钢渣玻璃纤维沥青混凝土性能探索

摘要：研究人员尝试将钢渣加入沥青混凝土中，但这种做法面临沥青混凝土低温状态下抗裂性能下降的问题，而在其中掺杂适量的玻璃纤维，可在一定程度上予以解决。基于此，本文围绕钢渣玻璃纤维沥青混凝土的性能进行分析。

关键词：钢渣；玻璃纤维；沥青混凝土

钢渣是炼钢过程中产生的废渣，其常规掩埋处理可能导致环境污染。国内外尝试将钢渣掺杂到沥青路面中，发现钢渣虽然可作为沥青混凝土的掺杂材料，但会导致后者低温抗裂性能下降，而在玻璃纤维加入沥青混凝土之后，沥青混凝土的断裂韧性、动稳定性、水稳定性均会提升，且产生永久变形的情况有所下降[1]。

1设计沥青混凝土配合比

1.1试验材料

本文在钢渣与石料的路用性能试验中参考JTGE42-2005《公路工程集料试验规程》。钢渣在吸水率表现上高于规范要求（超出2%）。在对钢渣的结构进行分析后发现，钢渣存在较多孔隙，这导致钢渣与混凝土混合后会吸收较多沥青。在其他性能方面，钢渣具有抗压碎能力强（压碎值17.3）、表观密度大（3.239，超出石料16%）的特征，且针片状含量相比石料更少，形状更规整，因而钢渣颗粒之间的力量传导更均匀，而相比石灰石而言，钢渣更容易形成骨架结构。但钢渣同样具有游离氧化钙含量较高的特性，由于游离氧化钙水解时体积会增大，导致掺杂钢渣的沥青混凝土遇水后更易产生路面开裂[2]。因此，如果要将钢渣作为沥青混凝土骨料，需要先对其游离氧化钙含量进行鉴定，只有在游离氧化钙含量合格的前提下才能应用。图1为应用钢渣骨料的沥青混凝土样本。本试验的玻璃纤维采用短切无碱原丝。在性能测试后发现，该类型玻璃纤维在抗拉强度以及熔点上的表现非常理想，刚性较大，具有脆性高、吸水率低的特征。低吸水率使得玻璃纤维吸附沥青的性能并不理想，初步推测油石比较大的情况下可能导致路面泛油的情况，但是仍需进一步验证。图1应用钢渣骨料的沥青混凝土样本。

1.2设计矿料级配与验证

采用的级配类型为AC-13，并在钢渣掺杂量上加以区分，分成三种不同类型的沥青混凝土，分别为钢渣AC-13（粗集料与细集料均应用钢渣）、粗钢细石AC-13（粗集料应用钢渣，细集料应用石灰岩）与碎石AC-13（粗集料与细集料均应用石灰岩，不掺杂钢渣）。随后对三种不同级配类型进行分析，结果表1所示。从结果发现，三者在通过不同规格筛孔质量的百分率上均满足相应规范要求，钢渣AC-13通过的百分率整体较高，但在9.5mm、4.75mm、2.36mm规格筛孔的通过质量百分率上低于其他两者；碎石AC-13在大规格筛孔中通过质量百分率较理想，但小于0.6mm筛孔的通过质量百分率最低；粗钢细石通过筛孔质量百分率整体上较稳定，没有出现偏高或偏低的情况[3]。在应用马歇尔试验方法确定三种沥青混凝土的最佳油石比后发现，沥青混凝土的最佳油石比最低，为4.8；钢石沥青混凝土的最佳油石比高于前者，达到5.2；钢渣沥青混凝土的最佳油石比最高，为5.9。

2路用性能检验分析

2.1水稳定性

水稳定性应用了JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验进行综合评价。评价前先应用沥青混合料结构层容许抗剪强度公式计算其抗剪强度，公式如下：其中，τR为沥青混合料结构层60℃下的抗剪强度（MPa）；τs为抗剪强度结构系数；Kr为沥青混合料结构层容许抗剪强度。从试验结果看，钢渣AC-13在常规马歇尔试验中的稳定度（正常应用环境下的强度与承载能力）达到19.4/kN，浸水马歇尔试验中的稳定度则达到17.9/kN，残留稳定度（抗水损能力的评价指标）表现为92.3%；粗钢细石AC-13在常规马歇尔试验中的稳定度达到17.5/kN，浸水马歇尔试验中的稳定度则达到15.7/kN，残留稳定度表现为89.7%；碎石AC-13在常规马歇尔试验中的稳定度达到10.5/kN，浸水马歇尔试验中的稳定度则达到9.2/kN，残留稳定度表现为86.6%。三者的残留稳定度均符合不低于75%的技术要求。各指标见表2。而冻融劈裂试验中，钢渣AC-13、粗钢细石AC-13、碎石AC-13在TSR平均值的表现分别为88.7%、85.6%与81.5%，同样满足不低于75%的技术要求。结合以上数据来看，钢渣AC-13表现出了三者中最强的水稳定性，碎石AC-13的水稳定性最低。

2.2低温抗裂性

对三种沥青混凝土低温抗裂性的试验同样应用以上规程，采取小梁低温弯曲试验法评价三种不同混合料低温状态下的抗裂性能。结果发现，钢渣AC-13的弯拉强度为12.45MPa，最大弯拉应变系数为2784，弯曲劲度模量表现为4471MPa；碎石AC-13的弯拉强度为10.05MPa，最大弯拉应变系数为3573，弯曲劲度模量表现为2814MPa；粗钢细石AC-13的弯拉强度为11.74MPa，最大弯拉应变系数为3138，弯曲劲度模量表现为3732MPa。数据见表3.从数值看，三种沥青混凝土在最大弯拉应变上的表现均处于规范要求范围内。钢渣AC-13在低温抗裂性上的表现最差[4]，原因是钢渣的加入虽然使沥青混凝土刚度提高，模量增大，但同时也导致沥青混凝土变性能力下降。由此来看，掺杂钢渣的沥青混凝土路面一旦面临温度突变，其承受的温度应力可能超过材料拉伸强度的极限值，因此，应用钢渣沥青混凝土制作路面的前提是采取相应技术措施或加入其他材料来提升钢渣沥青混凝土路面的抗拉性能。

2.3高温稳定性

三种不同类型沥青混凝土高温稳定性的评价应用动稳定度与马歇尔稳定度共同进行评价。在进行马歇尔稳定度试验后发现，钢渣AC-13的稳定度达到19.3kN，流值（0.1mm）指数确定在30.2；碎石AC-13的稳定度达到10.68kN，流值指数确定在37.9；粗钢细石AC-13的稳定度达到17.7kN，流值指数在34.2，三者在稳定度（不小于8）与流值（不超过40）上均满足技术要求，且钢渣AC-13表现出最高的稳定度，这说明钢渣的加入能有效提升沥青混凝土的马歇尔稳定度。而在进行动稳定度试验后发现，钢渣AC-13、粗钢细石AC-13与碎石AC-13的动稳定度（60℃.1h）数值分别为1685、1337、1123，由此可见，钢渣AC-13的动稳定度最理想。经分析发现，钢渣集料的针片状颗粒占比较少，因而内部摩擦阻力更大。这意味着钢渣沥青混凝土在被压实之后，内部的钢渣颗粒之间能实现嵌挤作用，因而具有更高的抗剪切能力[5]。此外，钢渣的孔隙也使得其能够吸收多余沥青，保障了高温季节路面的抗变形能力。

3玻璃纤维用量分析

考虑到玻璃纤维具有吸水率低的特征，在钢渣沥青混凝土的掺入量也较少，可得出玻璃纤维对钢渣沥青混凝土最佳沥青用量影响较小的结论，因此，在掺入方法上应用外掺法，用量上分别为0、0.1%、0.2%、0.3%与0.4%。试验发现，掺入玻璃纤维能有效提升沥青混凝土的动稳定度，尤其在掺杂量达到0.4%之后，车辙稳定度提升了近10%，由此可见，玻璃纤维的添加能显著减少车辆对沥青混凝土表面的影响。在掺杂量达到0.2%时，沥青混凝土的最大弯拉应变提升了超过30%，这代表适量掺入玻璃纤维能有效提升沥青混凝土的低温抗裂能力；而在掺杂量超过0.2%后，过量玻璃纤维会使沥青膜厚度下降，进而导致沥青混凝土低温下的性能下降，由此可见，掺入适量玻璃纤维能缓解钢渣降低沥青混凝土最大弯拉应变的情况。

4结语

综上，钢渣的掺入能有效提升沥青混凝土的刚度性能，但会导致沥青混凝土低温下抗变形能力的下降。这一情况在掺入适量玻璃纤维后可得到有效改善，但玻璃纤维的用量需控制在0.2%，否则会导致沥青混凝土的路用性能下降。

参考文献

[1]李春永,张军林,马元功,等.沥青混凝土用建筑垃圾再生骨料性能研究[J].中国建材科技,2020,29(02):43-44.

[2]王超,张彩利,王伟.钢渣玻璃纤维沥青混凝土性能研究[J].河北工业大学学报,2019(2):85-89.

[3]林增华,王凤池.组合纤维沥青混凝土的抗裂性能试验[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版）,2020(3):122-128.

[4]高鸿.钢渣在沥青混凝土中的实践应用分析[J].四川水泥,2020(11):37-38.

[5]刘兴姚,颜峰,郭荣鑫,等.钢渣沥青混凝土的疲劳性能及应变分析[J].材料科学与工程学报,2018(4):665-670.

作者：张海蛟 高立康 周进发 单位：河北建设勘察研究院有限公司