公路交通科技  2025, Vol. 42 Issue (3): 58-68

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武建民, 李少卿, 徐长春.
WU Jianmin, LI Shaoqing, XU Changchun
钢渣-橡胶沥青混合料性能评价与优化设计
Performance evaluation and optimization design for steel slag-rubber asphalt mixture
公路交通科技, 2025, 42(3): 58-68
Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2025, 42(3): 58-68
10.3969/j.issn.1002-0268.2025.03.006

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收稿日期: 2022-06-21
钢渣-橡胶沥青混合料性能评价与优化设计
武建民1 , 李少卿2 , 徐长春3     
1. 长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室, 陕西 西安 710064;
2. 中铁第五勘察设计院集团有限公司, 北京 102600;
3. 中交建冀交高速公路投资发展有限公司, 河北 石家庄 050000
摘要: 目标 研究级配、钢渣掺量和结合料性质对钢渣-橡胶沥青混合料(SSRAM)各项路用性能的影响规律。方法 采用分形理论设计了3种粗集料分维值(Dc)和2种细集料分维值(Df), 研究了三因素三水平正交方案下的SSRAM路用性能, 并对2种Df下的混合料性能进行对比。结果 Dc是影响SSRAM高温稳定性和抗冻融水损害性能的主要因素, 随着Dc减小, 级配变粗, 混合料动稳定度增加, 预测永久变形量减小, 但抗冻融水损害性能下降; 钢渣掺量是影响SSRAM最佳油石比和低温弯拉应变的主要因素, 随着钢渣掺量的增加, 最佳油石比增加, 混合料低温弯拉应变也有所增高; 橡胶沥青相较基质沥青对混合料各方面性能均有较好提升作用, 但橡胶掺量达到一定量后, 其掺量的增加对混合料各项性能影响均较小; 几种钢渣-橡胶沥青混合料组成均具有良好的体积稳定性。结论 推荐采用Dc为2.1, Df为2.55, 钢渣掺量为60%, 橡胶掺量为21%的SSRAM组成方案, 此时混合料具有综合较好的路用性能。钢渣-橡胶沥青混合料整体具有良好的路用性能, 可用于高速公路沥青路面的磨耗层, 有利于实现工业固废的资源化利用。
关键词: 道路工程    钢渣-橡胶沥青混合料    优化设计    路用性能    固废资源化利用    
Performance evaluation and optimization design for steel slag-rubber asphalt mixture
WU Jianmin1, LI Shaoqing2, XU Changchun3    
1. Key Laboratory of Ministry of Education for Special Area Highway Engineering, Chang'an University, Xi'an, Shaanxi 710064, China;
2. China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Beijing 102600, China;
3. Zhong Jiao Jian Ji Highway Investment Development Co., Ltd., Shijiazhuang, Hebei 050000, China
Abstract: Objective The study investigates the influencing rules of gradation, steel slag content and binder property on road performance of steel slag-rubber asphalt mixture (SSRAM). Method Three kinds of coarse aggregate fractal dimension values (Dc) and two kinds of fine aggregate fractal dimension values (Df) were designed according to fractal theory. The road performance of SSRAM in three-level orthogonal scheme with three factors was analyzed. The mixture performances with two kinds of Df were compared. Result Dc is the main factor influencing SSRAM high temperature stability and anti-freeze-thaw water damage performance. With Dc decreasing, the aggregate gradation becomes coarser. The mixture dynamic stability increases, and the predicted permanent deformation decreases, but the anti-freeze-thaw performance decreases. The content of steel slag is the main factor influencing the optimal asphalt-aggregate ratio and low temperature bending strain of SSRAM. With the increase of steel slag content, the optimal asphalt-aggregate ratio increases, and the mixture low temperature bending strain increases as well. Compared with matrix asphalt, the rubber asphalt has better effect on improving the mixture performances in all aspects. Nevertheless, when the rubber content reaches a certain amount, the increase of content has little effect on the mixture performances. For several kinds of mixture composition, SSRAM has good volume stability. Conclusion For comprehensive good road performance of mixture, it is recommended to adopt the SSRAM composition scheme with Dc of 2.1, Df of 2.55, steel slag content of 60%, and rubber content of 21%. SSRAM has good performance, and can be used as the wearing course of asphalt pavement, which is conducive to realizing the resource utilization of industrial solid waste.
Key words: road engineering    steel slag-rubber asphalt mixture    optimization design    road performance    utilization of solid waste    
0 引言

中国是钢铁大国,每年钢渣产量达到数千万吨,废弃钢渣资源堆放占用土地,污染环境。若能够将钢渣大量利用在公路建设中,不仅可以实现废物利用,节约优质石料资源,还可以保护生态环境,具有良好的经济效益与社会效益。学者们针对钢渣在路面工程中的应用展开了一系列研究。Wu等[1]将钢渣用于沥青玛蹄脂碎石中进行路用性能试验,结果表明,钢渣作为骨料改善了沥青玛蹄脂碎石的高温性能和耐低温开裂性能,且含钢渣的沥青玛蹄脂碎石路面在使用过程中,其表面粗糙度也表现优异;谢君[2]采用接触角法对比了玄武岩和钢渣与沥青之间的黏附功,结果表明,钢渣与沥青之间的黏附功达到了玄武岩与沥青的2倍, 并采用多次冻融循环试验证明了钢渣沥青混合料的水稳定性更好;申爱琴等[3]对不同钢渣掺量的沥青混合料路用性能进行了测试,采用灰靶决策理论确定了钢渣的最优掺量为50%;牟存玉等[4]研究发现,掺入钢渣对于SAC-10沥青混合料高温性能的提高有显著影响,且当钢渣每档等比例替换掺量为60%时,SAC-10沥青混合料的高温抗永久变形能力最好,同时具有良好的低温抗裂性、水稳定性、体积稳定性及抗滑性能。

废旧橡胶轮胎难以降解,将其磨细掺加到基质沥青中制备橡胶沥青能够有效地处理和利用废旧轮胎,还能够提升沥青及其混合料的高、低温和抗疲劳开裂等性能[5-7],近年来在中国沥青路面建设中得到广泛应用。镇方宇[8]分析了胶粉掺量、胶粉目数、搅拌温度和搅拌时间对橡胶沥青性能的影响,发现其中橡胶掺量是主要影响因素,并通过极差分析确定了橡胶沥青最佳参数组合;郭寅川等[9]采用正交试验研究了胶粉掺量、基质沥青型号和胶粉目数对橡胶沥青性能的影响程度,结果表明,各因素的显著性由强到弱顺序为橡胶掺量、基质沥青型号、胶粉目数;付裕[10]将橡胶改性沥青混合料路用性能进行试验分析,指出橡胶改性沥青混合料具有良好的高低温性能,且具有良好的力学性能;肖飞鹏等[11]研究发现,橡胶沥青对于路面的减振降噪也起到了积极影响。研究均表示,相较其他各项参数,橡胶掺量对橡胶沥青的性质影响最大,橡胶沥青混合料具有良好的路用性能。

混合料的结构组成(即级配组成)对沥青混合料的性能影响显著,粗集料形成骨架,细集料进行填充,使混合料具有稳定耐久的路用性能。对集料级配进行优化对于提高沥青混合料的各方面性能具有重要意义[12]。现阶段单方面针对钢渣和橡胶沥青的研究较多[13],综合采用二者进行混合料制备的研究较少。改变级配、调整钢渣掺量和改变结合料性质均可以对混合料性能起到增强效果,但缺少对各影响因素做出综合对比的研究。综上,本研究以AC-13沥青混合料为例,采用橡胶沥青作为结合料,采用钢渣替代部分粗集料进行混合料制备。采用分形理论设计3种粗集料分维值(Dc)和2种细集料分维值(Df),采用正交试验研究Dc、钢渣掺量、橡胶掺量三因素对混合料高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性的影响程度,并对比研究不同Df、橡胶沥青与基质沥青对钢渣混合料性能的影响,最后对其抗滑性能和体积稳定性进行研究和检验,对钢渣-橡胶沥青混合料进行性能评价与优化设计。

1 试验材料和方法 1.1 试验材料 1.1.1 集料

粗集料采用钢渣及玄武岩,钢渣为废弃陈化转炉钢渣,其性能检验结果和化学成分见表 1表 2,玄武岩粗集料性能见表 3,各项性能均满足《耐磨沥青路面用钢渣》(GB/T 24765—2009)的技术要求。细集料为石灰岩机制砂,填料为石灰岩矿粉。钢渣碱度计算为:

(1)

式中,M为钢渣碱度;m(CaO),m(SiO2),m(P2O5)分别为相应化学成分的质量占比。计算得到钢渣碱度为1.96,为中碱度钢渣。

表 1 钢渣性能检验结果 Tab. 1 Steel slag performance test result
测试指标 不同粒径(mm)的检测结果 技术要求
13.2~16.0 9.5~13.2 4.75~9.50
表观相对密度/(g·cm-3) 3.364 3.385 3.396 ≥2.60
压碎值/% 14.6 14.6 14.6 ≤26.0
洛杉矶磨耗损失/% 13.2 13.2 13.2 ≤26.0
坚固性/% 4.8 4.8 3.6 ≤12.0
吸水率/% 1.822 1.864 2.004 ≤3.0
磨光值 58 58 58 ≥45
浸水膨胀率/% 1.11 1.11 1.11 ≤2.0
与基质沥青黏附性(水煮法)/级 5 5 5 ≥4

表 2 钢渣化学成分(单位:%) Tab. 2 Chemical composition of steel slag (unit: %)
化学成分 CaO Fe2O3 SiO2 MgO Al2O3 P2O5 MnO TiO2 SO3 Cr2O3 K2O V2O5
质量占比 42.45 21.19 20.12 2.93 4.37 1.54 4.14 1.27 0.51 0.58 0.25 0.31

表 3 玄武岩粗集料性能 Tab. 3 Basalt coarse aggregate performance
测试指标 不同粒径(mm)的检测结果 技术要求
9.5~16.0 4.75~9.50
表观相对密度/(g·cm-3) 3.04 3.021 ≥2.60
压碎值/% 13.6 13.6 ≤26.0
洛杉矶磨耗损失/% 12.4 12.4 ≤26.0
坚固性/% 4.9 4.0 ≤12.0
吸水率/% 0.449 0.467 ≤3.0
磨光值 58 58 ≥45
与基质沥青黏附性(水煮法)/级 4 4 ≤2

表 1表 3对比可见,钢渣的密度明显大于玄武岩集料。为防止由钢渣和玄武岩组成的沥青混合料在摊铺过程中出现离析,应注意保证摊铺机螺旋布料器两侧有不低于送料器2/3高度的混合料。同时,钢渣与沥青之间的黏附性达到5级,较玄武岩集料更好,这是因为钢渣中碱性成分物质的存在及其多孔的表面特性所致。

1.1.2 橡胶沥青

采用外掺法在70#基质沥青中分别掺加18%,21%,24%的80目橡胶粉制备橡胶沥青,采用X型叶片搅拌机搅拌60 min使其充分溶胀。3种橡胶掺量的橡胶沥青技术指标如表 4所示。

表 4 橡胶沥青技术指标 Tab. 4 Indicator performance of rubber asphalt
胶粉掺量/% 180 ℃布氏旋转黏度/(Pa·s) 软化点/℃ 20 ℃针入度/(0.1 mm) 5 ℃延度/cm 20 ℃弹性恢复/%
18 1.087 63.4 54.1 12.2 79.0
21 1.502 67.5 48.2 11.8 81.0
24 2.134 72.4 43.8 11.4 81.4

1.2 试验方法 1.2.1 基于分形理论的级配设计

杨瑞华等[14]采用分形理论对主要沥青混合料类型的级配进行了分析推导,提出分形是集料级配的本质,得到了集料粒径分布的分形模型:

(2)
(3)

式中,Pr为粒径为r处的体积通过率;P0为最大公称粒径处的体积通过率;rNMPS为最大公称粒径尺寸,本研究取13.2 mm;rDCF为粗、细集料分界粒径;Dc为集料颗粒在rDCF~rNMPS范围的分形维数,即粗集料分维值(以体积通过率计算);Df为集料颗粒粒径在0.075 mm~rDCF范围的分形维数,即细集料分维值。对式(2)和式(3)两端取对数,并对粒径在(rminrDCF)和(rDCFrNMPS)范围内分段进行双对数拟合,分段拟合的斜率即为DcDf

粗细集料的形态特征差异较大,因此采用不同分维值对粗、细集料进行级配设计。由于掺加的钢渣均为粒径4.75 mm以上粗集料,故本研究以4.75 mm作为粗细集料分界粒径rDCF。相关研究表明,4.75~9.50 mm的集料颗粒对沥青混合料骨架性能最敏感[15],混合料性能容易受石料本身级配偏粗或偏细引起的分配不均影响,因此本研究在设计中新增7 mm筛孔粒径。采用分形理论在现行规范AC-13级配范围内,设计3种粗集料分维值和2种细集料分维值,级配设计见表 5图 1。控制13.2 mm筛孔通过率为96%,粗、细分维值R2均大于0.996。这种对粗细集料采用不同幂函数拟合设计的方法也符合沙庆林[16]提出的级配设计理念。

表 5 基于分形理论的级配设计 Tab. 5 Gradation design based on fractal theory
级配分形 以下粒径(mm)的通过率/%
16 13.2 9.5 7.0 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
Dc=2.10, Df=2.55 100 96 69.5 54 38 28 21 15 11 8 6
Dc=2.10, Df=2.45 100 96 69.5 54 38 26 18 12 8.5 5.5 4
Dc=2.35, Df=2.55 100 96 77.5 63 49 35 26.5 19 14 10.5 7.5
Dc=2.35, Df=2.45 100 96 77.5 63 49 32 21 15 10 7 5
Dc=2.60, Df=2.55 100 96 83.5 73 64 46 35 25 19 14 9.5
Dc=2.60, Df=2.45 100 96 83.5 73 64 42 30 20 13.5 9.5 6.5

图 1 三种Dc的分形级配设计 Fig. 1 Design of 3 kinds of Dc gradations

1.2.2 正交试验方案设计

已有研究结果表明,橡胶沥青中橡胶的最佳掺量通常为15%~25%[17],钢渣掺量在占粗集料比例为20%~60%时混合料通常具有较好的性能[3, 18],因此采用三因素(橡胶掺量、粗集料分维值Dc、钢渣掺量)三水平正交试验方案(见表 6)进行路用性能试验。观察所在水平条件下,3种因素对混合料各项路用性能的影响程度。

表 6 正交试验方案 Tab. 6 Orthogonal test scheme
水平 因素
橡胶掺量/% 粗集料分维值Dc 钢渣掺量/%
1 18 2.10 20
2 21 2.35 40
3 24 2.60 60

1.2.3 钢渣-橡胶沥青混合料级配修正与合理体积参数计算

(1) 级配修正

规范中的级配是以体积比的方式进行设计的,当集料相对密度相差较小时,级配可以近似按质量比的方式进行掺配[18]。由于钢渣的相对密度与石灰岩、玄武岩相差较大,用质量比掺配的方式不能真正反映集料颗粒分布状况,对级配影响较大。因此,在按体积分数设计级配的基础上进行相对密度修正计算各档集料所需的质量。采用的相对密度修正公式为:

(4)

式中,Gi为各档集料的相对密度;Pwi为各档集料的质量分数;Pvi为各档集料的体积分数。对钢渣、玄武岩粗集料和石灰岩细集料进行逐筛孔筛分,对矿粉进行筛分确定级配。基于上述正交试验方案进行级配的比重修正,严格按照级配进行各档料的称取。

(2) 体积参数合理化计算

由于与玄武岩等石料相比,钢渣空隙更发育,相关研究显示[19-20],钢渣的吸水率较高,通常接近或大于2%。采用沥青浸渍法实测的钢渣集料有效相对密度,比采用试验规程中用公式计算法得到的有效相对密度,进行混合料最大理论密度的计算更接近实际。考虑到实际集料吸水率试验过程中容易受到外界条件和人为因素影响,故采用沥青浸渍法实测的集料有效相对密度进行混合料最大理论密度计算,采用马歇尔试验方法得到各组试验方案的钢渣-橡胶沥青混合料最佳油石比,并对最佳油石比进行极差分析,结果如表 7所示。表中(1), (2), (3)分别代表各因素的3个不同水平。

表 7 各级配最佳油石比 Tab. 7 Optimal asphalt-aggregate ratio with each gradation
试验方案 A橡胶掺量/% B粗分维值 C钢渣掺量/% 最佳油石比/%
1# 18(1) 2.10(1) 20(1) 5.1
2# 18(1) 2.35(2) 40(2) 5.3
3# 18(1) 2.60(3) 60(3) 5.5
4# 21(2) 2.10(1) 40(2) 5.4
5# 21(2) 2.35(2) 60(3) 5.6
6# 21(2) 2.60(3) 20(1) 5.0
7# 24(3) 2.10(1) 60(3) 5.6
8# 24(3) 2.35(2) 20(1) 5.1
9# 24(3) 2.60(3) 40(2) 5.3
极差 0.02 0.15 0.47

2 试验结果与数据分析 2.1 最佳油石比试验与分析

对正交试验中9种方案的混合料分别进行马歇尔试验,确定最佳油石比(见表 7)。由表 7绘出最佳油石比因素-指标图,如图 2所示。由图可见,在所选水平条件下,对于SSRAM的最佳油石比,三因素的影响由强到弱排序为钢渣掺量、粗集料分维值Dc、橡胶掺量。具体分析如下:

图 2 因素-指标图 Fig. 2 Factor-index diagram

(1) 钢渣掺量极差最大,C1-C2-C3曲线斜率最大,即钢渣掺量对最佳油石比影响最显著。这是由于钢渣表面分布较多的孔隙结构,随着钢渣掺量的增加,孔隙增多,必然会吸附更多的橡胶沥青进行填充。从体积参数计算的角度考虑,由于钢渣较强的棱角性,随钢渣掺量增加,相同油石比下混合料空隙率和矿料间隙率增大,沥青饱和度减小,因此体积参数计算过程中空隙率及沥青饱和度中值对应的油石比趋后,确定的最佳油石比相应增大。

(2) 粗集料分维值的极差较小,B1-B2-B3曲线斜率相对较小,这说明其对最佳油石比的影响也较小。这是由于钢渣是以替代粗集料体积比例的方式掺入的,而Dc越大,粗集料占总体体积比例越小,相应钢渣总量减少,因此会出现随Dc增加,最佳油石比逐渐下降的趋势。

(3) 橡胶掺量的极差接近于0,A1-A2-A3曲线近乎水平,斜率最小,这说明其对最佳油石比几乎没有影响。这是由于橡胶目数较小,溶胀较充分,与沥青混合均匀,在进行体积参数计算时对混合料产生较小影响,因此橡胶掺量对最佳油石比几乎没有影响。

2.2 高温稳定性试验与分析

采用车辙试验对正交试验方案中的9组SSRAM的高温性能进行测试,试验过程中的车辙变形量如图 3(a)所示,图中曲线1#~9#对应为表 7中的9组试验方案。选取Origin中的ExpDec2模型(见式5)对变形量曲线进行拟合,R2均大于0.998。得到时间趋于无穷大时的车辙深度即y0,记为预测永久变形量。采用车辙试验得到的动稳定度与预测永久变形量对混合料的高温性能进行评价。正交试验得到的动稳定度及预测永久变形量相应的因素-指标图如图 3(b)所示。

(5)

式中,x为时间变量;y为车辙深度;A1A2为模型参数;t1t2分别为车辙深度随时间演变的2个独立衰减过程的特征时间常数,由非线性拟合的车辙试验数据确定,反映了车辙变形过程中不同阶段的衰减速率。

图 3 车辙试验变形量和因素-指标图 Fig. 3 Deformation with rut test, and factor-index diagram

图 3(b)可见,动稳定度与预测永久变形量有相反的变化趋势,即动稳定度越大,预测永久变形量越小。对数据进行分析得出结论如下。

(1) 在所选水平条件下,粗集料分维值Dc处极差最大。Dc是影响SSRAM高温稳定性的最主要因素,随着Dc减小,粒径4.75 mm以上粗集料占比增加,级配越粗,混合料逐渐向嵌挤密实方向发展,SSRAM的动稳定度越大,预测永久变形量越小;Dc为2.1的SSRAM动稳定度平均值达到7 500次/mm以上,分别约为Dc为2.60和2.35时的4.0倍和1.5倍,差异明显;Dc为2.35的混合料动稳定度平均值达到了5 500次/mm以上,高温性能满足规范规定要求;Dc为2.60的沥青混合料高温性能较差,仅达到约2 000次/mm,因此在考虑高温性能时应避开级配过细的混合料。

(2) 钢渣掺量在40%时混合料的高温稳定性最佳。分析认为,钢渣具有与玄武岩相当的力学性能,当钢渣掺量较小时,钢渣表面的强棱角特性可以增强集料之间的嵌挤力,提高混合料的抗剪切能力;而当钢渣掺量到达60%时,最佳油石比显著增大,较20%钢渣掺量的混合料增加了9%左右,在碾压过程中更容易发生失稳,变形有所增大。虽然钢渣掺量对混合料的高温性能有所影响,但在3种因素中影响较小,钢渣掺量为40%的混合料比钢渣掺量为20%和60%的混合料动稳定度分别提升了大约13.4%和7.2%。

(3) 随着橡胶掺量的增加,沥青针入度下降,软化点提升,结合料高温性能提升,SSRAM的高温稳定性能也有所增强;但橡胶掺量增加带来的高温性能提升效果在三因素中不明显,24%橡胶掺量比18%橡胶掺量时的混合料动稳定度提升了9.46%,对动稳定度和预测永久变形量影响相对较小。

2.3 低温抗裂性试验与分析

采用低温小梁弯曲试验的弯拉应变作为评价SSRAM在-10 ℃时的低温抗裂性能指标,对试验结果进行极差分析,相应的因素-指标如图 4所示。

图 4 弯拉应变因素-指标图 Fig. 4 Factor-index diagram of flexural strain

(1) 在所选水平条件下,SSRAM均表现出良好的低温抗裂性能,最小低温弯拉应变也大于3 250 με

(2) 钢渣掺量是影响SSRAM低温弯拉应变的主要因素。钢渣掺量的增加引起SSRAM最佳油石比的增大,沥青与矿粉形成的胶浆增多,沥青及胶浆相比矿料对混合料低温抗裂性起到积极作用,且钢渣孔隙吸收的橡胶沥青在混合料被弯曲拉伸时还可以有一定的拔出效果,因此呈现出随钢渣掺量增加,弯拉应变增大的趋势,60%的钢渣掺量下低温抗裂性能最好。

(3) 混合料的低温弯拉应变随粗集料分维值Dc增加而少量增加。Dc越大,级配越细,较细的级配能够在承受弯拉应力时产生更大的应变位移。因为混合料试件是从跨中断裂的,跨中细集料偏多时,少量细集料的破坏不会导致应力立刻停止增长,能够维持其继续产生变形,而跨中粗集料处的破坏通常即代表混合料的最大应力产生,相应的应变较小。

(4) 橡胶掺量的增加对混合料破坏应变有少量负面影响。试验结果表明,18%的橡胶掺量具有较高的破坏应变。当橡胶掺量过大时,橡胶掺量的继续增加可能会使沥青在某一部分出现团块集中点,对混合料抗变形产生一定不利影响,但总体影响较小。

2.4 水稳定性试验与分析 2.4.1 残留稳定度试验与分析

采用浸水马歇尔试验对SSRAM的水稳定性进行研究,分别采用浸水48,72,96 h的试件残留稳定度对其进行评价,结果如图 5图 6所示。SSRAM表现出优良的水稳定性,浸泡48 h后残留稳定度整体均有不降反增的趋势,且均大于100%。出现这种趋势的原因是钢渣中含有一定的C3S和C2S等胶凝性质材料,在一定的浸水时间内出现一定的强度增强效果。SSRAM浸泡72 h后仍能基本保持原强度,浸泡96 h的残留稳定度仍能达到93%以上。

图 5 马歇尔稳定度与浸水时间的关系 Fig. 5 Relation between Marshall stability and soaking time

图 6 残留稳定度因素-指标图 Fig. 6 Factor-index diagram of residual stability

分析3种因素对水稳定性的影响为:钢渣掺量和橡胶掺量的增加对混合料性能的影响呈现出一定的规律性。随着钢渣掺量的增加,混合料水稳定性均有所增强。橡胶掺量由18%增至24%,对混合料的水稳定性也有一定的增强作用,但影响较小;相对于Dc为2.1时矿粉含量较小和Dc为2.6时钢渣占集料总比例较小、油石比较小的情况,Dc为2.35时橡胶沥青与矿粉的比例适宜,混合料水稳定性能更好。

2.4.2 冻融劈裂试验与分析

采用冻融劈裂试验对SSRAM的抗冻融水损害性能进行研究,分别采用冻融循环1,2,3次的试件劈裂强度比对其进行评价,结果如图 7所示。

图 7 冻融劈裂试验结果 Fig. 7 Freeze-thaw splitting test result

(1) SSRAM的冻融劈裂残留强度比较高,1次冻融循环后的残留强度比均大于85%,抗低温水损害性能良好。

(2) 粗集料分维值Dc和钢渣掺量均对SSRAM冻融劈裂强度有较大影响。随钢渣掺量的增大和Dc增大,SSRAM冻融劈裂残留强度比逐渐增大。Dc越大,混合料级配越细,混合料越密实,且钢渣掺量越大。油石比越大,越不容易被水浸入,水也不容易对混合料进行冻胀破坏,因此具有较高的冻融劈裂强度比。

(3) 集料级配对混合料的冻融劈裂强度比影响显著,且随着冻融次数的增大,即经过2~3次冻融循环后,级配的影响越显著,不同级配的混合料冻融劈裂残留强度比相差越大。经过3次冻融循环后,混合料的强度比下降明显,尤其是Dc为2.1的混合料,劈裂强度比已经下降到68%左右,Dc为2.6的混合料强度比也下降到80%以下。相同的细集料分维值Df下,当Dc偏小时,混合料中矿粉掺量较少,粉胶比减小导致沥青胶浆过少,混合料的抗低温冻融水损害性能较差。

(4) 橡胶掺量由18%增至24%的变化对SSRAM抗冻融水损害性能的提升作用较小。

2.5 体积稳定性检验

在水稳定性试验过程中对SSRAM试件进行体积测量,计算得到SSRAM浸泡96 h的体积膨胀率(见表 8),对其体积稳定性进行评价。由于SSRAM的体积稳定性影响主要受钢渣掺量的影响,故本节中主要试验分析了不同粗集料分形级配和钢渣掺量下的SSRAM的膨胀率。各分形级配和钢渣掺量下的SSRAM(结合料采用橡胶掺量21%的橡胶沥青)的膨胀率都小于1%,均保持较好的体积稳定性,满足应用要求。整体来看,钢渣掺量越高,沥青混合料的体积膨胀率越大。分析认为,随着钢渣掺量增加,钢渣集料中的f-CaO和f-MgO的含量相应增多,从而增加了体积膨胀风险[21]

表 8 膨胀率测试结果 Tab. 8 Expansion rate test result
Dc 不同钢渣掺量(%)下的膨胀率/%
20 40 60
2.10 0.19 0.40 0.54
2.35 0.15 0.38 0.50
2.60 0.12 0.32 0.42

2.6 不同细集料分维值Df下的混合料路用性能对比

由2.1~2.5节的分析可知,在细集料分维值Df固定的情况下,粗集料分维值Dc对SSRAM的各项路用性能均有较为显著的影响。为进一步研究细集料分维值Df的变化对钢渣橡胶沥青混合料路用性能的影响,将细集料分维值Df改为2.55,仅对橡胶掺量为21%,Dc为2.1和2.35,钢渣掺量为40%和60%的混合料进行高温抗车辙、低温抗开裂及抗冻融水损害性能试验,试验结果如图 8所示,图中C为钢渣掺量。

图 8 不同细集料分维值Df的SSRAM路用性能 Fig. 8 SSRAM road performances with different Df

图 8可见,相同Dc情况下,与Df为2.45的混合料相比,Df为2.55的混合料矿粉掺量增多,细集料相应减少,混合料高温抗车辙性能有所降低;但矿粉与橡胶沥青组成的胶浆总体增多,对于SSRAM低温弯拉应变和抗冻融劈裂性能的提升起到一定的积极作用。在60%钢渣掺量下,细集料分维值Df的增大对SSRAM抗冻融损坏水损害有一定提升作用,但由具体数值来看,Df的变化对SSRAM路用性能的影响显著低于Dc和钢渣掺量这2个因素,Df为2.55的综合性能优于Df为2.45的情况。

2.7 抗滑性能试验与分析

采用轮式加速磨耗仪对混合料进行磨耗,磨耗仪共有4个车轮,两两在一个轮迹上,内外侧轮迹带错位叠加,宽度较大,便于后期摆值及构造深度的测量。分别采用铺砂法和摆式仪法获取SSRAM的表面抗滑特征。由于Dc为2.6的混合料高温稳定性不足,且观察到其表面构造特征较差,因此,仅对Dc为2.1和2.35的混合料进行抗滑性能试验(Df为2.45,橡胶掺量为21%),结果如图 9所示。

图 9 抗滑性能试验结果 Fig. 9 Skid resistance test result

试验中测得的构造深度试验结果如图 9(a)所示。磨耗共计20万次,前10万次中每隔1万次进行1次测量,后10万中次每隔2万次进行1次测量。磨耗次数在1~10万次区间时,几组混合料试件的构造深度均急速减小,混合料表面颗粒凸起的棱角性被迅速磨平;磨耗次数达到10万次之后,表面集料形成较为稳定的抗磨耗过程,后期基本下降比较平缓。各试件总体上均有前快后慢的衰减形式。粗集料分维值Dc为2.1的混合料试件粗集料掺量多,因此构造深度较大,平均比粗集料分维值2.35的混合料试件高0.05 mm以上。钢渣的强棱角性增强了试件表面的构造深度,随钢渣掺量增加,构造深度逐渐增大。

混合料的摆值衰减过程如图 9(b)所示。磨耗共计20万次,前1万次中每隔2 000次进行1次测量,1~10万次中每隔1万次进行1次测量,10万次之后每隔2万次进行1次测量。混合料试件的摆值同样经历了先快后慢的衰减趋势,其中在初始期(0~0.6万次),试件表面自由沥青膜有一定的磨耗,集料露出,路面摩擦系数有少量增强;加速磨耗期(0.6~10万次)混合料摆值衰变明显,摆值迅速下降,尤其是1~5万次过程中混合料摆值下降最快。分析认为,1~5万次时路面表面能够提供一定抗磨耗能力的结构沥青膜被磨除,露出的集料表面也被迅速磨光,因此该阶段摆值迅速下降;稳定期(10万次以后)混合料摆值基本呈平稳缓慢下降趋势,该磨耗过程中集料磨光值衰减趋缓,集料被磨耗的同时会破碎成新的棱角提供一定的抗滑能力,摆值逐渐趋于稳定。

由于钢渣具有近似玄武岩力学性能,且钢渣棱角性强于玄武岩,因此钢渣掺量越大时,混合料的构造深度越大,摆值也有所提高。钢渣对混合料抗滑性能有较强的正面影响。粗集料分维值较小时,级配偏粗,混合料的构造深度和摆值也较大,且集料之间的磨耗性差异对其也有一定的影响[22]

2.8 SSRAM与钢渣-基质沥青混合料之间的路用性能差异

Dc为2.1,Df为2.55,钢渣掺量分别为40%和60%的沥青混合料进行路用性能试验,结合料分别采用基质沥青与橡胶沥青,橡胶沥青中胶粉掺量固定为21%,试验结果如图 10所示。由图可见:相较于基质沥青,橡胶沥青的使用对钢渣沥青混合料高温抗车辙性能、低温抗开裂性能和抗水损害性能均起到了明显提升效果;2种钢渣掺量下(C=40%,60%),混合料动稳定度提升了20%以上,低温破坏应变分别提升了13%和6%,48,72,96 h的残留稳定度分别提高了5%,10%,13%;经过1,2,3次冻融循环后的冻融劈裂强度比也分别提升了约6%,9%,16%,整体上SSRAM具有良好的路用性能。

图 10 SSRAM与钢渣-基质沥青混合料之间的路用性能对比 Fig. 10 Road performance comparison between SSRAM and steel slag-matrix asphalt mixture

由2.2~2.7节的试验结果可知,SSRAM的高低温、水稳定性能和抗滑性能等路用性能的影响因素中,粗集料分维值Dc和钢渣掺量是2个最显著的影响因素。较粗的级配(Dc=2.1)下高温稳定性最好,分别约为Dc=2.6和Dc=2.35时的4倍和1.5倍,差异明显。虽然低温抗裂性能和水稳定性能相对略低,但也均处于较高的水平。较高的钢渣掺量(60%)会导致油石比增大,使高温稳定性略有降低,但对低温抗裂性能和水稳定性提升效果更显著,抗滑耐久性也有所提高。综合考虑,推荐采用较粗的级配(Dc=2.1)和较高的钢渣掺量(C=60%)。

3 结论

通过室内试验分析了钢渣掺量、粗集料分维值、细集料分维值和橡胶掺量对钢渣-橡胶沥青混合料的最佳油石比和路用性能的影响规律,并基于此推荐了AC-13型钢渣-橡胶沥青混合料的优化组成设计。

(1) 钢渣-橡胶沥青混合料通过合理的组成设计,具有良好的路用性能,可替代优质石料,用于沥青面层,有利于工业固废资源的大规模利用。

(2) 在所选水平条件下,粗集料分维值是对钢渣-橡胶沥青混合料高温抗车辙性能和抗冻融水损害性能影响最大的因素,粗集料分维值越小,混合料高温性能越好,但混合料抗冻融水损害的性能下降;钢渣掺量是对钢渣-橡胶沥青混合料最佳油石比、低温弯曲应变影响最大的因素。钢渣的多孔特性导致混合料最佳油石比随钢渣掺量的增加而增大,而沥青用量的增加对混合料低温变形有利;橡胶沥青的使用对钢渣沥青混合料路用性能有明显的提升作用,但橡胶掺量在达到一定量以后,继续增加掺量对混合料性能影响较小,可以视为次要因素。

(3) 粗集料分维值较小且钢渣掺量较大时,粗集料含量较多,钢渣较强的棱角性和耐磨特性使混合料具有较强的抗磨耗性能,具有最佳抗滑耐久性能。

(4) 综合考虑路用性能,推荐采用AC-13型钢渣-橡胶沥青混合料组成方案:粗集料分维值为2.1,细集料分维值为2.55,钢渣掺量为粗集料质量的60%,橡胶掺量为基质沥青质量21%。

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