多掺量钢渣开级配沥青混合料性能研究

张 强，胡力群，刘兴成

(长安大学公路学院，西安 710000)

0 引 言

近年来，我国交通运输业飞速发展，到2018年年底，我国公路里程总数为484.65万公里，高速公路里程14.26万公里[1]，其中大部分为沥青路面。但是，所建沥青路面中绝大部分都是设计空隙率较小的密级配沥青混凝土路面，该路面结构密实不易透水，在雨量充沛地区容易出现路面积水，引起水雾、眩光等不利条件，严重影响了道路行车安全[2]。因此，国外研究人员广泛开展了开级配沥青路面的研究[3-4]。我国研究人员从国外引进这种通过嵌挤形成骨架-孔隙结构的开级配沥青混合料(Open Graded Asphalt Mixture，OGFC)[5-6]进行研究，其具有透水、抗滑、降噪、渗水效果好等优点，能够有效地解决雨天道路表面积水的问题，保障行车的安全性。

钢渣作为钢铁工业生产过程中的一种固态废弃物，大量堆积在露天环境下会造成严重的环境污染和资源浪费[7]，但是有关研究表明[8]，钢渣具有多孔、耐磨、棱角性好且与沥青粘附性好等优良特性，将其作为集料制备OGFC钢渣沥青混合料，可以有效提高沥青混合料的耐磨、强度、粘附性等路用性质，增强开级配沥青路面的服务寿命；另一方面，消耗大量的钢渣制备混合料可以有效减轻对天然石灰岩、玄武岩等石料的开采力度，从而减少对环境的破坏，保护自然生态环境。将钢渣以不同体积掺量替代石灰岩粗集料制备OGFC-13混合料，并进行配合比设计和路用性能检验，为日后钢渣开级配沥青混凝土路面的应用与发展提供一定的理论基础。

1 试验原材料

试验粗集料采用钢渣和石灰岩，规格均为9.5～16 mm，4.75～9.5 mm，细集料为石灰岩，规格为0～4.75 mm。沥青采用高黏改性沥青，各项指标见表1。

表1 高黏改性沥青技术指标Table 1 Technical indicators of high viscosity modified asphalt

钢渣为自然陈放两年以上的热闷型转炉钢渣，其化学组成如表2所示。

表2 钢渣的化学组成成分Table 2 Chemical composition of steel slag /%

由表2可知，钢渣为碱性集料，能与弱酸性沥青发生化学结合，增强集料与沥青之间的粘结力，进而提高开级配透水沥青混凝土路面的水稳定性能。

根据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》对集料的各项性能指标进行测试，结果详见表3～5。由表可知，钢渣的物理力学性能优于石灰岩集料，相比于石灰岩，钢渣具有更高的密度、吸水率、粘附性、磨光值，同时具有更小的压碎值与磨耗值。在满足膨胀性的条件下，钢渣完全是一种优良的道路用集料。

表3 钢渣和石灰岩粗集料技术指标Table 3 Technical indicators of steel slag and limestone coarse aggregate

表4 石灰岩细集料技术指标Table 4 Technical indicators of fine limestone aggregate

表5 矿粉技术指标Table 5 Technical indicators of mineral powder

2 配合比设计

2.1 混合料级配设计

将钢渣以不同比例等体积替换石灰岩粗集料制备OGFC-13沥青混合料，对其混合料性能进行对比分析。由于钢渣和石灰岩碎石密度相差较大，在对混合料进行级配设计时，应将初始级配曲线的质量通过百分率理解为体积通过百分率，然后对两种集料密度差值进行体积与质量之间的换算，即采用体积法[9]替换不同掺量钢渣粗集料，其级配组成设计见表6。

表6 钢渣OGFC-13级配组成设计Table 6 Design of gradation composition of steel slag OGFC-13 /%

2.2 最佳油石比

通过采用析漏试验和肯塔堡飞散试验确定出不同钢渣体积掺量OGFC-13的最佳油石比。

(1)钢渣掺量为0%的OGFC-13混合料最佳油石比确定

通过标准马歇尔试验成型试件，再进行析漏试验和肯塔堡飞散试验，确定出OGFC-13析漏损失、飞散损失与油石比的关系，如图1所示。

图1 钢渣掺量为0%OGFC-13的析漏损失、飞散损失与油石比关系
Fig.1 Relation between leakage loss, flying loss and asphalt ratio of OGFC-13 with 0% steel slag content

规范[10]规定，OGFC沥青混合料的析漏损失应不大于0.3%，确定出钢渣掺量为0%的混合料析漏损失率拐点，如图1所示，其油石比数值为4.07%，即最大用油量为4.07%。OGFC沥青混合料飞散损失应小于15%，确定出钢渣掺量为0%的混合料飞散损失拐点，如图1所示，其油石比数值为3.73%，即沥青最小用量为3.73%。

根据上述分析，确定出钢渣掺量为0%的OGFC-13最佳沥青用量范围为3.73%～4.07%，考虑到沥青混合料路面的耐久性并结合工程实际，取中值3.90%为钢渣掺量为0%混合料的最佳油石比[11]。

(2)钢渣掺量为25%、50%、75%、100%的OGFC-13混合料最佳油石比确定

通过标准马歇尔试验成型试件，再进行析漏试验和肯塔堡飞散试验，确定出不同钢渣掺量OGFC-13析漏损失、飞散损失与油石比的关系，如图2～5所示。

图2 钢渣掺量为25%OGFC-13的析漏损失、飞散损失与油石比关系
Fig.2 Relation between leakage loss, flying loss and asphalt ratio of OGFC-13 with 25% steel slag content

图3 钢渣掺量为50%OGFC-13的析漏损失、飞散损失与油石比关系
Fig.3 Relation between leakage loss, flying loss and asphalt ratio of OGFC-13 with 50% steel slag content

参照上述方法，确定出钢渣掺量为25%、50%、75%、100%OGFC-13最佳沥青用量范围依次为4.10%～4.35%、4.28%～4.60%、4.37%～4.73%、4.50%～4.92%，取各自中值为最佳油石比，即相应最佳油石比依次为4.22%、4.44%、4.55%、4.71%。

按照最佳油石比进行马歇尔试验，试件双面击实50次，通过测量确定出不同钢渣掺量混合料的性能参数，如表7所示。由表可知，随着钢渣掺量的增加，沥青用量逐渐增加，这是由于钢渣具有多孔的特性；不同钢渣掺量的加入会使混合料的稳定度得到不同程度的提升，且其余各项技术性能均满足规范要求。

图4 钢渣掺量为75%OGFC-13的析漏损失、飞散损失与油石比关系
Fig.4 Relation between leakage loss, flying loss and asphalt ratio of OGFC-13 with 75% steel slag content

图5 钢渣掺量为100%OGFC-13的析漏损失、飞散损失与油石比关系
Fig.5 Relation between leakage loss, flying loss and asphalt ratio of OGFC-13 with 100% steel slag content

表7 钢渣OGFC-13混合料性能测试结果
Table 7 Performance test results of steel slag OGFC-13 mixture

钢渣掺量/%最佳油石比/%稳定度/kN孔隙率/%析漏损失/%飞散损失/%03.906.4318.190.0487.3254.227.2218.500.07210.3504.447.8819.260.1528.8754.557.1919.420.1227.81004.717.2220.090.1816.5指标[12]-≥518～25<0.3<15

3 钢渣OGFC-13沥青混合料性能研究

3.1 高温稳定性

利用车辙试验检测不同钢渣体积掺量下沥青混合料的高温性能，按照规范中的轮碾法制作不同钢渣掺量下的OGFC-13混合料车辙板试件，试件满足300 mm×300 mm×50 mm尺寸要求。试验结果如图6所示。

图6 不同钢渣体积掺量下OGFC-13车辙试验结果Fig.6 Rutting test results of OGFC-13 with different volume fractions of steel slag

由图6可知，不同钢渣掺量下的OGFC-13沥青混合料车辙板动稳定度值均远大于规范要求值(3000次/mm)，且随着钢渣掺量的增加动稳定度呈现先增加后减小的趋势，钢渣掺量为50%时动稳定度达到峰值。这主要是因为钢渣颗粒形状均匀，棱角性较好，在混合料中能形成紧密的嵌锁作用[13]，而且钢渣表面的多孔结构能增强与沥青的粘结力，从而提高混合料稳定度。但是，随着钢渣含量的增加，钢渣沥青混合料会越来越难以压实[14]，从而使沥青混合料原设计的孔隙率、压实度等参数发生一定变化，造成不利影响，使动稳定度有所降低。

3.2 低温抗裂性

采用低温小梁弯曲试验评价不同钢渣掺量OGFC-13沥青混合料的低温性能，按照规范将制作好的车辙板试件切割为长(250±2) mm、宽(30±2) mm、高(35±2) mm的棱柱体小梁，并进行试验，试验结果见表8。

由表8可知，钢渣OGFC-13沥青混合料的低温性能都能够符合规范要求，但钢渣的掺入会使OGFC-13混合料的低温性能逐渐降低。由于钢渣表面孔隙较多，在长时间露天堆放过程中会使一些粉尘与杂质进入孔隙内部[15]，影响由其制备的钢渣沥青混合料小梁试件的整体强度，从而使测试出的低温性能呈现随钢渣掺量增多而降低的趋势。

3.3 水稳定性

由于OGFC沥青混合料空隙较大，水需要从混合料内部孔隙透过而被排出，因此必须检验钢渣OGFC-13混合料的抗水损坏能力[13]。采用冻融劈裂试验检验钢渣OGFC-13沥青混合料的水稳定性，其试验结果如表9所示。

表9 不同钢渣体积掺量下OGFC-13冻融劈裂试验结果Table 9 Freeze-thaw splitting test results of OGFC-13 with different volume fractions of steel slag

由表9可知，钢渣的掺入能不同程度地提高OGFC沥青混合料的抗水损坏能力，并且随着钢渣掺量的增加水稳定性提升效果呈现先增加后减少的趋势，这主要是因为试验所用钢渣呈碱性，且表面存在很多的微孔，能够增大对沥青的吸附效果，提高混合料内部的粘结力[16]。此外丁庆军等[17]认为钢渣表面有许多金属阳离子，能与沥青中的酸酐发生反应，反应生成沥青酸盐从而增加沥青与钢渣之间的粘结效果。但是，钢渣中存在的f-CaO和f-MgO会随钢渣体积掺量的增加而增加，二者遇水后体积都会发生膨胀，影响钢渣与沥青之间的粘附性，从而降低稳定性；同时钢渣孔隙中存在一些杂质、灰尘也会对混合料的水稳定性造成一定影响。

3.4 体积稳定性

由于钢渣中存在f-CaO，其遇水会造成体积膨胀，积累达到一定程度会使沥青路面出现裂缝或鼓包，严重影响沥青混凝土的路用性能。Coomarasamy[18]指出钢渣沥青混凝土在湿润条件下，其表面会生成Ca(OH)2等含钙化合物，引发体积膨胀。因此必须对钢渣OGFC-13的体积稳定性进行检验。设计了不同钢渣体积掺量下的混合料车辙板小梁线性膨胀试验，以线性膨胀率表征钢渣OGFC-13的体积稳定性。本试验记录了小梁试件在25 ℃水浴箱中浸泡30 d内的长度变化平均值，如表10所示。

表10 小梁浸泡过程中的长度变化Table 10 Length variation during trabecular soaking /mm

图7 不同钢渣体积掺量下OGFC-13小梁线性膨胀率 测试结果Fig.7 Testing results of trabecular linear expansion rate of OGFC-13 under different volume fraction of steel slag

根据表10中的小梁长度变化平均值，利用公式(1)计算出小梁的线性膨胀率，并将其绘制成图，如图7所示。

(1)

式中：LC为小梁线性膨胀率，%；L0为小梁初始状态下的长度平均值，mm；LD为第dd浸泡后测量小梁长度变化的平均值，mm。

由图7可知，不同钢渣体积掺量下的OGFC-13小梁试件随着龄期的增长其膨胀率缓慢增大，后趋于平稳，100%钢渣掺量的小梁试件线性膨胀率最大，但仍小于0.08%，完全满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中不大于1.5%的要求。

3.5 渗水性能

渗水系数是OGFC沥青混合料排水能力大小的主要指标，是对混合料内部空隙大小的重要反映[19]。试验按照《沥青及沥青混合料试验规程》中的要求，测试不同钢渣体积掺量下OGFC的渗水系数，通过渗水试验来评价其混合料渗水性能。试验结果见表11。

表11 不同钢渣体积掺量下OGFC-13渗水试验结果Table 11 Results of OGFC-13 seepage test under different volume fractions of steel slag

由表11可知，OGFC-13钢渣沥青混合料随着钢渣含量的增多其渗水性能逐渐提高，其原因为钢渣含量的增多，混合料孔隙率增大，排水能力提高，同时，钢渣的棱角性优于石灰岩，其形态接近于立方体[20]，所形成的内部水流通道更为宽广，排水性能良好。

4 结 论

(1)利用体积法将不同掺量钢渣等体积替换石灰岩粗集料制备OGFC-13，并通过析漏试验、肯塔堡飞散试验确定出不同钢渣体积掺量OGFC的最佳油石比，其马歇尔试件的各项性能参数都能够满足规范要求。

(2)研究了不同钢渣体积掺量下OGFC-13的高温稳定性能、低温抗裂性能、水稳性能、体积安定性以及渗水性能，并分析其变化规律及原因。随着钢渣的掺入，混合料的高温稳定性和水稳定性会得到不同程度的改善；钢渣的掺入会略微减弱混合料的低温性能和体积稳定性，但仍能符合规范；钢渣的掺入能够增强混合料的渗水能力。

(3)结合不同钢渣体积掺量下OGFC-13的各项性能测试结果，给出钢渣OGFC-13沥青混合料的最佳钢渣掺量建议值，为50%。