钢渣沥青混合料性能试验研究

蒋承志JIANG Cheng-zhi

（扬州大学建筑科学与工程学院，扬州 225000）

1 国内外研究现状

LiChao[1]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，松弛时间逐渐增大；特别是当温度从-20℃降低到-30℃时，三种沥青混合料的累积应变变化率均达到最小，均小于10%。BaiXuefeng[2]为了建立接近实际情况的沥青混合料非均质性数值模型，采用离散元法建立了随机集料模型。通过模拟梁的三点弯曲试验，探讨了钢渣沥青混合料i 型裂纹的扩展机理。结果表明：钢渣骨料的棱角度比玄武岩小，拐角处应力集中较小，骨料裂纹Ng 数量较少；裂缝沿玄武岩骨料剧烈扩展，SAM的低温抗裂性能优于BAM。

ZhengHua[3]研究了不同钢渣含量沥青混合料在干湿循环和冻融循环环境下耐水性的恶化过程。结果表明，钢渣沥青混合料具有明显的抗水损伤性能。随着干湿或冻融反复循环次数的增加，钢渣沥青混合料的耐水性能先迅速恶化后趋于稳定，存在水破坏的极限状态。在干湿循环条件下，钢渣含量为50%的沥青混合料具有较好的耐水性能，而在冻融循环条件下，钢渣含量为100%的沥青混合料具有较好的耐水性能。钢渣沥青混合料的界面相结构稳定致密，沥青砂浆均匀而紧密地包裹钢渣并形成一定的渗透深度。钢渣与沥青的增强机理主要包括物理锚固效应和化学黏附效应。

林志平[4]将钢渣代替普通AC-20 沥青混凝土中的全部粗细砂岩集料，研究钢渣对沥青混合料路用性能的影响。结果表明：掺入钢渣后，沥青用量较砂岩集料沥青混凝土增加0.4%，提高了沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、抗滑性，但对体积膨胀性、水稳定性影响有限，体积膨胀率、残留稳定度和劈裂抗拉强度比均满足规范要求。何亮总结了钢渣的物理性质、化学成分及矿物相组成；分析了影响钢渣体积安定性的因素及其改善措施。研究结果表明：钢渣可用于沥青混合料，且应为陈化半年以上的转炉钢渣或电炉钢渣；钢渣的物理力学性能优良，而化学成分及矿物相组成受炼钢工艺影响有所区别；钢渣体积安定性的不足可通过预处理或陈化处理得到较好的改善。

WangLan[5]通过宏观和微观试验，研究了钢渣沥青混合料的低温开裂特性及其影响机理。结果表明：SAM（钢渣沥青混合料）具有较多的小孔隙和较少的大孔隙，其总孔隙率小于玄武岩沥青混合料（BAM）；SAM 抗弯曲变形的初始弹性阶段比BAM 更长，弯曲应变能密度（dW/dV）更大，裂纹穿透速度更慢。SAM 的水平应变能密度（DE）大于BAM，裂纹尖端应力更大。孔隙率与沥青混合料的低温抗裂性能密切相关。LuoWei[6]为了混合料获得较高的加热性能，确定沥青混合料中钢渣的最佳掺量进行了研究。研究结果还表明，随着钢渣掺量的增加，沥青混合料的微波加热性能有所提高。但钢渣含量过高会导致沥青混合料大部分区域过热，当钢渣等量替代粗骨料（4.75～9.5mm）约60%时，温度分布更为均匀适宜。

张宗琦[7]制备了三种不同级配的密级配钢渣沥青混合料，分别检测其高温性能、低温性能以及水稳定性能等。试验数据结果表明：AC-13、AC-16、AC-20 等不同级配的混合料稳定度、冻融劈裂结果以及浸水残留稳定度等指标均满足规范的要求。随着级配组合、骨料粒径的变大，对应稳定度也会随之变大，且具有相当良好的水稳定性，渗水系数均满足密级配沥青混凝土小于120mL/min 的要求。唐秀明[8]在分析钢渣集料工程特性的基础上，对优化的混合料性能开展系统研究。试验结果表明，与石灰岩沥青混合料相比，骨架嵌挤密实型钢渣沥青混合料膨胀性、高温稳定性及水稳定性更优，具有良好的工程应用前景。申爱琴[9]研究了钢渣沥青混合料（SSAM）在不同钢渣掺量、不同荷载和不同温度条件下的抗滑性能衰减规律。结果表明：钢渣的掺入从衰减终值、损失率和衰减速率3 个方面提高了沥青混合料的抗滑性能；SSAM 抗滑性能随钢渣掺量的增加呈现先升后降趋势，在50%钢渣掺量处出现拐点；荷载对SSAM 抗滑性能的影响主要表现在衰减过程的第2 阶段至第5 阶段，温度对SSAM 抗滑性能的影响主要表现在第1 阶段；钢渣集料表面纹理丰富，孔结构和孔级配更合理，从而改善了SSAM 沥青膜的黏结性，提高了SSAM 抗滑性能的稳定性。

2 原材料

本研究为了符合江苏工程的实际，集料采用了玄武岩，填料采用石灰岩磨细矿粉。采用《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）对集料进行各项性能测试和密度试验，结果表明所有集料满足规范要求。集料密度以及填料各项指标见表1～表3。

表2 OGFC-5 集料密度试验结果

表3 填料性能指标及试验结果

钢渣密度以及各项指标见表4～表7。

表5 钢渣骨料表观密度

表6 钢渣骨料压碎值

表7 钢渣骨料吸水率

3 试验过程方案设计

车辙试验最早是由英国研发，并因本身的简易操作和测试结果直观且与实际工程中表现的高温性能吻合度较好，所以在实际工程中得到广泛应用。参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）进行车辙试验（图1）。

试件是长×宽×高为300×300×50mm 的长方体，通过轮碾法进行车辙板试件的成型，试验温度控制在60℃，轮压为0.7MPa。根据时间和试件被橡胶轮碾压后变形所形成的关系曲线来描述抗车辙的能力。通过分析试件的车辙变形量与轮碾次数的关系，用动稳定度指标来评价沥青混合料高温性能，车辙试验的动稳定度计算方式见式（1）。

式中：DS：动稳定度，次/mm；

d1：对应试件t1的变形量，mm；

d2：对应试件t2的变形量，mm；

C1、C2：试验系数，本试验为C1=C2=1.0；

N：轮子碾压速度，为42 次/min。

基于沥青路面在车载作用下的受力状态，同济大学的孙立军教授提出了一种操作便捷、离散性小的用于评价沥青混合料抗剪性能的试验方法——单轴贯入试验。单轴贯入试验通过一直径为r 的钢质压头对直径为R 的试件加压，其中r＜R，由于r/R 的值足够小，试件受压部分不仅承受竖直向下的力，还会受到压头周围沥青混合料的围压，这与沥青路面在车辆荷载作用下的受力状态一致。试验原理图见图2。

单轴贯入试验采用贯入应力来评价沥青混合料的高温性能，计算公式见式（2）和式（3）。

式中：Rτ——贯入强度，MPa；

σp——贯入应力，MPa；

P——试件破坏时的极限荷载，N；

A——压头横截面面积，mm2；

fτ——贯入应力系数，根据贯入应力系数取值法，本文取0.35。

根据（JTG E20-2011）和设计规范》（JTG D50-2017）相关规范进行单轴贯入试验。将拌合好的沥青混合料通过旋转压实仪成型试件（试件规格为：直径150mm，高度100mm），置于室温下冷却，至少48h，将试件和压头（直径为42mm，见图3）置于60℃环境箱下保温5～6h，然后将压头放在试件中心置于试验台上，将加载装置的加载速度设置为1mm/min 对试件进行加载，直至应力值降为应力极值点的90%，停止加载。单轴试验过程见图4。试验结果见表8。

图3 单轴贯入试验压头示意图（尺寸单位：mm）

图4 单轴贯入试验过程图

表8 沥青混合料高温车辙试验测试结果

4 试验结果分析

根据表8、图5 和图6 可以看出，两种沥青混合料的动稳定度都符合技术要求，图5 至图6 中通过红色虚线直接标出了各混合料动稳定度的规范要求，可以更加直观地看出所有沥青混合料均符合相关规范要求，并且在相同钢渣掺量下，OGFC 沥青混合料的动稳定度均大于SMA 沥青混合料的动稳定度，这是由于OGFC 沥青混合料中使用了高粘改性剂，进一步提升了沥青混合料的高温性能。除此之外，还可以看出对于这两种级配，沥青混合料的动稳定度随钢渣掺量先增大再减小，对于SMA-5 级配当钢渣掺量为75%达到最大值6706 次/mm，是不掺钢渣的1.62倍。在钢渣掺量为100%时，虽然动稳定度呈下降趋势，但仍有5938 次/mm 为不掺钢渣的1.5 倍。对于OGFC-5 级配当掺量达到50%时达到最大值9130.4 次/mm，是不掺钢渣的1.72 倍。在钢渣掺量为100%时，动稳定度也呈下降趋势，但仍有7623.6，为不掺钢渣的1.43 倍。这表明钢渣粗集料对沥青混合料的高温性能有良好改善作用。首先，由于钢渣集料有多孔的特点，相对于传统玄武岩集料，钢渣表面的孔隙增大了拌合时与沥青的接触面积。这使得集料能吸附更多的自由沥青，提升结构沥青与自由沥青的比例，从而提高了沥青混合料的高温性能。其次，钢渣有极好的棱角性，且表面粗糙，能够在击实成型时形成嵌挤性较好的试件，增加其抵抗变形的能力。当钢渣掺量过多时动稳定度下降是因为随着钢渣掺量的增多，最佳油石比也会随之变大，当用油量过大时沥青混合料表面黏附的沥青膜厚度增加，减小集料之间的嵌挤作用导致无法形成稳定骨架结构。此外。温度升高时沥青软化导致沥青混合料的变形量增大。

图6 OGFC-5 沥青混合料车辙试验结果