于冷弃陈渣膨胀量大，在长期浸水情况下，冷弃陈渣沥青混合料产生初始裂纹，使得沥青混合料疲劳寿命迅速衰减[16]。由图9同样可以看出，用低膨胀量石灰岩细集料替代高膨胀量冷弃陈渣细集料后，不同浸水时间下钢渣石灰岩沥青混合料的疲劳寿命均大于冷弃陈渣沥青混合料，这说明通过使用石灰岩细集料来减少冷弃陈渣混合料膨胀量，将有助于提高冷弃陈渣沥青混合料的疲劳寿命。

2.5 钢渣沥青混合料高温稳定性

图10 浸水时间对高温性能影响Fig.10 Effect of soaking time on high temperature performance

将车辙试件用室温水浸泡0 d、40 d、80 d、120 d后进行动稳定度试验，可得到不同沥青混合料不同浸水条件下的动稳定度指标，试验结果如图10所示。

由图10可以看出，石灰岩沥青混合料动稳定度随着浸水时间的延长而减小，且当浸水时间小于80 d时，动稳定度衰减速度较快，而浸水时间大于80 d时，动稳定度衰减速度放缓；随着浸水时间的增加，热闷钢渣沥青混合料动稳定度不断变大，且当浸水时间小于80 d时，动稳定度增长速度较快，而浸水时间大于80 d时，动稳定度增长速度放缓。这主要是由于当水分浸入沥青混合料时，水与钢渣集料中活性物质发生水化反应，生成具有结晶结构的物质，使得钢渣集料表面积增大，如原子力显微镜扫描图图3和图4所示，这就相当于对钢渣集料表面进行“凿毛”，这种锚固作用不仅可以提高钢渣与沥青的黏附性，增强混合料的黏聚力，而且还可以增大钢渣集料之间的摩擦力，增强沥青混合料的内摩阻力；膨胀量从大到小的沥青混合料分别是冷弃陈渣沥青混料、钢渣石灰岩沥青混合料、热闷钢渣沥青混合料、石灰岩沥青混合料，与40 d、80 d和120 d各沥青混合料动稳定度大小顺序相同，这说明膨胀量与动稳定度有密切关系，膨胀量越大的沥青混合料动稳定度越高，原因在于膨胀量越大的钢渣，其含有游离氧化钙等膨胀性物质及其生成的结晶物质就越多，钢渣水化后表面就越粗糙，进而钢渣与沥青之间内摩阻力就越大。

3 结 论

(1)冷弃陈渣沥青混合料膨胀量大且不合格，用石灰岩细集料替代冷弃陈渣细集料可以减少沥青混合料膨胀性。随着浸水时间增长，石灰岩沥青混合料残留稳定度不断下降，而冷弃陈渣沥青混合料、热闷钢渣沥青混合料和钢渣石灰岩沥青混合料残留稳定度不断增长，膨胀量较大的冷弃陈渣沥青混合料抗冻融循环性能较差，用石灰岩细集料替换冷弃陈渣细集料可以提高该性能。

(2)随着浸水时间增长，各类型沥青混合料的低温性能均下降，说明水分对钢渣沥青混合料低温性能有较大影响，其中水分对冷弃陈渣沥青混合料的低温性能影响最大，用石灰岩细集料替代冷弃陈渣细集料有助于提高沥青混合料的低温性能。

(3)随着浸水时间增加，冷弃陈渣沥青混合料疲劳寿命迅速下降，在长期浸水情况下，冷弃陈渣沥青混合料产生初始裂纹，而使得沥青混合料疲劳寿命迅速衰减，用石灰岩细集料替代冷弃陈渣细集料有助于提高沥青混合料的疲劳寿命。

(4)水的存在对石灰岩沥青混合料高温性能不利，但有利于钢渣沥青混合料高温性能，由钢渣的原子力显微镜扫描图可知，钢渣生成的结晶物质使得钢渣表面积增大，钢渣表面粗糙度增加，这有利于提高沥青混合料的内磨阻力和黏聚力，进而提高钢渣沥青混合料的动稳定度。