纤维增强钢渣改性沥青混合料抗裂和水稳定性能研究

吕威威

(新疆交投工程咨询有限责任公司,乌鲁木齐 830000)

钢铁产业作为我国经济建设和工业发展的重要原材料,截止2022年钢渣尾渣等固体废物堆存量已超过20亿t,占比超20余万亩[1,2]。钢渣作为碎石材料的替代品是土木工程领域固体垃圾再利用的重要手段之一[3,4]。与传统的碎石相比,钢渣具有压碎值低、耐磨、表面粗糙等优点,但也具有吸水膨胀导致混凝土抗裂性、水稳定性不足等问题[5]。于洋等[6]利用钢渣结合其他固体废物制备超高性能混凝土,实现了钢渣的高掺量再利用。李晓刚等[7]提出了钢渣的体积安定性评价方法和控制指标。张争奇等[8]分析了钢渣掺量、粒径大小对沥青混合料的抗滑性能进行了系统分析,并推荐了最佳钢渣掺量(75%)。由此可见,钢渣被用于沥青混合料已经开展较多研究,且得到了较广泛的发展。然而,在开级配透水混凝土方面的应用却较少。大孔隙开级配磨耗层OGFC透水沥青混合料对骨料的力学性能较高,同时要求具有较高的抗滑和水稳定性[9]。鉴于此,结合OGFC的应用要求,研究钢渣/纤维对改性OGFC的性能影响,为钢渣在排水沥青路面工程的推广应用提供参考。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

试验用沥青为新疆某高黏改性沥青SBS-Ⅰ,沥青技术指标见表1。

表1 沥青技术指标

试验用聚酯纤维厚度约为20 μm,长度为12 mm,断裂伸长率最高为35%,抗拉强度为600 MPa,满足路用纤维的性能要求。钢渣集料来自于河北石家庄某钢铁厂提供的转炉钢渣,粒径为4.75～16 mm,颜色为深褐色,表面粗糙多孔,但形状较为规则且统一,还具有一些囊状结构,是较优良的钢渣集料。采用石灰岩骨料配制沥青混合料,集料坚硬、表面光滑且洁净、富有棱角、孔隙极少,为机制砂。钢渣和石灰岩的主要物理性能指标见表2。

表2 集料的基本物理性能

采用XRF对钢渣和石灰岩的化学组成进行测试,结果见表3。钢渣的主要化学组成为CaO,主要的化学元素包括钙、铁和铝。钢渣的碱度为2.72,属于高碱度钢渣,与沥青具有较好的粘附性。钢渣和石灰岩集料的各项指标均满足沥青混合料所用集料的技术标准。

表3 集料的基本化学组成

1.2 试验方案

采用马歇尔设计方法,按照体积法配制OGFC-13混合料,对预先筛分好的各档石灰岩集料及矿粉进行级配组成设计,将钢渣集料(13.2～16 mm、13.2～9.5 mm、4.75～9.5 mm)分四种不同替代率(25%、50%、75%、100%)等体积替代相同粒级的石灰岩集料;考虑聚酯纤维对沥青混合料性能的影响,设置了五种纤维掺量(0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%)。根据设定的配合比,采用半圆弯曲试验探究不同钢渣掺量和纤维掺量对钢渣沥青混合料的低温抗裂性能。

1.3 配合比设计

采用开级配骨架密实型OGFC-13级配(图1)。根据开级配沥青混合料的配合比设计方法,采用析漏试验和飞散试验确定最佳沥青用量。按照经验法为不同钢渣替代率下的混合料确定初始沥青用量,并以0.5%梯度进行试验,确定不同钢渣替代率下的最佳沥青用量;随后,进一步试验确定包含不同纤维掺量下的最佳沥青用量;通过5×36次试验,确定不同试验组的最终配合比设计参数,结果见表4。

表4 试验配合比及对应最佳油石比

由表4可知,在其他因素保持恒定下,最佳沥青用量随着钢渣掺量增加而提高,约0.2%～0.3%/梯度;类似地,在钢渣掺量不变情况下,最佳沥青用量受纤维掺量的影响较少,但仍然随其掺量增加而提高,但仅为0.05%～0.1%/梯度。因为钢渣的吸水率高于石灰岩,使得在拌合过程中随着钢渣增加,沥青用量逐渐提高。类似地,纤维掺量的增加将使得混合料更加粘稠,此时需要提高沥青掺量来提高试件的流值。

2 分析与讨论

2.1 极限拉应力

根据试验规程成型马歇尔半圆试件,并将其在0、-10 ℃、-20 ℃下保温6 h,采用万能试验机测试其低温抗裂性能,加载速率为5 mm/min,停止荷载为0.1 kN。不同试验温度和纤维掺量下,钢渣替代率对沥青混合料极限拉应力的结果如图2所示。总体上,在试验温度和纤维掺量相同的情况下,随着钢渣掺量的增加,混合料的极限拉应变要么先增大后减少,要么先以低速减少后快速减少;此时判断最佳钢渣替代率的方法可通过定点或速率变化的拐点。由此可知,在试验温度不变情况下,随着聚酯纤维掺量的提高,钢渣最佳替代率将逐渐增加。0 ℃、-10 ℃、-20 ℃下,最佳的钢渣和纤维掺量组合分别为:25%+0.40%、50%+0.60%、50%+0.60%。因此,在温度较低时,钢渣沥青混合料的最佳掺量应为50%+0.60%,此时与传统沥青混合料相比,最大极限拉应力可达6.41 MPa,增加14.08%。此外,沥青混合料的抗裂性能受试验温度的影响较大,纤维的掺入对沥青混合料的抗裂性有一定促进作用,但过量的掺加也会降低其性能。随着纤维掺量的提高,在相同的温度下,极限拉应力先增大后减少,在多数情况下,均在0.60%达到峰值。

2.2 极限拉应变

通常情况下,0 ℃、-10 ℃、-20 ℃下的试验温度分别表示粘弹性、玻璃态。在零下温度,玻璃态的沥青呈现高脆性状态,塑性降低,易发生脆性断裂。因此,针对两种抗裂类型,除采用上述极限拉应力外,该文还采用极限拉应变来表征抗裂性能,以反映沥青混合料在0 ℃与负温条件下的抗裂特征及差异性,结果见表4。总体上,随着试验温度降低,集料拉应变均逐渐降低;无论在何种试验温度下,钢渣和聚酯纤维的掺入对沥青混合料的抗裂性能的提高均有促进效果,且不同温度下的改善效果差异显著。在负温条件下,纤维的最佳掺量提高0.2%,而钢渣的最佳替代率也增加,这是因为纤维和沥青中形成的网状晶相结构在改善低温性能方面能发挥重要作用。此外,与对照组相比,发现钢渣50%+纤维0.60%下,沥青混合料的极限拉应变增长速度随温度降低而增加,而钢渣0.25%+纤维0.40%却与此相反,这是因为前者具有更高的沥青含量,使得纤维、钢渣、沥青具有更强的粘附性和裹附效果,进而具有更高的抗变形能力。

表4 极限拉应变结果

2.3 断裂能

为进一步分析纤维与钢渣对沥青混合料低温抗裂性效果,选择最佳钢渣和纤维掺量,计算了不同试验温度下的断裂能指数,即根据荷载-位移曲线,计算出试件不同竖向位移与荷载的乘积和,以表征沥青混合料从加载至断裂全过程的荷载和竖向位移,结果如图3所示。

1)沥青混合料的断裂能指数随纤维掺量均呈波动式变化,最佳纤维掺量为0.60%。分析原因可知,聚酯纤维均匀的分散在混合料中,能够形成致密的三维网状结构,能够对沥青混合料起到加筋固结效果,且充分分散的纤维可将应力传递至各个区域,能够提高混合料内聚能,因此,在破坏性试验时,所需的断裂能更大。与对照组(纤维掺量和钢渣掺量均为0)相比,三种试验温度下,其断裂能分别提高8.69%、29.7%、30.2%。而在其他掺量下断裂能减少,可能是因为纤维未能充分分布到沥青混合料内部的各个区域,使得与骨料的搭接效果并不显著;而类似地,过多的纤维将导致团聚,进而产生应力集中。

2)不同钢渣掺量对沥青混合料断裂能的影响规律相似,最佳钢渣掺量为50%;与对照组(纤维掺量和钢渣掺量均为0)相比,三种试验温度下,断裂能分别提高17.3%、14.92%、12.6%,即随着温度减少而逐渐减少,说明与纤维相比,沥青混合料的温度敏感性受钢渣掺量影响更大。产生最佳断裂能的关键在于寻找钢渣与石灰岩机械嵌挤最佳时机。50%掺量下的钢渣具有最好搭接效果,使得混合料的内粘聚性能较高。由此可见,根据极限拉应力和极限拉应变得出的最佳纤维和钢渣掺量能够产生最佳的抗裂效果,尤其是低温抗裂性能。

2.4 水稳定性

采用马歇尔残留稳定度和冻融劈裂试验评估水稳定性,结果见表5。与对照组相比,沥青混合料的残留稳定度逐渐提高,最大为95.6%,且劈裂强度比也逐渐增加至88.2%,与对照组相比,两种性能分别提高了7.2%、8.2%,表明钢渣/纤维改性沥青混合料具有较好的水稳定性能,且最佳掺量为钢渣50%+纤维0.60%。

表5 不同温度下的断裂能指数

分析其原因可知,钢渣掺量过大,使得沥青混合料表面较为粗糙、孔隙增多、脆性增大,而25%和50%钢渣掺量下能够获得较合适的孔隙率。此时,钢渣-石灰岩的嵌挤结构通过吸附更多的自由沥青能够达到相对稳定的状态,且钢渣上特殊化学成分及凹槽结构能够提高与沥青的咬合力,从而提高钢渣和沥青的粘附性。同时,纤维的掺入提高混合料的断裂韧性,提高了沥青和纤维的附着力,进而提高整个沥青混合料的结构整体性。

3 结 论

利用极限拉应力、极限拉应变、断裂能和残留稳定度、冻融劈裂强度指标,分析钢渣替代率和纤维对沥青混合料的抗裂、水稳定性能的影响。得到主要研究结论如下:

a.钢渣掺量对沥青混合料性能影响显著;0、-10 ℃、-20 ℃下,最佳的钢渣和纤维掺量组合分别为:25%+0.40%、50%+0.60%、50%+0.60%。

b.与纤维相比,沥青混合料的断裂能随钢渣的掺量逐渐减少,纤维的掺入可适当提高断裂能,因此,纤维在钢渣改性开级配沥青混合料是必要的。

c.随温度降低,钢渣沥青混合料的极限拉应力先增大后减少,而极限拉应变和断裂能持续降低,钢渣50%+纤维0.60%的组合能产生最佳的抗裂性能,可将断裂能提高30.2%。

d.钢渣50%+纤维0.60%可提高8.2%的水稳定性能,在开级配沥青混合料中掺入钢渣能够强化级配,聚酯纤维能够发挥增粘、加筋作用,提高沥青混合料水稳定性。