钢渣对沥青混凝土性能提升研究

宁黎磊

(湖南省白南高速公路建设开发有限公司， 湖南 长沙 410016)

交通量的增加导致路面结构加速出现车辙、开裂等病害[1]，为了防治这些路面病害，可以在进行路面设计时改变集料的类型和尺寸[2]、使用改性沥青[3]等。钢铁是国家经济发展所需的重要基础原材料，我国每年产生钢渣超过1亿t，但有效利用率不到30%[4]，造成了极大的浪费与环境污染。钢渣的化学成分主要包括CaO、SiO2、Al2O3、MgO和Fe2O3等，具有道路铺装应用所需的高强度和高耐久性[5]。在沥青混合料中使用钢渣作为粗集料，可以改善路面在稳定性、抗滑性、永久变形和抗裂性等方面的性能[6]。在民用基础设施项目中使用钢渣作为建筑材料将大大减少这种废弃物的填埋。近年来，钢渣开始广泛应用于土木工程建设中，如用作路堤填料、路面基层和基底填料等[7]。在沥青路面中，钢渣的使用可提高路面的耐久性和稳定性。

沥青混凝土的性能本质上取决于集料、沥青和级配的类型。大多数沥青混凝土使用石灰石(L)和花岗岩(G)作为集料，在交通量较大的高速公路上，常使用成本较高的聚合物改性沥青作为胶结料。为了最大限度降低成本，可在70#基质沥青混凝土中，选用坚固耐用的钢渣作骨料，以得到石灰石-SBS(L-SBS)或花岗岩-SBS(L-G-SBS)沥青混凝土的高性能路面。现有对钢渣混凝土的研究集中在钢渣粉末填料对沥青混凝土性能的影响[8]以及采用钢渣完全代替碎石的沥青混凝土[9-10]等方面，很少分析不同粒径的钢渣对沥青混凝土性能提升的差异。

基于此，本研究对钢渣沥青混凝土(L-S型)、石灰石沥青混凝土(L型)和花岗岩沥青混凝土(L-G型)的性能进行了评价，并与同类别的SBS混凝土进行了比较。 通过间接抗拉强度、动态劈裂回弹模量、动态蠕变、间接拉伸疲劳和车辙试验等性能试验，评价了钢渣作为沥青混凝土集料的优势。本研究可促进钢渣在沥青路面中的使用，进而促进沥青混凝土路面系统的可持续发展，节约自然资源，减少能源使用，减少温室气体排放。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

本研究使用石灰石、花岗岩、钢渣作为集料。其主要力学性能指标见表1，测试值均符合我国公路施工技术标准。选用70#基质沥青以及SBS改性沥青作为胶结料，其三大指标见表2。

表1 集料的基本性质%集料类型洛杉矶磨耗值坚固性冲击值压碎值磨光值石灰石22.901.6013.6018.9045.80花岗岩19.701.7018.2018.3050.50钢渣17.100.6013.9018.4050.60

1.2 配合比与试样制备

为了研究沥青种类、集料类型、钢渣对沥青混合料性能的影响，将3种集料按粒径分别分成了4档：a档(<4.75 mm)、b档(<9.5 mm)、c档(<19 mm)、d档(<26.5 mm)。根据马歇尔混合料设计方法制备了10种不同类型的沥青混凝土试件，如表3所示。由于石灰石更容易铣削，因此a档集料均由石灰石组成。为了避免级配的影响，所有类型的混合料都采用相同的级配，级配设计曲线如图1所示。

表2 沥青性能指标类别项目针入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm延度[15 ℃(基质沥青)/5 ℃(SBS沥青),5 cm/min]/cm软化点(环球法)/℃动力黏度/(Pa·s)60 ℃135 ℃蜡含量/%70#基质沥青试验结果67>10049.5197.1—2.0技术要求60～80≥100≥46≥180—2.2SBS改性沥青试验结果6445.364.2—2.4—技术要求60～80≥30≥55—≤3—

表3 沥青混凝土试件类型试件类型集料类型a档b档c档d档沥青种类最佳沥青用量/%L型LLLL70#基质沥青4.5L-G型LGGG70#基质沥青4.6LS3型LSSS70#基质沥青5.0LS2型LLSS70#基质沥青4.8LS1型LLLS70#基质沥青4.7L-SBS型LLLLSBS改性沥青4.5L-G-SBS型LGGGSBS改性沥青4.6LS3-SBS型LSSSSBS改性沥青5.0LS2-SBS型LLSSSBS改性沥青4.8LS1-SBS型LLLSSBS改性沥青4.7

图1 沥青混合料级配设计曲线

车辙试验采用RCENLD-II气动型振动压实机,成型尺寸为400 mm×300 mm×50 mm的车辙板试件，其余试验用马歇尔击实仪成型63.5 mm高、直径101.6 mm的圆柱形试件。本研究的所有沥青混凝土的空隙率均为4%，试验确定沥青最佳用量为5%，马歇尔试验所测得稳定度以及流值见表4。

1.3 性能测试

为了研究沥青混凝土的抗裂性能，根据规范开展了劈裂拉伸强度试验，试验温度为25 ℃，加载速率为50.80 mm/min，记录试样破坏时的荷载峰值。为了研究沥青混凝土的疲劳特性，根据规范开展了劈裂拉伸疲劳试验，试验温度25 ℃，对试样施加加载周期为120 ms、峰值为400 kPa的半正交循环荷载，绘制试样竖向变形累计曲线图。

动态回弹模量试验是沥青混凝土路面设计过程中确定沥青混凝土路用性能的重要手段，动态模量试验用动应力和相应的应变来衡量沥青混凝土的路面响应，可用于评价沥青混凝土的弹性性能。本研究通过动态劈裂拉伸试验测定沥青混凝土的动态回弹模量，试验应力为劈裂拉伸强度的15%，频率为1 Hz(加载时间0.1 s、卸载时间0.9 s)，加载次数为200次。本试验取最后5次加载循环中荷载的平均幅值、回弹变形平均幅值来计算回弹模量。

表4 马歇尔设计参数试件类型沥青含量/%稳定度/kN流值/mm密度/(g·cm-3)VV/%VMA/%VFA/%L型5.010.214.822.424.0014.6973.17L-G型5.110.374.792.364.0014.4271.73LS3型5.514.934.432.724.0015.3474.16LS2型5.313.964.672.634.0015.3473.91LS1型5.210.744.732.634.0015.3474.27L-SBS型5.014.423.682.434.0014.6672.75L-G-SBS型5.114.613.732.384.0014.3772.19LS3-SBS型5.522.063.062.714.0015.2573.48LS2-SBS型5.317.543.432.614.0015.3174.06LS1-SBS型5.214.383.602.574.0014.9273.23

动态蠕变和车辙试验通常用于评价沥青混凝土抵抗永久变形的能力[8-9]。动态蠕变试验是通过对样品施加动态载荷，然后用线性位移传感器(LVDT)测量样品卸载后的永久变形。根据规范选择加载条件，对不同沥青混凝土的相对性能进行评价，以确定其抗永久变形能力。

车辙试验结果可以预测车辙特性，与沥青路面现场性能有很好的相关性。根据规范要求，采用轮辙试验机评定沥青混凝土的车辙性能，试验温度为40 ℃，胎压为0.7 MPa。试验过程中，试验轮保持以(26.5±1)个/min荷载循环的恒定频率进行加载。记录加载次数分别为1000、3000、4000、14000、34000次时试件表面的变形量。

2 试验结果与分析

通过马歇尔试验及性能试验对各沥青混凝土进行了评价，探讨沥青混凝土中掺入钢渣(S)集料的优势，同时研究基质沥青和SBS沥青对沥青混凝土的影响。

2.1 马歇尔稳定度

根据表4可知，所有类型沥青混凝土的马歇尔稳定度均超过了10 kN，且SBS沥青混凝土的稳定度比相同集料类型的基质沥青高25.6%～47.8%。沥青胶结料相同时，L型沥青混凝土与L-G型沥青混凝土的稳定度几乎相同。LS3型、LS2型、LS1型沥青混凝土的稳定度分别比L型沥青混凝土高46.2%、36.7%、5.2%；LS3-SBS型、LS2-SBS型改性沥青混凝土的稳定度分别比L-SBS型改性沥青混凝土高53.0%、21.6%。结果表明混合料中掺入钢渣可显著提高马歇尔稳定性，此外，LS3型沥青混凝土稳定度与L-SBS型和L-G-SBS型改性沥青混凝土相当，而后两者的成本更高，所消耗的自然资源也更多。

2.2 劈裂抗拉强度

图2为25 ℃时集料类型与劈裂抗拉强度(ITS)的关系。沥青胶结料相同时，L型沥青混凝土的ITS最高，而L-G型沥青混凝土最低；SBS改性沥青混凝土比基质沥青混凝土的ITS值高20.4%～51.3%，具体增加的ITS值取决于集料的种类与比例。LS3型、LS2型、LS1型沥青混凝土的ITS分别比L型低22.6%、15.4%和24.0%；LS3-SBS型、LS2-SBS型、LS1-SBS型沥青混凝土的ITS值分别比L-SBS型沥青混凝土低26.6%、7.6%和12.7%。虽然使用钢渣作为骨料降低了沥青混凝土的ITS值，但仍能符合使用要求。

图2 集料类型与劈裂强度的关系

2.3 劈裂拉伸疲劳寿命

各类沥青混凝土的劈裂拉伸疲劳试验结果如图3所示。由图可以看出，集料类型相同时，SBS沥青混凝土疲劳寿命比70#基质沥青混凝土高；未加入钢渣时，石灰石沥青混凝土的疲劳寿命值均高于花岗岩沥青混凝土，这与石灰石沥青混凝土的ITS值较高有关；对于同一种沥青，使用钢渣的沥青混凝土疲劳寿命高于石灰石和花岗岩沥青混凝土，且疲劳寿命随着钢渣含量的增多而增高；其中，LS3型、LS3-SBS型沥青混凝土疲劳寿命分别是L型、L-SBS型的1.61、5.19倍，很明显，钢渣可以大幅提升沥青混凝土的疲劳寿命，对SBS沥青混凝土而言尤为明显。

图3 10种沥青混凝土的疲劳寿命

2.4 动态回弹模量

图4为回弹模量与集料类型的关系。集料类型与比例相同的情况下，SBS沥青混凝土的模量比基质沥青混凝土高26.5%～39.7%；L-G型、L-G-SBS型沥青混凝土的模量分别比L型、L-SBS型沥青混凝土高，这表明加入花岗岩比单纯使用石灰石作为集料的沥青混凝土有着更高的抗车辙能力，但沥青种类相同时，L-G型沥青混凝土的回弹模量仍比LS3-沥青混凝土低。

基质沥青作为胶结料时，LS3、LS2、LS1型3种沥青混凝土的模量分别比L型沥青混凝土高43.6%、21.9%、5.6%； SBS沥青作为胶结料时，LS3、LS2、LS1型3种沥青混凝土的模量分别比L型沥青混凝土高35.7%、10.4%、4.0%。从图4可以看出，使用钢渣作为集料提高了沥青混凝土的矿料间隙率(VMA)，而高VMA使得混合料具有更高的抵抗变形能力以及强度[11]，因此，模量随着钢渣替换率的增加而增加，LS3型沥青混凝土模量达到3672.67MPa，高于L-SBS型沥青混凝土的3571.33MPa以及L-G型沥青混凝土3159.75MPa。这表明，与成本较高的L-SBS型沥青混凝土相比，掺入钢渣的基质沥青混凝土具有更高的模量。

图4 集料类型与动态回弹模量的关系

2.5 动态蠕变

动态蠕变试验是预测沥青混凝土永久变形的高可靠性试验。图5为加入钢渣前后动态蠕变试验结果对比。图5a表明LS3型沥青混凝土的永久轴向应变比L型沥青混凝土低约1.57倍，这与LS3型沥青混凝土具有较高的模量是相符的。图5b给出了L型沥青混凝土和LS3型沥青混凝土的累积永久变形与荷载循环次数的关系。虽然沥青混凝土的累积永久应变随荷载循环次数的增加而增加，但在相同的荷载循环次数下，LS3型基质沥青混凝土的永久变形低于L型基质沥青混凝土。

2.6 车辙

车辙深度很大程度上取决于沥青混凝土性能，图6为车辙试验结果。由图可知，相同轮载次数作用下，LS3型沥青混凝土的车辙深度比L型沥青混凝土小，在1000、4000、14000、34000次车轮荷载作用下，LS3型沥青混凝土的车辙深度分别为0.59、0.82、1.25、1.64mm，而L型沥青混凝土车辙深度分别为0.93、1.14、1.67、2.19mm。

a) 混合料轴向应变

b) 混合料不同加载次数下的永久变形

车辙试验与蠕变试验结果表明，回弹模量与车辙阻力直接相关，LS3型沥青混凝土的模量比L型沥青混凝土高43.6%(见图4)，在各车轮荷载加载次数下，L型沥青混凝土车辙深度比LS3型沥青混凝土平均高40.9%。车辙深度与集料表面沥青剥离引起的粘结损伤直接相关，石灰石集料很容易被磨光，而钢渣的使用可以改善这一不利特性，表明钢渣可以改善沥青和集料之间的黏附性能。性能试验结果表明，钢渣提高了混合料的抗疲劳性能，其原因可能与钢渣的高粗糙度、高硬度和高承载力有关。

图6 车辙试验结果

3 结论

本研究对以石灰石、花岗岩和钢渣为集料的沥青混凝土进行了性能试验，以确定钢渣作为集料的优势。通过研究可得出以下结论：

1) 钢渣置换显著提高了沥青混凝土的稳定性。 其中LS3型沥青混凝土的稳定性比L型沥青混凝土高46.2%，LS3-SBS型改性沥青混凝土的稳定性比L-SBS型改性沥青混凝土高50.3%。 此外，LS3型沥青混凝土的稳定性与L-SBS型和L-G-SBS型沥青混凝土一样高，而后者价格更高，消耗更多的自然资源。

2) LS3型沥青混凝土与LS3-SBS沥青混凝土ITS值分别比L型沥青混凝土与L-SBS沥青混凝土低22.6%、26.6%。钢渣作为集料降低了混合料的ITS值，但是LS3、LS2、LS1型沥青混凝土的ITS值仍高于使用相同胶结料的L-G型沥青混凝土。

3) L型沥青混凝土与SBS沥青混凝土的疲劳寿命分别比L-G-基质沥青混凝土与SBS沥青混凝土高；LS3型基质沥青混凝土与SBS沥青混凝土的疲劳寿命分别是L型基质沥青混凝土与SBS沥青混凝土的1.61倍、5.19倍。钢渣作为集料显著提高了沥青混凝土的使用寿命。

4) 沥青胶结料相同时，LS3型沥青混凝土的回弹模量最大，L-G型沥青混凝土次之，L型沥青混凝土最小。这与LS3型沥青混凝土具有较高的VMA有关，其使混凝土有着更高的强度以及抵抗变形性能。

5) 由于钢渣具有粗糙的棱角，混合料间的嵌挤力随钢渣的增加而变大，因而具有更好的抗蠕变性能。在相同循环荷载次数作用下，LS3型沥青混凝土的永久变形比L型沥青混凝土低1.57倍。

6) 使用钢渣作为集料提高了沥青混凝土的性能。LS3型沥青混凝土的疲劳寿命、回弹模量、抗车辙性能分别是L型沥青混凝土的1.61、1.44、1.41倍。换而言之，LS3型沥青混凝土的使用寿命

比相同厚度的L型沥青混凝土更长。因此，钢渣可被认为是沥青混凝土中的一种可持续集料，具有重大的工程、经济和环境应用价值。