ARHM-13钢渣沥青混合料路用性能研究

李 阳, 李双抒, 马义东, 栾 扬, 刘佳辉

(1.河北雄安京德高速公路有限公司, 河北 廊坊 065700; 2.河北省交投规划设计研究院, 石家庄 050000)

钢渣是一种工业固体废弃物,其产量约占粗钢产量的10%～15%[1]。我国钢渣年产量已突破1亿t,其中河北省的年产钢渣量位居全国首位,但其利用率仅约为30%[2]。道路的修建需要大量的集料,然而近年来我国优质石料资源日益紧缺,再加上“双碳”战略在各行各业的快速实施,科研工作者逐渐考虑将钢渣代替集料应用于道路工程中。

相关研究表明钢渣是一种具有优良性能的道路材料,其具有棱角性好、磨光值高、硬度高以及与沥青粘附性好等优良性能[3-5]。国内外众多学者对于钢渣在沥青混合料中的应用进行了研究。Mansour F等[6]通过室内相关试验,证明了在温拌沥青混合料中适当添加钢渣能提高其各项路用性能;高颖等[7]采用3种化学试剂对钢渣进行了浸泡改性处理,并通过性能测试、扫描电子显微镜(SEM)、声发射等测试方法研究了改性钢渣的物理力学性能、改性钢渣-沥青混合料性能、钢渣的改性机理和改性钢渣-沥青混合料抗裂机理;祁昊等[8]通过高温车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔和冻融劈裂试验对钢渣-玄武岩胶粉改性沥青混合料高、低温及水稳定性进行了研究,并针对各项指标运用灰靶决策理论,计算选出钢渣替换玄武岩的最佳替换方案;张庆宇等[9]选用水热敏感性试验模拟了高温动水冲刷环境,并评价了钢渣沥青混合料的水热敏感性;Wei等[10]通过室内模拟试验研究表明应力大小和温度高低是主要影响钢渣沥青混合料抗变形性能的因素,游离CaO是主要影响钢渣体积稳定性的因素;申爱琴等[11]通过室内加速磨耗试验证明掺入钢渣可有效改善隧道路面沥青混合料的抗滑性能,并揭示了其抗滑性能的衰减机理;Khiong等[12]研究发现橡胶屑可用于制备热拌沥青混合料,其具有耐用和可持续的优势;武建民等[13]通过加速磨耗试验研究了级配类型和钢渣掺量对21%胶粉掺量的钢渣橡胶沥青混合料抗滑性能的影响,结果表明随着钢渣掺量的增加,其抗滑性能逐渐提高。

综上,掺加适量钢渣能显著提高沥青混合料的抗滑性、稳定性、耐久性、抗车辙等性能,但目前对于钢渣在胶粉改性沥青混合料中的应用研究较少。本文在30%胶粉掺量的橡胶改性沥青混合料ARHM-13抗滑级配的基础上,采用9.5 mm～16 mm档钢渣等质量替代10 mm～15 mm档玄武岩,通过相关试验对ARHM-13钢渣沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性及抗滑性能进行研究,并通过灰靶决策理论优选出最佳钢渣掺量,旨在为钢渣代替集料在道路工程领域中的应用提供理论基础,进一步推动钢渣在我国道路工程中的应用。

1 试验原材料及配合比设计

1.1 原材料及技术指标

1) 沥青

试验所用沥青为30%胶粉掺量橡胶改性沥青,由河北某科技有限公司生产,其主要技术指标见表1。

表1 30%橡胶改性沥青性能指标

2) 粗细集料和矿粉

ARHM-13钢渣沥青混合料所用粗集料、细集料、矿粉均来自于某高速ZT11标上面层集料,粗集料为玄武岩,细集料为石灰岩,矿粉由石灰岩研磨而成,粗细集料和矿粉的各项性能指标见表2～表4。

表2 粗集料物理力学性能指标

表3 细集料技术指标 g/cm3

表4 矿粉技术指标

3) 钢渣

试验中所采用的钢渣为河北敬业钢铁厂(简称河钢)产生的废渣,各指标测试结果见表5。

表5 钢渣物理力学性能

钢渣中游离MgO和游离CaO遇水会生成Mg(OH)2和Ca(OH)2,使钢渣体积发生膨胀,根据国家相关规范要求,钢渣中游离氧化钙的含量应不大于3%,浸水膨胀率不大于2%。依据规范《钢渣稳定性试验方法》(GB/T 24175—2009)[14]进行钢渣浸水膨胀率测试,获得河钢钢渣的浸水膨胀率为0.6%,满足国家规范要求,具体结果见表6。钢渣筛分结果见表7。

表6 钢渣混合料10 d膨胀量

表7 钢渣筛分结果

1.2 ARHM-13钢渣沥青混合料级配设计

为确定ARHM-13钢渣沥青混合料中钢渣的最佳掺量,在考虑实际工程集料级配的准确性、方便操作及施工成本的基础上,采用体积法[15]用粒径为9.5 mm～16 mm钢渣等质量替代10 mm～15 mm档玄武岩,设计钢渣掺量分别为0%、30%、50%、70%、100%。根据ARHM-13沥青混合料级配范围,进行沥青混合料矿料级配设计,沥青混合料级配见表8。制备不同钢渣掺量级配的马歇尔试件,进行马歇尔击实试验,确定各自的最佳油石比,见表9。

表8 ARHM-13钢渣沥青混合料级配

表9 不同钢渣掺量沥青混合料最佳油石比 %

2 沥青混合料路用性能试验

选择上述钢渣掺量分别为0%、30%、50%、70%和100%的矿料级配,采用各自最佳油石比配制ARHM-13钢渣沥青混合料进行路用性能系列试验。

2.1 高温稳定性

沥青路面车辙病害是沥青路面病害的主要形式之一,频发于夏季高温服役条件下,主要与沥青、集料的基本性能有关。实践中常用车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[16]制备车辙板试件,采用动稳定度指标来评价ARHM-13钢渣沥青混合料的高温稳定性。ARHM-13钢渣沥青混合料车辙试验结果见图1。

图1 ARHM-13沥青混合料车辙试验结果

由图1可知:

1) 适量钢渣的掺入能有效提高ARHM-13钢渣沥青混合料的动稳定度,即钢渣能有效提高沥青混合料的高温稳定性。

2) 钢渣掺量为50%时,即9.5 mm～16 mm档颗粒钢渣质量为50%时,ARHM-13沥青混合料的动稳定度最大,为9 698次/mm,相较不掺钢渣的ARHM-13沥青混合料,其动稳定度提高了19.79%。

3) 沥青混合料的高温稳定性随着钢渣掺量的增加先提高后降低,在钢渣掺量为50%时,高温稳定性最优;当钢渣掺量为100%时,ARHM-13沥青混合料的动稳定度最低,低于不掺加钢渣的沥青混合料,但能满足高速沥青路面动稳定度值大于5 000次/mm的技术要求。

在一定掺量范围内,钢渣的掺入改善了ARHM-13沥青混合料的高温稳定性。主因为:1) 钢渣具有孔隙率高、表面粗糙、棱角分明及强度高等特征,相较天然石料,钢渣与沥青之间存在极好的粘结性;2) 弱酸性的沥青与强碱性的钢渣会进行一系列的化学反应,使两者之间产生较高的粘聚力;3) 相较玄武岩粗集料,钢渣棱角分明,在经过压实后,集料颗粒之间形成密实的骨架嵌挤结构,使沥青混合料的抗剪强度得到增强,其抵抗永久变形的能力增强,从而提高其高温稳定性;4) 随着钢渣掺量的增加,其最佳油石比逐渐增大,钢渣内部孔隙被沥青填满,由此导致沥青混合料难以压实,其孔隙率与压实度无法达到规定要求,致使沥青混合料在高温条件下抵抗变形能力降低,进而其高温稳定性变差。

2.2 低温抗裂性

在低温服役条件下,混合料刚度变大,沥青路面在受到车辆荷载、温度及环境等因素的共同作用下,易出现裂缝病害。依据规程[16]中的弯曲试验方法来研究ARHM-13钢渣沥青混合料的低温性能。ARHM-13钢渣沥青混合料低温弯曲试验结果见图2。

图2 ARHM-13沥青混合料低温弯曲试验结果

由图2可知:

1) 各组ARHM-13沥青混合料的最大弯拉应变均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[17]中对严冬地区的规定。

2) 当钢渣掺量为70%时,最大弯拉应变达到最高值,为3.207×10-3。

3) 相较不掺加钢渣的沥青混合料,当钢渣掺量为30%、50%、70%和100%时,ARHM-13沥青混合料的最大弯拉应变分别增加了1.03%、1.89%、6.30%和3.35%,表明随着钢渣的掺入,ARHM-13沥青混合料的最大弯拉应变先增后降,即钢渣的掺入能提高ARHM-13沥青混合料的低温抗裂性能。

主因为:钢渣的掺入致使沥青用量增加,钢渣表面具有较多孔隙,会吸附更多的沥青,使得沥青混合料中结构沥青的比例增多,进而提高沥青混合料的低温抗裂性。

2.3 水稳定性

2.3.1 浸水马歇尔试验

水稳定性是沥青路面的基本要求之一,沥青路面水稳定性不足造成的水损害是我国沥青路面早期破坏的主要形式之一。根据规程[16]中的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验研究ARHM-13钢渣沥青混合料的水稳定性,采用残留稳定度比来评价其水稳定性。ARHM-13钢渣沥青混合料浸水马歇尔试验结果见图3。

图3 ARHM-13沥青混合料浸水马歇尔试验结果

由图3可知:

1) 各组ARHM-13沥青混合料的残留稳定度均满足规范大于85%的要求。

2) 相较不掺钢渣ARHM-13沥青混合料的残留稳定度,当钢渣掺量为30%、50%、70%和100%时,残留稳定度分别提高了2.20%、7.07%、11.01%和4.98%。当钢渣掺量为70%时,ARHM-13沥青混合料的残留稳定度提高最显著。这表明随着钢渣掺量的增加,沥青混合料的水稳定性呈先增强后减弱的变化趋势。

钢渣的掺入改善了ARHM-13沥青混合料的水稳定性,其原因:1) 钢渣与沥青之间会发生一系列的化学反应,使钢渣表面形成化学吸收层,增强了钢渣与沥青之间的粘结性能,从而有效缓解了集料颗粒的松散剥落;2) 钢渣与沥青之间的粘附性强于天然石料,在其表面形成更多的结构沥青,使沥青膜的厚度得到增加,从而改善了ARHM-13沥青混合料的水稳定性。

2.3.2 冻融劈裂试验

根据规程[16]中冻融劈裂试验研究ARHM-13钢渣沥青混合料的水稳定性。ARHM-13钢渣沥青混合料冻融劈裂试验结果见图4。

图4 ARHM-13沥青混合料冻融劈裂试验结果

由图4可知,就冻融劈裂试验而言,各组ARHM-13沥青混合料试件的冻融劈裂强度比满足规范大于80%的要求。相较不掺加钢渣的沥青混合料,当钢渣掺量为30%时,ARHM-13沥青混合料的冻融劈裂强度比提高了0.03%;当钢渣掺量分别为50%、70%和100%时,ARHM-13沥青混合料的冻融劈裂强度比分别降低了3.96%、6.25%和7.19%,表明随着钢渣的掺入,ARHM-13沥青混合料的冻融劈裂强度比变化幅度不大,即钢渣的掺入并未提高ARHM-13沥青混合料的冻融劈裂强度比。结合浸水马歇尔试验结果可知,掺入钢渣在一定程度上提高了ARHM-13沥青混合料的抗水损害能力,但效果有限。

钢渣的掺入尽管在一定程度上提高了沥青混合料的最佳油石比,但钢渣的掺加节约了大量的石料,降低了工程造价,较大幅度提高了ARHM-13沥青混合料的各项路用性能,具有较高的经济性。

3 ARHM-13钢渣沥青混合料抗滑性能试验研究

3.1 加速磨耗试验

试验设备采用法标NF P 98-253-1[18]体系下ORNIEREUR大型充气胶轮车辙试验机,见图5。该设备充气轮胎轮宽80 mm、行程410 mm。试验加载频率为1 Hz,温度为30 ℃,接触荷载设定为0.6 MPa,模拟不同钢渣掺量(30%、50%、70%、100%)下ARHM-13沥青路面服役状态的抗滑性能衰减过程。每组试件进行10万次荷载作用,每2 500次为1个周期,每个周期(含0周期)使用摆式仪测试试件表面抗滑摆值。

图5 法国车辙试验机整体及局部

3.2 试验结果分析

试件表面抗滑摆值变化趋势见图6。

图6 ARHM-13沥青混合料的抗滑性能衰减点线

从图6可以看出:

1) 不同钢渣掺量的ARHM-13沥青混合料的抗滑性能衰减规律总体相近,大致分为初始期、衰减期和稳定期。初始期的ARHM-13钢渣沥青混合料抗滑摆值衰减速度相对较慢;衰减期的ARHM-13钢渣沥青混合料抗滑摆值衰减速度相对较快,衰减率高,持续时间长;稳定期的ARHM-13钢渣沥青混合料抗滑摆值衰减速度慢,衰减率低,衰减曲线逐渐趋于直线。

2) ARHM-13钢渣沥青混合料抗滑性能在衰减过程中出现了回升现象,即在荷载反复作用下,集料表面的沥青膜会不断地磨损与脱落,混合料试件表面集料裸露,此时沥青混合料的抗滑性能主要由裸露的、粗糙的集料所承担,由于集料初期的抗滑性能优于沥青膜的,因此会出现短暂的回升现象;同时,在荷载作用过程中集料会产生一定程度的破碎,形成新的破裂面表面纹理构造,使ARHM-13钢渣沥青混合料的抗滑性能得以提升。

3) 相较未掺加钢渣的沥青混合料,掺加钢渣的ARHM-13沥青混合料沥青膜脱落所需的荷载加载次数更多,在一定范围内,随着钢渣掺量的增大,沥青膜脱落所需要的荷载加载次数越多,其抗滑性能衰减曲线波动次数则越少。出现此现象的原因是钢渣表面的微观构造明显优于玄武岩的,其与沥青的粘附性较好,使抗滑性能衰减过程回升现象的产生得到了延迟,有效延长了沥青路面的抗滑性能衰减期。

4) 随着钢渣掺量的增大,ARHM-13钢渣沥青混合料的抗滑回升幅度降低。主因是玄武岩的抗滑性能优于钢渣的,在沥青膜磨损脱落后前者产生的回升幅度大于后者产生的。

为进一步分析钢渣掺量对混合料抗滑性能的影响,采用BPN(摆值)损失率和BPN衰减速率2种评价指标对ARHM-13钢渣沥青混合料抗滑性能进行分析,荷载作用10万次时,BPN损失率与衰减速率见图7。

图7 荷载作用10万次时BPN损失率与衰减速率

由图7可以看出:

1) 在荷载作用10万次后,ARHM-13沥青混合料的抗滑性能衰减终值均有所提高,钢渣掺量为30%、50%、70%和100%时,ARHM-13沥青混合料的平均摆值衰减终值分别为57.3、63.4、58.4和57.2,相较不掺钢渣的ARHM-13沥青混合料的56.7分别提高了1.06%、11.82%、3.00%和0.88%,其中钢渣掺量为50%的提高效果最优。

2) 掺入钢渣的ARHM-13沥青混合料抗滑性能衰减评价指标均有所降低,钢渣掺量为30%、50%、70%和100%的ARHM-13沥青混合料,其平均摆值损失率分别为25%、20.2%、27.7%和31%,相较ARHM-13沥青混合料的32.3%分别下降了22.6%、37.46%、14.24%和4.02%;其平均摆值衰减速率分别为1.89万次、1.60万次、2.24万次和2.56万次,相较ARHM-13沥青混合料的2.51万次分别下降了24.70%、36.25%、10.76%和-2.00%。

3) ARHM-13沥青混合料抗滑性能的衰减终值、摆值损失率和摆值衰减速率并不随钢渣掺量的增加而持续上升或持续下降,而是呈现出先上升再下降或先下降再上升的趋势,在钢渣掺量为50%时到达峰值拐点;当钢渣掺量偏小时,ARHM-13沥青混合料在衰减过程中再次破碎形成新纹理构造的能力受到限制;当钢渣掺量偏大时,由于引入大量耐磨性偏差的材质会造成其抗滑性能衰减速率远大于不掺钢渣的混合料。因此,合理的掺入一定量的钢渣有利于提高ARHM-13沥青混合料的长期抗滑性能。

4 结论

本文通过高温车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来验证不同钢渣掺量ARHM-13沥青混合料的路用性能,并通过加速磨耗试验研究ARHM-13钢渣沥青混合料的抗滑性能,得出如下主要结论:

1) 钢渣的掺入能有效提高沥青混凝土的高温性能。钢渣掺量为50%时,相较于不掺钢渣ARHM-13沥青混合料,其动稳定度提高了19.79%。

2) 钢渣的掺入能提高ARHM-13沥青混合料的低温抗裂性能。随着钢渣掺量的增加,ARHM-13沥青混合料的最大弯拉应变先增长后降低;相较不掺加钢渣的沥青混合料,ARHM-13钢渣沥青混合料的最大弯拉应变最高增加了6.30%。

3) 随着钢渣掺量的增加,沥青混合料的水稳定性呈先增强后降低的变化趋势。

4) 钢渣掺入能有效提高沥青混合料的抗滑性能。在荷载作用10万次后,钢渣掺量为50%时,相比普通ARHM-13沥青混合料,摆值提高了11.82%。