赵 刚

(山西省交通科学研究院 太原 030006)

0 引 言

沥青混凝土由于具有优良的抗滑、耐磨、行车舒适等使用性能，而被广泛用于高等级路面的建设中.在沥青混凝土中，矿物材料(骨料和填料)占总沥青混合料质量的90%以上[1]，因此，沥青路面的铺筑需要消耗大量的天然矿物集料，这种供需间的不平衡导致了自然资源面临巨大的供应压力[2].自然资源保护和资源综合利用是沥青路面的未来发展方向，因此，研究人员尝试在沥青混合料中加入烟气脱硫渣、钢渣等工业废渣，以减少对自然资源的开采[3].

钢渣是炼钢过程中产生的一种典型工业废物，其产量为粗钢产量的12%～20%[4].主要的矿物相为硅酸二钙、硅酸三钙及硅、镁、铁、锰、磷的氧化物形成的固熔体.钢渣虽然是伴随炼钢产生的废渣，但其具有优良的耐磨、抗压、抗滑等材料性能，满足规范对沥青路面用集料提出的要求[5-6].

国外许多发达国家很早就将钢渣利用到道路建设中，欧洲国家钢渣的应用范围很广，且利用率很高，仅有13%的钢渣废弃.道路建设作为利用最有效的一个方面，消耗了近50%的钢渣总量[7].而我国目前钢渣总利用率不超过20%，将其作为路用集料使用的部分更是低于2%.目前我国积存的钢渣在1亿t以上，且每年仍以数百万t的排渣量在增加，若不及时对其进行处理，将会造成不可估量的后果[8].

用钢渣制备沥青混合料的可行性在实验室得到了很好的评估：研究结果表明，钢渣粗集料可以提高沥青混合料的水分稳定性、抗疲劳性、高温抗变形性以及防滑性能，但将钢渣作为填料替代矿粉应用在沥青混凝土中的研究还较少，因此，为了促进钢渣的高效利用，本文首先研究了钢渣粉和矿粉在表面形貌、化学组成、粒度分布上的差异，然后将钢渣粉作为填料制备得到钢渣粉沥青混合料，并将其与石灰石矿粉制备得到的石灰石粉沥青混合料对比，通过间接拉伸强度、断裂能等技术指标研究了两者对沥青混凝土抗裂性的影响.

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

本研究中两种沥青混合料所用的沥青均为70#基质沥青，技术指标见表1，粗集料和细集料均为石灰石，矿粉为石灰石磨细的矿粉，钢渣粉由上海宝钢提供的钢渣颗粒(粒径16～31.5 mm)磨细而成.两种矿粉的性能均满足规范要求，技术指标见表2.

表1 70#基质沥青基本技术指标

表2 集料和填料的基本技术指标

1.2 试验方法

两种矿粉的表面形貌由日本某公司的JSM-5610LV扫描电子显微镜(SEM)测得，化学成分由荷兰某公司的X射线衍射仪(XRF)测得.本研究中两种沥青混凝土均采用Superpave方法设计，最大公称粒径为12.5 mm.设计当量单轴荷载系数(ESALs)为300万～1 000万次，设计环境温度为41～43 ℃.级配曲线见图1，集料占沥青混合料总体积的95%，填料占沥青混合料总体积的5%，Superpave法测定两种沥青混合料的最佳沥青含量均为5.0%.

图1 沥青混合料的级配曲线

样品按照如下过程制备得到：首先在Superpave旋转压实仪(SGC)中制备高度为100 mm、直径为150 mm的圆柱形试样，然后使用取芯机钻取高度为100 mm、直径为100 mm的圆柱形芯样，最后通过切割机进一步处理，得到高度为50 mm、直径为100 mm的样品.两种沥青混合料各含有四个样品，使用材料试验机(MTS)对样品进行加载破坏试验，加载恒定变形速率为50 mm/min，测试温度为14 ℃.

2 结果与讨论

2.1 表面形貌

钢渣粉和石灰石粉的表面形貌见图2.由图2可知，两种矿粉的粒径分布在0～40 μm，完全满足规范规定的小于75 μm的要求，钢渣粉和石灰石颗粒都具有明显的边缘、拐角，以及粗糙的表面纹理，这有助于矿粉和沥青间的黏结.石灰石颗粒分布较为均匀，而钢渣粉颗粒聚集较少，这可能与钢渣中含有较多硅酸盐矿物有关.

图2 SEM图像

2.2 化学组成

表3总结了两种矿粉的化学组成.由表3可见石灰石粉XRF结果中主要含有CaO和一定量的SiO2，这表明石灰石粉为一种碱性填料.碱性填料可以加强沥青胶浆内部的黏结力和集料与沥青胶浆之间的黏结力，因此，石灰石粉被广泛用作沥青填料.因为石灰石粉的主要矿物相为CaCO3，所以XRF测试期间会释放大量的CO2，导致其烧失量较高.此外石灰石矿粉XRF数据中CaO含量与烧失量的比例约为1.24，与CaCO3中CaO与CO2的相对分子质量比(1.27)相近，验证了石灰石矿粉中的主要成分为CaCO3.

表3 两种矿粉的XRF测试结果

已有研究表明钢渣也是一种碱性物质，而其碱性程度可以用碱度M评价，碱度的计算为

M=w(CaO)/[w(SiO2)+w(P2O5)]

(1)

式中：M为碱度；w(CaO)，w(SiO2)和w(P2O5)分别为XRF测试结果中CaO，SiO2和P2O5的质量分数.按照碱度的大小，钢渣的分类主要有三种：当M<1.8时为低碱度钢渣；1.82.5时为高碱度钢渣.

结果表明，本研究中使用的钢渣粉碱度为2.8，根据碱度标准划分为高碱度钢渣，高碱度也使得钢渣粉成为一种潜在的沥青填料.除CaO外，钢渣粉XRF结果还显示其中含有29.22%的Fe2O3，这主要与原始钢渣中所含的游离单质铁、氧化铁以及铁固溶体有关.

2.3 粒度分布

钢渣粉和矿粉SSP和LP的粒度分布见图3，规范规定以0.6 mm的筛分尺寸作为分界点，填料在该筛分尺寸下的通过的质量分数要小于100%.测试结果表明，钢渣粉和石灰石粉的粒度分布均符合规范要求.在粒度分布控制范围内，钢渣粉的通过的质量分数要高于石灰石粉通过的质量分数，其中钢渣粉的通过的质量分数在0.075，0.15 mm筛分尺寸下比石灰石粉的通过的质量分数高10%左右，而在0.3 mm筛分尺寸下比石灰石粉的通过的质量分数高5%左右，这表明钢渣粉的粒度分布更加复杂，颗粒略显粗糙.以前研究中更细的钢渣粉也是在实验室中通过研磨大颗粒钢渣而获得的，这表明碾磨过程直接影响了钢渣粉的粒度分布.

图3 钢渣粉和石灰石粉的粒度分布

2.4 间接拉伸强度和断裂能

两种沥青混合料的间接拉伸试验结果见图4.由图4可知，即使同一种沥青混合料制备得到的测试样品，不同样品的应变-间接拉伸强度曲线仍然存在一定的波动差异.为了量化波动的变化情况，表4统计了两种沥青混凝土不同试样的应变和间接拉伸强度测试结果.由表4可知，钢渣粉沥青混合料的平均间接拉伸强度比石灰石粉沥青混合料的平均间接拉伸强度低3.0%，而钢渣粉沥青混合料的平均破坏应变比石灰石粉沥青混合料的平均破坏应变高19.2%.此外四个钢渣粉沥青混合料试样测试结果的标准差更大，因此，钢渣粉沥青混合料的波动水平比石灰石粉沥青混合料更明显.

图4 两种沥青混合料间接拉伸强度测试结果

表4 两种沥青混合料间接拉伸强度和应变统计结果

间接拉伸强度试验获得的间接拉伸强度和应变不足以评价沥青混合料的抗裂性，这是因为钢渣粉和矿粉沥青混合料的间接拉伸强度相差不大，而且仅采用间接拉伸强度或者应变评价，方法单一，无法全面反映沥青的抗裂性能.因此本文综合间接拉伸强度和应变测试数据，采用断裂能评价两种沥青混合料的抗裂性能，计算公式为

(2)

式中：FE为断裂能，kJ/m3；S(ε)和ε分别为沥青混合料的间接拉伸强度和应变；εf为破坏应变.表5为两种沥青混合料断裂能计算结果，由表5可知，钢渣粉沥青混合料的平均断裂能较大，比石灰石粉沥青混合料的断裂能高13%.这表明钢渣粉的加入提高了沥青混合料的抗裂性能.同时钢渣粉沥青混合料断裂能的标准差大于石灰石粉沥青混合料，表明钢渣粉复杂的成分和结构组成影响了结果的波动性.

表5 两种沥青混合料断裂能计算结果

3 结 论

1) 钢渣粉和矿粉颗粒棱角分明，均具有粗糙的表面形貌；化学组成表明钢渣粉是高碱度矿渣填料.粗糙的表面形貌和高碱度有助于填料与沥青之间的粘结.

2) 钢渣沥青混合料的断裂能比石灰石粉沥青混合料的断裂能高13%，因此掺加钢渣粉后提高了沥青混合料的抗裂性能，同时由于成分和结构复杂的原因，钢渣粉沥青混合料对应的试验结果波动水平更为明显.