超薄磨耗层SMA-5钢渣沥青混合料性能研究*

邱怀中 杨 超 吴少鹏 谢 君 张登峰

(湖北省交通运输厅汉十高速公路管理处1) 武汉 430000) (武汉理工大学材料科学与工程学院2) 武汉 430070)

0 引 言

钢渣的有效资源化利用一直是一个业界难题[1-2].近年来研究发现破碎后的钢渣具备抗滑耐磨等优点，用其制备的沥青混合料应用在路面表层能有效保证行车安全和路面耐久性[3].

国内外学者对钢渣集料在沥青路面抗滑磨耗层的应用展开了大量的研究.王雅婷[4]制备了钢渣超薄抗滑磨耗层沥青混合料并测试其路用性能，结果表明钢渣沥青SMA和SAC混合料分别在钢渣掺量为40%和60%时两种钢渣沥青混合料的抗滑性能均满足规范要求.相较于一般天然集料，钢渣沥青混合料表现出优良的抗滑性能.马永宾等[5]依托高速公路预防性养护工程，对钢渣超薄抗滑磨耗层施工进行质量控制，并检测钢渣集料混合料性能与磨耗层性能.结果表明：钢渣可替代磨耗层中部分优质石料，减少施工成本；同时钢渣超薄磨耗层具有良好的抗滑性能与平整度，有效修复旧路面车辙，恢复路面摩擦力，提高安全性与舒适性.何培龙等[6]研究了钢渣以不同掺配比例替代超薄磨耗层的细集料后的路用性能，结果表明钢渣的掺入对混合料的水稳定性没有实质性影响，不同钢渣掺量的混凝土水稳定性均能较好满足规范要求，从而也间接证明了沥青与钢渣粘附性较好.Liapis等[7]研究了服役30～41个月的钢渣和安山岩制备的磨耗层的路面性能，结果表明两种路面的抗滑性能均满足要求，但钢渣抗滑薄层的渗透性和宏观结构深度较安山岩抗滑薄层更大，在雨水天气会越少出现打滑和集料飞溅现象.万九鸣[8]采用钢渣和玄武岩制备了AC-5和SMA-5两磨耗层材料，并研究了其对应的路用性能.结果表明，SMA-5沥青混合料拥有较好的摆值和构造深度，其抗滑性能要优于AC-5沥青混合料；钢渣的加入会减小AC-5沥青混合料的层间剪切位移但提升SMA-5沥青混合料的层间剪切位移.

以上研究表明，钢渣抗滑耐磨的优点能提升混合料的抗滑性能，用其制备的沥青混合料的整体路用性能良好.文中基于三种产地钢渣的性能研究，采用钢渣和玄武岩复配工艺制备超薄磨耗层SMA-5钢渣沥青混合料，对比分析其路用性能差异，为钢渣在超薄磨耗层的应用奠定理论基础.

1 原材料与实验方法

1.1 原材料

沥青为内蒙古生产的SBS改性沥青，其基本性能指标见表1.

表1 SBS改性沥青的主要性能指标

三种钢渣分别来自广西某公司、湖北某公司和包头某公司的转炉钢渣(以下分别简称广西钢渣、湖北钢渣和内蒙钢渣).三种钢渣的宏观外貌见图1.通过文献[9]对三种钢渣的性能进行检测，其测试结果见表2.

图1 三种钢渣的外观

表2 粗集料(2.36～4.75 mm)的相关性能测试结果

实验细集料统一采用湖北京山生产的玄武岩，其基本性能指标见表3.

表3 玄武岩细集料(0～2.36 mm)的基本性能指标

1.2 实验方法

1.2.1钢渣性能研究

集料的化学成分和微观形貌分别采用Axios advanced波长色散型X射线荧光光谱仪(XRF)和JSM-5610LV扫描电子显微镜(SEM)进行测试.三种钢渣的f-CaO含量采用采用甘油乙醇溶解-苯甲酸无水乙醇溶液滴定法进行测试.钢渣中f-CaO含量的计算公式为

f-CaO%=TCaO×V×100/G×1 000

(1)

式中：TCaO为每毫升苯甲酸标准溶液相当于氧化钙的毫升数，mg/mL；V为滴定消耗苯甲酸无水乙醇标准溶液的总体积，mL；G为待测样品重量，g.

1.2.2钢渣沥青混合料配合比设计

实验中粗集料(2.36～4.75 mm)采用钢渣，细集料使用玄武岩，分别制备四种不同类型的SMA-5沥青混合料，其合成级配曲线见图2.依据马歇尔设计方法成型四种沥青混合料，在各项指标均满足规范要求下，确定钢渣沥青混合料和玄武岩沥青混合料的最佳油石比分别为6.1%和6.3%.聚酯纤维的掺量为混合料质量的0.3%.为进行后期的性能对比研究，三种钢渣沥青混合料采用相同的油石比.

图2 钢渣和玄武岩SMA-5级配设计曲线图

1.2.3钢渣沥青混合料性能研究

沥青混合料的抗滑性能采用室内成型车辙板试件(300 mm×300 mm×50 mm)的表面构造深度和摆值指标来进行表征.其中，参考文献[10]采用手工铺砂法进行测试，其计算公式为

(2)

式中：TD为沥青混合料的表面构造深度，mm；V为砂的体积(实验测试中为25 cm3)；D为摊平砂的平均直径，mm.

沥青混合料的摆值采用T0964—2008中的摆式摩擦系数测定仪(摆式仪)进行测试，摆值最终确定需采用温度修正值来进行相应的修正，其修正公式为

BPN20=BPNt+ΔBPN

(3)

式中：BPN20为换算成标准温度20 ℃下的摆值；BPNt为实际测试时的摆值；ΔBPN为温度修正值.

采用残留稳定度(RMS)和冻融劈裂强度比(TSR)来评价沥青混合料的水稳定性.沥青混合料的高温抗车辙性能采用室内成型的尺寸为300 mm×300 mm×50 mm车辙板的动稳定度来表征，测试温度为标准实验的60 ℃.高温性能采用60 ℃下车辙实验的动稳定度来表征.混合料的低温性能测试采用小梁三点弯曲试验，试件的尺寸为250 mm×30 mm×35 mm，实验温度为-10 ℃.借助万能试验机UTM-25对四种小梁测试，所得的最大荷载为

(4)

εB=6×h×d/L2

(5)

SB=RB/εB

(6)

式中：RB为试件的抗弯拉强度；εB为弯拉应变；SB为劲度模量；L为试件的跨径(实验取200 mm)；PB为小梁试件破坏时的最大荷载；b，h，d分别为小梁试件的宽度、高度、破坏时的扰度.

2 钢渣集料性能研究

2.1 化学组成

三种钢渣和玄武岩的化学组成见表4，虽然钢渣的成分会受到原矿石的生产工艺影响，但不同产地钢渣其元素含量具有相似性.钢渣中含量最高的元素是Ca，这与炼钢中加入的助熔剂有关.三种钢渣集料中，内蒙钢渣的CaO含量最高，同时其SiO2含量低.玄武岩的化学成分与钢渣差异较大，其含量最高的元素是Si，其次是Al.钢渣中含量高的碱性氧化物能与沥青中的羧酸发生中和化学反应生成具有强吸附性的硷土盐，从而在集料与沥青间形成传递应力的界面层，进而增强矿料与沥青之间的粘附性.

表4 钢渣和玄武岩的化学组成

2.2 微观形貌

钢渣的表面较玄武岩粗糙，其表面含有许多不规则形状，这些丰富的表面纹理会增大其与沥青的有效接触面积，从而提升其与沥青的黏附性.钢渣含有许多微小孔隙，这些孔隙使钢渣的吸水率较高，同时也会提升对沥青的吸收程度.三种钢渣中，湖北钢渣的孔隙结构最为丰富.钢渣和玄武岩的表面均出现微小粉尘聚集的现象，这些聚集粉尘是集料中CaCO3等矿物的水化产物[11].

2.3 f-CaO含量

f-CaO遇水其摩尔体积会膨胀近1倍，因此钢渣集料中f-CaO含量直接影响其体积稳定性.通过滴定法测试得到的三种钢渣的f-CaO含量见图5.广西钢渣的f-CaO含量的最低，其次是内蒙钢渣和湖北钢渣，三种钢渣的f-CaO含量均低于2%，远高于规范对沥青混合料用钢渣中不超过3%的要求.因此，三种钢渣集料应用沥青磨耗层中均不会出现明显的体积稳定性不良等问题.

图3 钢渣的f-CaO含量测试结果

3 钢渣超薄磨耗层性能研究

3.1 抗滑性能

混合料的构造深度和换算成20 ℃的摆值见图4.钢渣沥青混合料的构造深度均高于玄武岩沥青混合料.其中，内蒙钢渣的构造深度最大，其次是广西钢渣和湖北钢渣组.四种沥青混合料的构造深度均满足规范中不小于0.55 mm的要求.内蒙钢渣沥青混合料的摆值最大，达到81，远高于玄武岩沥青混合料69的摆值.广西钢渣和湖北钢渣的摆值均达到76和71，远超过规范中摆值大于45的要求.高的构造深度和摆值说明钢渣沥青混合料的抗滑性能普遍由于传统的玄武岩沥青混合物，这源于钢渣集料高的磨光值和丰富的表面纹理.

图4 混合料的抗滑性能测试结果

3.2 高温稳定性能

四种沥青混合料的车辙深度和动稳定度见表5.由表5可知，钢渣沥青混合料的后15 min的车辙深度低于玄武岩沥青混合料.内蒙钢渣、广西钢渣和湖北钢渣沥青混合料的动稳定度分别为玄武岩沥青混合料的1.21倍、1.12倍和1,08倍.这表明，钢渣作为沥青超薄磨耗层用集料能明显提升其抗车辙性能.这是因为存在钢渣中的微小孔隙能吸收一定量的自由沥青，提升结构沥青与自由沥青的比例，从而提升混合料的高温稳定性能.同时，钢渣棱角丰富和表面粗糙等特点也能大幅提升其与沥青的粘结面积，增大混合料的整体力学强度[12].

表5 沥青混合料的车辙试验结果

3.3 水稳定性能

四种沥青混合料的稳定度测试结果见图5.由图5可知，内蒙钢渣和湖北钢渣的稳定度和残留稳定度(RMS)均高于玄武岩沥青混合料，这表明采用这两种钢渣作为粗集料后，SMA-5沥青混合料的抗水损害性能提到有效提升.湖北钢渣沥青混合料的RMS值略低于玄武岩沥青混合料，但仍满足规范要求.这是因为湖北钢渣的孔隙较多，其吸水率高，致使其制备的沥青混合料由于空隙多的特点而吸收大量的水分，降低其浸水后的残留稳定度，这与前文湖北钢渣SEM图像孔隙多的结论一致.内蒙钢渣对SMA-5沥青超薄磨耗层的水稳定性的改善效果在于其高碱度的特征使得其沥青的粘结性能得到大幅度的提升，从而防止混合料在浸水状态下集料表面发生脱落.

图5 四种混合料马歇尔稳定度测试结果

图6为混合料的劈裂抗拉强度测试结果.由图6可知，内蒙钢渣沥青混合料的劈裂抗拉强度比(TSR)值最大，达到92.4%，其次是玄武岩组和广西钢渣组，湖北钢渣组最低.存在于钢渣中的金属阳离子，如Ca2+、Fe3+、Mg2+和Al3+等能与沥青中的酸性成分通过化学反应生成强粘结力的沥青酸盐，显著提升钢渣集料表面对沥青的粘附性.较玄武岩沥青混合料，广西钢渣组和湖北钢渣组其TSR值降低幅度不大，这是因为这两种钢渣的吸水率较内蒙钢渣高，在高低温冻融循环下孔隙中的水分在混合料内部沉积.但是，整体看来，钢渣集料作为沥青磨耗层的粗集料不会对沥青混合料的抗水损害性能造成较大影响，其混合料的RMS和TSR指标仍远高于规范要求.

图6 四种混合料劈裂抗拉强度测试结果

3.4 低温抗裂性能

沥青混合料在低温下应变大、劲度模量小，代表其在低温下对应力的抵抗更强，出现脆性断裂的可能性更小[13].四种沥青混合料的三点弯曲试验见表6.由表6可知，内蒙钢渣沥青混合料的抗弯拉强度和弯拉应变均高于玄武岩沥青混合料，表明其在低温下对应力的响应速度更快，其低温抗裂性能更好.这是因为内蒙钢渣的棱角更为丰富，能大幅提升沥青在集料间隙的嵌挤效果，有效防止沥青-集料界面在低温荷载下的脆性断裂现象.相较于玄武岩组，广西钢渣组和湖北钢渣组的弯拉应变指标出现了一定程度的降低.这源于两种钢渣较高的吸水率，使得钢渣表面存留的水分降低其与沥青的有效粘结作用，同时存在于钢渣孔隙中水分也加强了混合料低温下的脆性断裂.但两种沥青混合料的低温弯拉应变仍满足规范要求，这表明，钢渣作为粗集料在沥青超薄磨耗层中的应用不会对其低温性能产生实质性不利影响，不影响其在磨耗层中的正常使用.

表6 沥青混合料的三点弯曲试验结果

4 结 论

1) 钢渣具备的碱性氧化物含量高和表面粗糙的特征能有效提升其与沥青的粘结性能.

2) 三种转炉钢渣的f-CaO含量均不超过2%，将钢渣应用沥青磨耗层中不会出现明显的体积稳定性不良等问题.

3) 三种钢渣沥青混合料的构造深度、摆值和动稳定度均高于对应的玄武岩组，钢渣在SMA-5沥青混合料的应用能显著提升混合料的抗滑性能和高温稳定性能.

4) 广西钢渣和湖北钢渣会适当降低混合料的TSR值和弯拉应变，但其性能指标仍满足规范要求.钢渣在沥青磨耗层中的应用不会对混合料的路用性能产生实质性不利影响.