钢渣沥青混合料配合比试验研究

王统帅 WANG Tong-shuai；蒋承志 JIANG Cheng-zhi

（扬州大学建筑科学与工程学院，扬州 225000）

0 引言

目前钢渣作为炼钢企业的工业废渣，资源化利用率相对偏低。多数钢厂将钢渣采用露天堆放的方式存放，不仅占用了大量的土地资源，还给周边环境带来潜在污染风险。相关研究结果表明，在沥青混合料中采用钢渣替代天然石料是可行的。目前在高等级道路沥青路面建设与养护施工过程中，一般要求选用玄武岩、辉绿岩等磨光值高、与沥青黏附性较好的碱性矿料，以确保表面层具有良好的平整度、抗剪强度和摩擦系数等,进而提高行车安全与舒适性。但随着土石资源过度开发，使得一些地区的路面建设与养护施工需从外地大量购买优质石材，大大增加了施工成本。因此结合道路建设的实际需求，研究制备以钢渣替代传统集料的薄层罩面沥青混合料，对比其路用性能与传统集料薄层罩面的路用性能，对钢渣薄层罩面的可行性与经济性具有一定的实用价值。

1 国内外研究现状

胡春华[1]研究了在排水沥青混合料中，采用体积替代法用钢渣替代玄武岩粗集料，对不同钢渣掺量的排水沥青混合料进行路用性能试验，结果表明：钢渣掺量越多沥青用量越大，加入钢渣提升了混合料高低温性能。董儒柱[2]研究了钢渣细集料对钢渣沥青混合料性能的影响。结果表明钢渣沥青混合料高温稳定性与低温抗裂性较石灰岩分别提升32%与61.8%，但由于钢渣细集料中游离氧化钙的膨胀效应，水稳定性较石灰岩更差。刘澔[3]采用钢渣粉与钢渣集料替代矿粉与天然集料制备沥青混合料，模拟动水环境下的水敏感性、疲劳耐久性能与高低温性能。结果表明，钢渣粉沥青混合料具有更优的抗动水损害性能与长期抗冻融损害能力。钢渣粉的加入可增大沥青混合料的动稳定度、弯拉应变与疲劳寿命，改善其高温稳定性、低温抗裂性和疲劳抵抗能力。WangWenzheng[4]将玄武岩纤维、聚酯纤维和木质素纤维三种纤维与橡胶粉混掺到钢渣沥青混合料中，研究了其冻融损伤特性。结果表明：不同纤维增强钢渣沥青混合料的最佳纤维含量分别为0.35%、0.29%和0.23%，沥青的最佳含量均为6.7%。Liu Jianan[5]根据微波容量的差异对钢渣进行分类，选择高热源钢渣（HHS）部分替代石灰石制备钢渣沥青混合料（SSAM），研究了SSAM 的表面温度和传热过程。此外，还对SSAM 在不同微波循环下的路用性能进行了评价并且利用x 射线计算机断层扫描（CT）分析了微波加热对SSAM 中空结构的影响。Cao Yangsen[6]采用发热丝法定量评价了热导率。通过理论计算验证了定量表征的可靠性。然后，研究了钢渣对SSAM 体积指标和路用性能的影响。结果表明，氧化铁等活性矿物使钢渣具有导热性，而钢渣表面的大量突起和微孔可能不利于导热。热导率随钢渣含量的增加先增大后减小。陈改霞[7]通过车辙试验、SPT 动态模量试验、低温曲试验、冻劈裂试验、弯曲疲劳试验、SEM 试验等，对不同掺量玄岩纤维对SSAM 高、低温性能和水稳定及疲劳性的影响及增强机理进行究，结果表明：BF 可显著增强SSAM 高温抗变形能力，且随着冻循环次增加对不同钢渣掺量SSAM 低温柔韧性均有一定的提高，罗程[8]研究了表面层构造深度、温度、SBR 改性乳化沥青用量和应力比对钢渣薄层罩面层间剪切性能的影响。研究结果表明钢渣集料的压碎值和磨耗值明显低于石灰岩集料，且与沥青的粘附性好，使得钢渣沥青混合料的路用性能优异。杨硕[9]为研究钢纤维对钢渣沥青混合料路用性的影响，通过采用车撤试验、小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验方法分别针对不同纤维掺量的钢渣沥青混合料和普通沥青混合料的高温稳定性、低温稳定性以及水稳定性展开对比分析。

刘明金[10]研究了以部分钢渣替代石灰岩的沥青混合料性能。结果表明与不掺钢渣沥青混合料相比，随着钢渣掺量的增大，掺钢渣沥青混合料的高温稳定性及水稳定性均得到了不同幅度的提升。张彩利[11]对热闷钢渣沥青混合料、冷弃陈渣沥青混合料和石灰岩沥青混合料分别进行车辙试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验、疲劳试验和膨胀性试验。结果表明：膨胀量合格的钢渣沥青混合料高温稳定性、水稳定性、低温性能和疲劳性能均优于石灰岩沥青混合料。Li Chao[12]采用钢渣替代全部或部分玄武岩和玄武岩骨料配制了3 种沥青混合料探索其粘弹性特性的变化规律。结果表明：随着温度的降低，3 种沥青混合料的蠕变速率和累积应变变化率逐渐减小。

2 原材料

2.1 游离氧化钙测定

2.1.1 游离总钙的测定

采用乙二醇-EDTA 化学滴定法测出钢渣粉中游离总钙。样品要求过200 目筛，在105℃~110℃烘干。游离总钙测试结果见表1。

表1 游离总钙测试结果（%）

由表1 可知，游离总钙含量c1=4.65%。

2.1.2 氢氧化钙的测定

采用热重分析，设定升温速率为10℃/min，终止温度为800℃，通入氮气保护。钢渣骨料的热重分析结果见图1。

图1 TG 曲线

钢渣中的氢氧化钙含量c3按下式计算：

式中：

c3——氢氧化钙（以氧化钙计）的质量分数（%）；

c2——氢氧化钙分解出的水的质量分数（%）；

4.1111 ——氢氧化钙和水分子量的比值；

0.7567 ——氧化钙和氢氧化钙分子量的比值。

在TG 曲线上，370℃~500℃的温度段和540℃~630℃的温度段有两个失重台阶，两个温度段的失重台阶分别是钢渣中Ca（OH）2和CaCO3脱水、脱气的热分解反应所形成的。其化学反应方程为：

钢渣在热重分析中的c2约为0.55%，则c3=4.1111×0.7567×0.55%=1.71%；

游离氧化钙含量c=c1-c3=4.65%－1.71%=2.94%。

2.2 堆积密度

据规范及公式测得粗砂、细砂堆积密度如表2。

表2 堆积密度测试结果

2.3 表观密度

根据规范方法及公式测得粗骨料、细骨料表观密度如表3。

表3 表观密度测试结果

2.4 细度筛分结果

根据筛分试验，0-5mm 骨料在筛孔尺寸2.36mm 的分计筛余为95.38%，在筛孔尺寸为1.18mm 的分计筛余为3.2%；

0-10mm 骨料在筛孔尺寸5mm 的分计筛余为71.9%，在筛孔尺寸为2.5mm 的分计筛余为27%，具体筛分结果如表4。

表4 细度筛分结果

2.5 压碎值

检测5-10mm 范围内的钢渣骨料与玄武岩石料进行压碎值测试，结果见表5 所示。

表5 骨料压碎值试验结果

根据试验结果可知，钢渣骨料压碎值为13.3%，低于玄武岩石料压碎值，且都符合公路要求值。

2.6 膨胀率

检测5-10mm 范围内的钢渣骨料进行钢渣沥青混凝土膨胀量测试，结果见表6 所示。

表6 钢渣沥青混凝土膨胀量试验结果

3 试验方案设计

3.1 混合料类型

本文选用OGFC-5 沥青混合料，通过掺加钢渣替代玄武岩集料得3 种沥青混合料。试验方案见表7。

表7 试验方案

3.2 配合比设计

OGFC-5 沥青混合料级配曲线见图2。

图2 SMA-13 设计级配曲线

4 马歇尔试验结果分析

马歇尔试验结果分析如表8。

表8 马歇尔试验结果分析

由表8 可知掺入钢渣后马歇尔稳定度有所降低而流值有所上升且空隙率等体积参数均符合规范要求。

5 结语

①钢渣骨料游离钙测试结果为2.63%。

②本批钢渣骨料堆积密度：细砂（0-5mm）ρL=2.05×103kg/m3；粗砂（5-10mm）ρL=1.99×103kg/m3。

③本批钢渣粉表观密度：细砂（0-5mm）ρ=3535.35kg/m3；粗砂（5-10mm）ρ=3566.77kg/m3。

④钢渣骨料暂且不满足砂子的要求，5mm 以上占比为71.9%，2.5mm 以上占比为98.9%。

⑤对钢渣骨料与玄武岩石料进行压碎值测试，钢渣骨料压碎值为13.3%，低于玄武岩石料，且二者都符合公路要求值。

⑥检测5-10mm 范围内的钢渣骨料进行钢渣沥青混凝土膨胀量测试，膨胀量为0.57%，符合公路要求值。

⑦掺入钢渣各项指标提升且符合排水沥青规范。