钢渣掺量对聚合物改性沥青混凝土路用性能的影响研究

范萌萌 吕政凡 欧阳旻奇

摘要：为了提高钢渣的综合利用率，文章以广西防城港钢渣为研究对象，将其作为粗集料应用于AC-13沥青混合料中，重点研究不同钢渣掺量下沥青混合料的高温稳定性能和抗水稳定性能。结果表明：在高温稳定性能方面，随着钢渣掺量的增大，沥青混合料的动稳定度值先增大后减小，在钢渣掺量为50%时最佳，动稳定度值可高达15 421次/mm；在水稳定性能方面，掺入钢渣导致沥青混合料的残留稳定度值不同程度下降，但在钢渣掺量为50%时，混合料的残留稳定度值仅下降1.3%；沥青混合料的劈裂抗拉强度比随着钢渣掺量的增大逐渐提高，最大可提高6.81%。综合分析不同钢渣掺量沥青混合料的路用性能试验结果，建议AC-13C沥青混合料中钢渣掺量为50%。

关键词：钢渣掺量；沥青混合料；高温稳定性；水稳定性

中图分类号：U416.03A010014

0引言

钢渣是在冶炼钢铁过程中产生的一种含有金属原矿杂质、助熔剂和炉衬的工业固体废弃物。据国家统计局公布数据显示，2021年我国钢渣产量达到1.64亿t，并且钢渣产量随着我国钢铁工业的持续发展呈现逐年递增的趋势。大量堆存的钢渣不仅用地面积大，也引发了不少环境污染问题［1］，加之目前我国钢渣综合利用率仅有22%［2］，对此，学者们对钢渣的高效资源化利用问题进行了广泛讨论。

钢渣具有一定的碱性［3］，用于沥青混合料中能够增加沥青与集料粘附性，提升道路石油沥青的耐久性，并且钢渣质地坚硬，耐磨性好，硬度和力学强度高，是一种潜在的集料资源，用于替换沥青混合料中的岩石集料也有助于提高抗车辙能力［4］。因此，钢渣在公路工程沥青混合料领域的应用前景十分广阔。对此，国内外学者开展了大量的研究。陈伟等［5］采用钢渣替换石灰岩集料制备了不同钢渣掺量的SMA-13沥青混合料，并对其路用性能进行验证，结果表明：掺入钢渣能够显著改善混合料的高温稳定性和水稳定性，而低温抗裂性和体积安定性却有所下降，但仍然能够满足规范要求，最优钢渣掺量为75%。李伟等［6］用钢渣代替碎石制备了AC-13、AC-16和AC-20三种级配的钢渣沥青混凝土，同样证实钢渣能够改性沥青混合料性能，但应确保大粒径骨料和沥青用量在合适范围内。魏巍等［7］对掺钢渣的沥青混凝土路面进行了长期的监测，研究发现得益于钢渣优良的物理力学特性，掺钢渣的沥青路面在抗滑性能衰减上比传统的岩石集料沥青路面更慢。Masoudi等［8］向温拌沥青混合料加入钢渣，发现钢渣能够改善沥青混合料的短期老化和长期老化性能，并且与使用石灰石集料的沥青混合料相比，其弹性模量和抗拉伸性能也更好。Bocci等［9］则将钢渣作为热拌沥青的集料，与常规石料的沥青混凝土进行对比后发现，钢渣沥青混合料在刚度、间接拉伸强度和抗车辙性能方面具有更出色的性能。综上所述，将钢渣作为沥青混合料集料能够改善其在稳定性、抗滑性和抗车辙等多方面的性能。

广西防城港钢铁基地年产钢渣1 000万t，利用率＜20%。为实现钢渣在广西地区的资源化利用，本文以防城港钢渣为研究对象，对掺钢渣的AC-13沥青混合料进行配合比设计，并研究不同钢渣掺量对其高温稳定性和抗水稳定性等指标的影响，研究成果可为钢渣在广西地区新建高速公路中的推广应用提供科学依据。

1原材料性能

1.1沥青

本次试验采用产自厦门华特集团有限公司的I-D级SBS改性沥青，对该沥青的常规性能进行了测试，得到其各项性能指标如下页表1所示。

1.2钢渣和辉绿岩粗集料

1.2.1钢渣和辉绿岩物理特性

本次试验用钢渣粗集料为广西源盛矿渣综合利用有限公司产的活化钢渣，辉绿岩粗集料为广西地区辉绿岩碎石，两者粒径范围均为5～10 mm和10～15 mm。依据《沥青混合料用钢渣》（JT/T 1086-2016）和《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005），采用不同试验方法对本次试验用钢渣和辉绿岩碎石的各项物理力学指标进行测试，结果如表2所示。

1.2.2钢渣矿物成分

采用X射线衍射试验对试验用钢渣的矿物组成进行分析，结果如图1所示。由图1可以看出，钢渣中主要的矿物成分为氢氧化钙［Ca（OH）2］、碳酸钙（CaCO3）、硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、RO相以及铁酸二钙（C2F）等。

1.2.3钢渣化学成分

通过X射线荧光光谱对试验用钢渣的化学成分进行分析，结果如表3所示。由表3可知，钢渣中主要的化学成分为CaO、Fe2O3和SiO2。采用文献［10］中钢渣的碱度值计算方法进行计算，得到本次试验用钢渣的碱度值为2.16，属于中碱度钢渣（碱度值1.8～2.5）。而采用具有堿性的钢渣作为集料，使钢渣与沥青分子中的酸性基团发生反应，可增强钢渣集料与沥青间的粘结力，形成良好的粘结作用。

1.3细集料和矿粉

由于钢渣的体积安定性问题，若采用钢渣作为沥青混合料的细集料，可能导致混合料产生较大的体积变化。基于此，本研究采用0～3 mm机制砂作为细集料，填料为0～0.6 mm的石灰岩矿粉。经检测，试验用细集料和矿粉的各项指标均满足我国沥青路面施工技术规范中规定的技术要求。

2试验方法和配合比

2.1试验方法

2.1.1最佳油石比

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004），采用马歇尔击实成型试件，并计算空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度和流值等指标后，确定最佳油石比。

2.1.2路用性能试验

路用性能包括高温稳定性能和水稳定性能。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011），采用轮碾法成型车辙试件后进行车辙试验，以评价其高温稳定性能，并采用残留稳定度和冻融劈裂强度比评价其水稳定性能。

2.2配合比设计

2.2.1混合料级配

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004），在AC-13级配范围内进行调试，确定试验所用级配设计如表4所示。

2.2.2配合比

为了确定AC-13C沥青混合料的最优钢渣用量，本次试验选用0、30%、50%和70%四组不同掺量的钢渣按比例替换对应的辉绿岩集料，制备掺钢渣AC-13C沥青混合料。

由于国内配合比设计采用体积计算法，对于相对密度相差较大的集料会导致其实际级配与设计级配严重偏离。在本次试验中，钢渣与辉绿岩的表观密度之差＞0.2 g/cm3，故需要对钢渣进行等体积换算。本研究采用文献［11］所述体积法将不同掺量钢渣粗集料替换辉绿岩粗集料进行马歇尔击实试验，制备钢渣掺量为0、30%、50%和70%的沥青混合料，并且确定最佳沥青用量，详细材料配合比如表5所示。

3结果与讨论

3.1高温稳定性

通过车辙试验能够获得不同钢渣掺量下沥青混合料的动稳定度，进而评价其高温稳定性能。本研究采用轮碾法成型车辙试件，车辙试件体积参数为：300 mm×300 mm×50 mm，所得试验结果如图2所示。

由图2可知，当钢渣掺量处于0～50%时，不同钢渣掺量下的AC-13沥青混合料的动稳定度值随着钢渣掺量的增加而增大，并在钢渣掺量为50%時达到最大值，此时动稳定度值由钢渣掺量为0时的9 171次/mm增长至钢渣掺量为50%时的15 421次/mm，提升幅度高达68.15%。进一步增加钢渣掺量至70%时，AC-13沥青混合料的动稳定度值下降至13 505次/mm，但其动稳定度值仍比未掺钢渣和钢渣掺量为30%时更优。这可以从两方面解释：（1）钢渣与沥青之间的粘附机理不同于普通碎石集料与沥青之间简单的物理粘附，钢渣具有一定的碱性，其颗粒表面的碱活性成分与沥青分子中的酸性基团发生一系列化学反应，加强了分子间结合，进而在材料之间形成良好的粘附作用；（2）钢渣的质地坚硬，抗压性能更好，并且其颗粒棱角丰富，使得钢渣集料能够在密实成型后形成稳定的嵌固结构，其粗糙且多微孔的表面结构也进一步提高了沥青混合料的抗剪切能力，故钢渣的掺入能够大幅增加沥青混合料的高温抗变形能力。而当钢渣掺量为70%时， 沥青混合料内部容易形成自由沥青，并且由于钢渣棱角丰富，其掺量增加时也容易导致沥青混合料的孔隙率和压实度不易控制，与钢渣掺量为50%时相比，难以形成密实的稳定结构，这导致了混合料动稳定度的不升反降。综上所述，从高温稳定性能方面来看，钢渣的最佳掺量为50%。

3.2水稳定性

3.2.1浸水马歇尔试验

浸水马歇尔试验是一项十分重要的沥青混合料试验，用于检验沥青混合料受水损害时抵抗剥落的能力，以评价沥青混合料水稳定性。本次试验采用马歇尔大型击实成型试件进行标准马歇尔试验和浸水马歇尔试验，并计算其残留稳定度，所得试验结果见图3。

由图3可知，掺入30%～70%的钢渣后，不同钢渣掺量的沥青混合料的残留稳定度值出现不同程度的下降。其中，钢渣掺量为30%时残留稳定度值下降最明显，由99.30%下降至90.20%。值得注意的是，在钢渣掺量为50%时，沥青混合料的残留稳定度值仅下降了1.30%，这表明该掺量下钢渣对沥青混合料的水稳定性影响最小。但同时钢渣的掺入使得沥青混合料的标准马歇尔稳定度和浸水马歇尔稳定度均得到了明显的提高。当钢渣掺量为30%时，沥青混合料的标准马歇尔稳定度取得最大值；进一步增加钢渣掺量至50%时，沥青混合料的浸水马歇尔稳定度取得最大值，并且在该掺量下沥青混合料的标准马歇尔稳定度值达14.76 kN，与钢渣掺量为30%时基本相当；继续增加钢渣掺量至70%后，混合料的马歇尔稳定度有所下降，但仍然优于未掺钢渣的沥青混合料。综上分析，尽管钢渣掺入对沥青混合料的残留稳定度不利，但从马歇尔稳定度值来看，即使在浸水48 h后，掺钢渣沥青混合料的稳定度值仍明显高于未掺钢渣的沥青混合料。因此，从马歇尔稳定度值和残留稳定度来看，钢渣的最佳掺量为50%。

3.2.2冻融劈裂试验

冻融劈裂的试验条件比一般的浸水试验更严苛，通过冻融劈裂试验能够评价不同钢渣掺量下沥青混合料的水稳定性，检验其抗水损害能力。本次冻融劈裂试验结果如图4所示。

由图4可知，随着钢渣掺入，不同钢渣掺量的沥青混合料的劈裂抗拉强度均有所增大，但钢渣掺量对其影响不明显；而冻融劈裂抗拉强度比则随着钢渣掺量的增大而逐渐提高，直至钢渣掺量为70%时取得最大值，此时沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比高达98.10%，比未掺钢渣时提高了6.81%。分析认为，这同样得益于钢渣颗粒的多微孔结构和钢渣的碱性，使得钢渣能够更加紧密地与沥青粘结，进而提高掺钢渣沥青混合料的水稳定性。此外，从冻融劈裂抗拉强度比曲线也可以看出，随着钢渣掺量的增加，冻融劈裂抗拉强度比的增幅逐渐减少。分析认为，这主要是钢渣中存在部分的游离氧化钙（f-CaO）和游离（f-MgO）等有害杂质，在遇水后会发生反应生成Ca（OH）2和Mg（OH）2，导致混合料的体积产生膨胀，对掺钢渣沥青混合料的水稳定性造成不利影响。总的来说，掺入钢渣能够提高沥青混合料的劈裂抗拉强度和冻融劈裂抗拉强度比，进而改善沥青混合料的水稳定性。

4结语

本文以防城港钢渣为研究对象，通过车辙试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂抗拉试验对不同钢渣掺量的AC-13C沥青混合料高温稳定性能和水稳定性能进行了研究，主要得出以下结论：

（1）掺入钢渣能够明显改善沥青混合料高温稳定性能，在钢渣掺量为50%时提升效果最明显，此时沥青混合料动稳定度值由9 171次/mm提高到15 421次/mm，增幅高达68.15%；进一步增加钢渣掺量至70%时，钢渣对沥青混合料的动稳定度的改善作用下降，但其动稳定度值仍显著高于未掺钢渣的沥青混合料。

（2）钢渣对沥青混合料的残留稳定度值存在不利影响，残留稳定度值在钢渣掺量为30%时由99.30%下降至90.20%，但钢渣掺量为50%时，混合料的残留稳定度值仅下降1.30%。从马歇尔稳定度值来看，即使在浸水48 h后，掺钢渣沥青混合料的稳定度值仍明显高于未掺钢渣的沥青混合料。

（3）钢渣能够提高沥青混合料的劈裂抗拉强度，并且随着钢渣掺量的增大，混合料的冻融劈裂抗拉强度比逐渐提高，但增幅逐渐降低，最高可提升6.81%。

（4）综合分析不同钢渣掺量沥青混合料的路用性能试验结果，建议AC-13C沥青混合料选用50%钢渣掺量。

参考文献

［1］ 郑伟成，赵令，张浩，等.矿渣-硅灰协同强化钢渣水化反应机理［J］.钢铁，2022，57（5）：146-155.

［2］肖光.AC-16钢渣沥青混凝土配合比与路用性能试验研究［J］.路基工程，2021，219（6）：123-130.

［3］赵立杰，张芳.钢渣资源综合利用及发展前景展望［J］.材料导报，2020，34（S2）：1 319-1 322，1 333.

［4］王新凤.钢渣处理与综合利用探析［J］.低碳世界，2021，11（6）：305-306.

［5］陈伟，韦金城，徐希忠，等.不同钢渣掺量的沥青玛蹄脂碎石混合料路用性能［J］.科学技术与工程，2022，22（21）：9 331-9 338.

［6］李伟，郎雷.钢渣沥青混凝土渗透、压缩及耐久性试验研究［J］.科学技术与工程，2017，17（11）：315-321.

［7］魏巍，陈美祝，李灿华，等.钢渣沥青混凝土路面抗滑性能研究［J］.建材世界，2010，31（4）：33-35.

［8］Masoudi S，Abtahi S M，Goli A. Evaluation of electric arc furnace steel slag coarse aggregate in warm mix asphalt subjected to long-term aging［J］. Construction and Building Materials，2017（135）：260-266.

［9］Bocci，Edoardo. Use of ladle furnace slag as filler in hot asphalt mixtures［J］. CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS，2018，161（2）：156-164.

［10］ 高振鑫，申爱琴，翟超伟，等.钢渣沥青混合料体积参数测定与水稳定性影响机理［J］.交通运输工程学报，2018，18（2）：1-10.

［11］Tataranni P，Sangiorgi C. Synthetic aggregates for the productionof innovative low impact porous layers for urban pavements［J］.Infrastructures，2019，4（3）：4 858.

基金項目：广西住建厅科学技术计划项目“赤泥钢渣沥青混合料的性能研究及其在市政道路中的应用研究”（桂建函〔2020〕783号）；南宁市兴宁区科学研究与技术开发计划项目“水泥钢渣微粉稳定钢渣半刚性基层的技术开发与应用”（编号：2021A03）

作者简介：范萌萌（1988—），硕士，工程师，主要从事道路工程、路用固废材料资源化利用研究工作。