掺钢渣再生沥青混凝土路用性能及力学性能研究

沈 凡,庞若楠,李 潜,韦国苏

(1.武汉工程大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430205；2.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430056)

我国沥青混凝土的路面设计寿命一般是10～15 a，过去20 a内我国公路建设量大幅增加，在现阶段与未来会产生大量的路面回收沥青混合料[1]。针对以上问题研究人员开发出再生沥青混凝土技术，沥青再生技术是将回收沥青混凝土与新集料、新沥青通过组成优化设计。废弃沥青混凝土掺量高于30%时，可加入一定量的再生剂改善混合料性能，制备出满足使用要求的再生沥青混凝土材料[2-3]。再生沥青混凝土中的新集料通常采用天然集料，天然集料通常采用开山采石的方式获取。开山采石会对环境产生破坏。钢渣作为一种产量较高的固体废弃物，其再利用问题亟待解决。在欧洲60%以上的钢渣用于道路建设中[4]。本文将采用钢渣作为新集料掺加到再生沥青混凝土制备掺钢渣再生沥青混凝土，进行掺钢渣再生沥青混凝土路用性能及力学性能相关研究。

再生沥青混凝土中由于RAP表面老化沥青以及内部受损伤石料的影响，其路用性能及力学性能与普通沥青混凝土存在一定差异[5]。在再生沥青混合料的高温稳定性方面，旧料有助于提高整体的沥青混合料的高温稳定性，且随着旧料的增加高温稳定性有增长的趋势。这是因为旧料的沥青老化后，轻质组分减少，沥青质增多，沥青剪切模量提高从而动稳定度会有所提升。此外再生沥青混凝土的旧料类型、旧料来源、外掺剂掺量同样会对动稳定度产生影响，回收旧料性能也是影响再生沥青混合料路用性能的一大重要因素[6]。再生沥青混合料的低温抗裂性主要与RAP掺量有关，随着RAP掺量的增加而减少，沥青劲度模量是影响混合料的低温劲度主要因素。老化沥青的劲度模量较低，RAP掺量越高，混合料中新旧沥青中老化沥青的比例就越高，再生沥青混合料的劲度模量则降低[7-8]。在掺量较少的情况下，增强集料与老化沥青之间的吸附作用，混合料的水稳定性增加；但掺量继续增加时，芳香族和饱和分的比例愈来愈低，此类分子量较小的物质具有一定的流动性，可润湿集料表面，增加集料与沥青接触面积，产生嵌锁咬合作用产生粘附力[9-10]。掺量继续增高，这两种成分比例较低时，再生沥青与集料之间不能产生有效接触从而粘附力大大减小，水稳定性下降[11-12]。

武汉理工大学的丁庆军在钢渣作沥青混凝土集料的研究中发现钢渣内部的f-CaO及f-MgO的消解产物是氢氧化钙与氢氧化镁，这些会导致钢渣体积的膨胀，但钢渣在使用前一般会进行陈化处理，陈化6个月以后的活性成分可以减少到一定程度可用于沥青混合料当中[13]。钢渣质地较硬，密度一般为天然石料(如玄武岩，石灰岩)的1.1～1.3倍，通常在3.2～3.7 g/cm3，其普遍抗压强度为168～307 MPa，冲击强度为15次，较难破碎[14]。钢渣为多孔材料，内部孔隙较为致密[15]。钢渣独特的物理特性，使其在作为集料进行再生沥青混凝土的制备掺钢渣再生沥青混凝土时，所呈现的路用性能及力学性能与普通沥青混凝土、钢渣沥青混凝土再生沥青混凝土有较大差异[16-17]。因此本文基于材料组成的变化对掺钢渣再生沥青混凝土的路用性能、力学性能展开研究。

1 实验原材料及实验方案

1.1 实验原材料

路面回收沥青混合料(RAP)是湖北武汉江夏区某路段的铣刨料，参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的沥青含量测试方法，得到RAP的油石比为4.9%，RAP的相关性能指标：软化点为76 ℃，针入度为31(0.1 mm)，15 ℃延度为38 cm，135 ℃粘度为1 350Pa·s。新集料采用的是钢渣，为存放1 a的热闷渣，产地为江西新余，对其吸水率、密度以及力学性能进行测试，结果如表1所示，各项性能指标满足《沥青混合料用钢渣》(JT/T1086-2016)的规定。实验所用沥青为I-D改性沥青，软化点为80.5 ℃，0.1 mm针入度(25 ℃)为53。纤维为聚酯纤维，断裂伸长率为18.4%，掺量是沥青混合料质量的0.3%。矿粉为石灰石矿粉，0.075通过率为99.3%。

表1 钢渣性能Table1 Performanceofsteelslag针片状颗粒含量/%粘附性浸水膨胀率/%磨耗值/%压碎值/%吸水率/%表观相对密度/(g·cm-3)规范要求≤12+≥5≤1.8≤33≤22≤3-实验结果8.351.521.515.41.53.189注:+粒径≥9.5mm。

1.2 实验方案

本文采用钢渣代替天然集料与RAP一起作为全部集料制备RAP掺量不同的掺钢渣再生沥青混凝土，并围绕路用性能及力学性能展开研究，具体实验方案如下：

RAP掺量分别为10%，20%，30%，40%(其中RAP的规格分为5～10 mm并记作RAP-2，0～5 mm并记作RAP-1，其中RAP-2的掺量固定为7%)，补充钢渣，与新沥青和矿粉，纤维制备SMA-10型掺钢渣再生沥青混凝土，油石比为5.9%。其中新加沥青的算法参考东南大学鲍世辉[18]提出的再生沥青混合料油石比算法进行，即将各档RAP的沥青含量计入油石比中，新沥青的用量等于混合料沥青含量减去老化沥青含量。在级配设计中并参考东南大学牛哲[14]对于钢渣在级配设计中的处理方法，将质量百分通过率曲线替换为体积通过百分率曲线进行级配设计，进行最佳级配实验，得到各组的最佳级配。会合成级配见表2。

路用性能实验研究中采用4种RAP掺量的SMA-10型掺钢渣沥青混凝土分别进行沥青混合料车辙实验(实验环境温度为-10 ℃)，低温弯曲实验(实验环境温度为-10 ℃)，浸水马歇尔实验均按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》进行，路用性能实验中同时制备了AC-10型掺钢渣再生沥青混凝土，集料种类与用量与SMA-10型掺钢渣再生沥青混凝土相同，油石比为4.7%，合成级配见表3。路用性能研究中的对比组分别为RAP掺量为30%的SMA-10型和AC-10型再生沥青混凝土对比组级配设计见表4。

表2 SMA-10型混合料合成级配Table2 SMA-10mixturesynthesisgradationRAP掺量/%通过下列筛孔(mm)的体积百分率/%13.29.54.752.361.180.60.30.150.07510100.099.544.425.921.416.613.712.110.520100.099.644.526.222.017.314.312.611.030100.099.744.726.221.917.114.012.110.440100.099.944.926.022.017.514.412.410.7

表3 AC-10型混合料合成级配Table3 AC-10mixturesynthesisgradationRAP掺量/%通过下列筛孔(mm)的体积百分率/%13.29.54.752.361.180.60.30.150.07510100.096.466.640.832.222.716.811.56.420100.096.566.541.833.322.816.311.26.230100.095.765.440.633.423.217.111.86.640100.095.965.740.833.623.517.211.96.7

表4 SMA-10型及AC-10型对比组合成级配Table4 ComparisongroupSMA-10typeandAC-10typesyntheticgradation级配类型通过下列筛孔(mm)的体积百分率/%13.29.54.752.361.180.60.30.150.075SMA-10100.099.744.325.822.416.914.711.110.8AC-10100.096.766.441.633.824.216.111.56.3

力学性能实验研究中采用路用性能实验研究中制备的SMA-10型掺钢渣沥青混凝土分别进行劈裂实验(实验环境温度为25 ℃)和抗压应力-应变实验，对比组新增两组，钢渣沥青混凝土(集料全部采用钢渣)，普通沥青混凝土(集料全部采用石灰石)。劈裂实验按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》进行，抗压应力应变实验方法如下：

使用SHT4105微机控制电液伺服万能实验机对材料测试掺钢渣再生沥青混凝土的抗压应力-应变曲线，试件尺寸为θ101.6×63.5 mm的圆柱体，实验温度为15 ℃，加载速率为2 mm/min。

新增对比组级配设计如表5所示。

表5 对比组合成级配Table5 Syntheticgradationofcomparisongroup混凝土类型通过以下筛孔(mm)体积百分率/%13.29.54.752.361.180.60.30.150.075钢渣沥青混凝土100.0100.044.426.321.616.713.812.210.4普通沥青混凝土100.099.745.425.618.711.812.612.111.0

2 路用性能研究

2.1 高温性能

对比组的SMA-10再生沥青混凝土的动稳定度为5 347次/mm，AC-10型再生沥青混凝土的动稳定度为2 731次/mm。掺钢渣再生沥青混凝土的车辙实验结果如图1所示。

图1 车辙实验结果

由图1可知，SMA-10型掺钢渣再生沥青混凝土和AC-10型掺钢渣再生沥青混凝土的动稳定度在RAP掺量为10%到40%的范围内随着RAP的增加呈现持续降低又小幅增加趋势。RAP掺量由10%增加至30%时，SMA-10型掺钢渣再生沥青混凝土的动稳定度由6 750次/mm降低至5 650次/mm，而AC型掺钢渣再生沥青混凝土的动稳定度由3 533次/mm降低至2 877次/mm；RAP掺量高于30%时，SMA和AC型掺钢渣再生沥青混凝土的动稳定度分别从5 650次/mm增加至5 857次/mm，2 877次/mm增加至3 017次/mm。与对比组相同RAP掺量下的再生沥青混凝土相比而言，掺钢渣再生沥青混凝土的动稳定度较高，说明钢渣可改善再生沥青混凝土的高温性能。

2.2 低温性能

对比组的SMA-10再生沥青混凝土的最大弯拉应变为2 877.7 με，AC-10型沥青混凝土的最大弯拉应变为2 478.7 με。掺钢渣再生沥青混凝土的低温弯曲实验结果如图2所示。

图2 弯曲蠕变实验结果

由图2可知，随着RAP掺量的增加，两种类型的掺钢渣再生沥青混凝土的最大弯拉应变都呈下降趋势。SMA-10混凝土的最大弯拉应变由RAP掺量为10%的3 254.1 με降至掺量为40%的2 434.3 με。AC-10混凝土的最大弯拉应变由RAP掺量为10% 的2 754.5 με降至掺量为40%的2 653.3 με。SMA-10型混凝土的下降较为明显。RAP由于表面老化沥青的劲度模量较低，低温抗裂性能较差，加之RAP内部的集料有一定损伤会加快裂纹的扩展，所以RAP对材料的低温性能影响较大。钢渣与沥青的粘附作用较强，且劲度较大，对于混凝土低温性能有一定的提升作用，但根据对比组再生沥青混凝土的最大弯拉应变结果(SMA-10为2 877.7 με，AC-10为2 478.8 με)，同RAP掺量下的掺钢渣再生沥青混凝土的最大弯拉应变分别为2 911.8 με，2 554.4 με，钢渣在再生沥青混凝土的有一定的提升作用，但并不明显。对于AC-10型再生沥青混凝土低温性能的改善作用较高于SMA。

2.3 水稳定性

对比组的SMA-10再生沥青混凝土的浸水残留稳定度为82.3%，AC-10型沥青混凝土的浸水残留稳定度为82.9%。

图3为掺钢渣再生沥青混凝土浸水马歇尔实验结果。由图3可得，SMA-10型掺钢渣再生沥青混凝土的浸水残留稳定度随着RAP掺量的增加由85.7%下降至79.1%，而AC-10型掺钢渣再生沥青混凝土的浸水残留稳定度随着RAP掺量的增加由87.8%下降至80.1%，混凝土的浸水残留稳定度均存在小幅度的下降，RAP掺量较少时老化沥青的胶质与沥青质的比例增加，这两种物质都是极性大分子物质，可产生静电吸引作用，增强集料与老化沥青之间的吸附作用，掺量较大时，老化沥青与集料之间粘附力下降，混凝土的水稳定性下降。根据对比组实验结果可得，钢渣可提高再生沥青混凝土的水稳定性，这是因为钢渣表面多孔，与沥青的吸附作用较强，可减少水进入对破坏集料与沥青的界面。由图可得RAP较高时，掺量为40%时，SMA-10型和AC-10型掺钢渣再生混凝土的浸水残留稳定度分别为79.1%和80.1%，已经几乎不满足规范要求。

图3 浸水残留稳定度实验结果

3 力学性能研究

3.1 劈裂实验

劈裂抗拉性能用来评价在劈裂破坏时的力学性能，本文采用劈裂实验混合料的劈裂抗拉性能进行评价。

对比组的再生沥青混凝土的劈裂抗拉强度为1.54 MPa，钢渣沥青混凝土的劈裂抗拉强度为1.96 MPa。掺钢渣再生沥青混凝土的劈裂实验的结果如图4所示。

图4 劈裂抗拉实验结果

由图4可得，在RAP掺量在10%到30%的范围内，SMA-10型掺钢渣再生沥青混凝土的劈裂抗拉强度随着RAP掺量的增加降低较为明显，由2.83 MPa降低至2.34 MPa。掺钢渣再生沥青混凝土的劈裂抗拉强度小幅度升高，RAP掺量为40%时，SMA掺钢渣再生沥青混凝土的劈裂抗拉强度为2.61 MPa。比较对比组的再生沥青混凝土的劈裂抗拉强度，同掺量下SMA-10型掺钢渣再生沥青混凝土的劈裂抗拉强度比对比组高0.80 MPa，钢渣再生沥青混凝土的劈裂抗拉强度较高，钢渣对SMA型级配混凝土的劈裂抗拉强度有一定提升作用。

3.2 抗压应力-应变实验

材料在受到应力作用时产生应变，应力-应变关系可直观反应材料的主要力学特性，静态蠕变实验的前提是得到路面的最大应力。路面材料主要受力为压力，所以本节先进行抗压应力-应变的实验研究，测试掺钢渣再生沥青混凝土的抗压应力-应变曲线，研究在荷载作用下材料的受力特性。不同RAP掺量的掺钢渣再生沥青混凝土的应力-应变曲线如图5所示。

由图5可知，RAP掺量范围为10%～40%时，随着RAP掺量的增加，混凝土的极限强度呈现先降低再升高的变化规律，RAP掺量为30%时，掺钢渣再生沥青混凝土的极限强度最低为4.52 MPa，RAP掺量由30%增至40%时，混凝土的极限强度小幅增加了1.98 MPa。不同掺量下的掺钢渣再生沥青混凝土到达极限强度的应变大小相近，RAP掺量为30%时，应变略低为0.017%。RAP掺量较低时，其表面裹附的老化沥青在混合料占比较低，发挥作用较不明显，由“黑石理论”[19]可得，此时RAP是一种内部有损伤的“石料”，在RAP掺量小于30%时，随着RAP掺量的增加，混合料的极限强度下降，同时钢渣掺量的降低，也造成混合料的强度降低。当RAP掺量较高时，老化沥青占比增高其作用效果不可忽略，此时老化沥青在新沥青的调和下恢复部分沥青的性能，RAP此时是有一定沥青膜厚的集料，在沥青与集料的粘附作用下，混凝土的抗压强度略微增加，但由于老化沥青的劲度较大，此时混凝土的应变较小，柔性较差。

(a)RAP掺量10%

对比组应力-应变曲线如图6所示。

(a)再生沥青混凝土与掺钢渣再生沥青混凝土对比结果

由图6(a)可得，RAP掺量均为30%时，再生沥青混凝土的的极限强度为3.91 MPa，小于掺钢渣再生沥青混凝土，说明钢渣相比于天然集料可对再生混凝土的极限强度有所改善。图6(b)可知再生沥青混凝土的极限强度略高于普通沥青混凝土，但达到极限强度时的应变小于普通沥青混凝土，RAP的劲度模量较大，使得再生沥青混凝土柔性相较于普通沥青混凝土较差。由图6(c)可知，钢渣沥青混凝土的极限强度为10.48 MPa，高于RAP掺量在10%～40%之间的掺钢渣再生沥青混凝土，且达到极限强度的应变也略高0.023%。这是由于钢渣本身强度较高，且表面多孔与沥青的粘附作用较强，可使混凝土的强度和柔性均有所提升。

4 结论

a.SMA和AC型掺钢渣再生沥青混凝土的动稳定度随着RAP掺量的增加均呈现先降低再增加的变化规律，RAP掺量由10%增加至30%时，SMA和AC掺钢渣再生沥青混凝土的动稳定度分别由6 750次/mm下降至5 650次/mm，3 533次/mm下降至2 877次/mm。RAP掺量大于30%时，动稳定度又呈增加趋势，RAP掺量为40%时，动稳定度分别为5 857次/mm，3 017次/mm。

b.掺钢渣再生沥青混凝土的低温性能随着RAP掺量的增高呈下降趋势，SMA-10混凝土的最大弯拉应变由RAP粗集掺量为10%的3 254.1 με降至掺量为40%的2 434.3 με。AC-10混凝土的最大弯拉应变由RAP掺量为10%的2 754.5 με降至掺量为40%的2 653.3 με。钢渣可以改善RAP掺量增加对于混凝土低温性能的影响，但并不会改变RAP掺量增加混凝土低温性能下降的趋势。掺钢渣再生沥青混凝土的水稳定性随着RAP掺量的增加也呈下降趋势，RAP掺量小于30%时，下降较为缓慢。RAP掺量为40%时，SMA和AC掺钢渣再生沥青混凝土的浸水残留稳定度分别为79.1%和80.1%。

c.掺钢渣再生沥青混凝土的劈裂抗拉强度随着RAP掺量的增加呈先下降再增高的规律，SMA和AC型掺钢渣再生沥青混凝土的劈裂抗拉强度在RAP掺量为30%时达到最低，分别为2.34 MPa，2.64 MPa。同RAP掺量下，掺钢渣再生沥青混凝土的劈裂抗拉强度低于掺钢渣再生沥青混凝土。钢渣沥青混凝土的劈裂抗拉强度高于掺钢渣再生沥青混凝土，钢渣对于再生沥青混凝土劈裂抗拉性能有一定的改善作用。

d.掺钢渣再生沥青混凝土的极限抗压强度随着RAP掺量的增加呈现先降低再略微提高的变化规律，在RAP掺量为30%时极限强度最低为4.52 MPa，极限强度下的应变差距不大，都在0.020%左右，RAP掺量为30%时，应变最低为0.017%。分析可得RAP掺量较低时，RAP的存在状态更接近“黑石”，因其石料内部存在损伤会导致极限强度降低，掺量较高时，老化沥青开始发挥作用使得混凝土的力学性能有所提升。对比组结果表明钢渣的掺入可改善再生沥青混凝土的力学性能，极限强度可达10.48 MPa。