钢渣玻璃纤维沥青混凝土性能研究
摘要 将钢渣和玻璃纤维两种材料加入到沥青混凝土中，通过马歇尔试验法确定钢渣沥青混凝土最佳油石比，并采用对比试验，分析了钢渣沥青混凝土路用性能，再添加不同含量的玻璃纤维，分析其对钢渣混凝土的影响。结果表明，在沥青混凝土中掺入钢渣，沥青混凝土低温抗裂性能有所下降，掺入适量的玻璃纤维可以弥补该性能的下降，其最佳玻璃纤维掺量为0.2%。
关 键 词 废钢渣；玻璃纤维；沥青混凝土；马歇尔试验；路用性能
中图分类号 U414 文献标志码 A
0 引言
钢渣是炼钢中产生的废渣，其排放量为钢产量的15%左右。国家统计局的数据显示，2017年1至10月，我国钢产量为7.10 亿t，同比增长6.1%，钢渣产生量为 1.06 亿t。然而，钢渣中含有重金属，传统掩埋处理不仅侵占土地而且还淤塞河流、污染环境。因此，必须对钢渣进行再利用，减少环境污染。国内外人员就钢渣在沥青路面方面的应用进行了研究。冯艳瑾[1]通过试验验证了钢渣细集料与钢渣粉在SMA-13沥青混凝土中应用的可行性，对钢渣SMA-13沥青混合料的级配设计、路用性能以及经济性进行了研究，认为钢渣可以作为沥青混凝土集料使用。李伟等[2]进行了钢渣沥青混凝土的渗水试验、单轴压缩试验以及疲劳寿命试验，分析不同级配对钢渣沥青混凝土渗透性、压缩性及耐久性的影响，发现当钢渣沥青混凝土骨料最大公称粒径增加时，钢渣沥青混凝土的渗水系数和初始劲度模量会增加，抗压模量和疲劳寿命次数会减小，并且随着油石比增大，抗压强度会降低。Pasetto M，Baldo N. M[3] 通过电炉钢渣的物理力学性能试验和钢渣沥青混凝土试验，发现所有电炉钢渣混合料均满足道路行业技术标准的要求，适用于道路基础设施的建设，且具有比全天然骨料更好的力学性能。
另外，我国每年的废玻璃数量庞大，对废玻璃的回收和利用，不但经济上受益，而且符合可持续发展的理念。Aysar NAJD等[4]从断裂力学角度出发，研究了玻璃纤维沥青罩面的抵抗开裂能力和裂缝扩展能力，发现加入玻璃纤维后，沥青混凝土的断裂韧性会有所提高。朱春凤，肖波[5]发现加入玻璃纤维后，沥青混凝土的动稳定度和水稳定性会提高、永久变形会减小。王增先[6]在玻璃工艺的浸润剂中加入硅烷偶联剂，从而提高了玻璃纤维的表面性能，进一步改善了沥青混凝土的粘结性和拌和均匀性，且改善后的玻璃纤维对各种温拌沥青混凝土具有较好的适用性。
虽然国内外对钢渣或玻璃纤维在沥青混凝土中的应用已有大量研究，但钢渣和玻璃纤维同时应用于沥青混凝土的研究却不多。因此，为了探究钢渣和玻璃纤维能否同时应用于沥青混凝土中，需要对其配合比设计和使用性能进行研究。
1 沥青混凝土配合比设计
1.1 试验材料
钢渣和石料的路用性能试验参照JTG E42-2005《公路工程集料试验规程》，其主要性能见表1。
从表1可以看出，钢渣的吸水率超过了规范要求的2%，原因在于钢渣孔隙较多，当钢渣应用于沥青混凝土时，会吸收较多的沥青。钢渣的抗压碎能力较好，压碎值为17.3，钢渣表观密度较大，达到了3.239，比石料的表观密度高出16%。且钢渣针片状含量较低，这说明钢渣形状规整，比石灰石更易于形成骨架结构，颗粒与颗粒之间传力更为均匀。
相关文献显示[7]，钢渣中的游离氧化钙含量可占到6%，这些游离氧化钙水解时体积将增大[8]。因此，钢渣沥青混凝土在使用过程中，遇水可能会产生路面开裂等病害，所以必须按JTG E42-2005《公路工程集料试验规程》和JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》测定所用钢渣的膨胀率。
由表2可看出，钢渣膨胀率最大，但也满足规范要求的2.0%。钢渣粘附性最好，这是由于钢渣中的碱性物质能够与沥青中的酸性物质充分结合，并且钢渣孔隙多，对沥青吸附性强。但是由于每批钢渣游离氧化钙数量不一样，因此在使用钢渣作为骨料时，必须检测合格才能使用。
采用的玻璃纤维为短切无碱原丝，其长度约为6 mm。玻璃纤维物理、力学性能见表3。
从表3可以看出，玻璃纤维具有较高的抗拉强度和熔点，刚性大，极限拉伸应变低，脆性大，并且由于玻璃纤维吸水率低，其吸附沥青的性能较差。当油石比较大时，玻璃纤维不能吸附多余沥青，沥青混凝土是否会出现泛油，需要进一步研究。
沥青采用重交90号A级道路石油沥青，其三大指标见表4。
细集料采用的石料为石灰岩，其主要物理性质指标如表5所示，选用的矿粉技术指标如表6。
1.2 矿料级配设计
以AC-13级配类型进行对比研究，分别以钢渣掺用量的不同，划分为3种沥青混凝土进行对比分析。钢渣AC-13、碎石AC-13、粗钢细石AC-13，其中钢渣AC-13是指粗集料和细集料都采用钢渣（矿粉除外）；粗钢细石AC-13是指粗集料全部采用钢渣，细集料采用石灰岩；碎石AC-13是指粗集料和细集料都使用石灰岩，不掺任何钢渣，以作对比。3种沥青混凝土矿料级配如表7。
1.3 最佳油石比
3种沥青混凝土的最佳油石比采用马歇尔试验方法进行确定，马歇尔试验结果如图1所示。
计算得出沥青混凝土最佳油石比为4.8，钢渣沥青混凝土最佳油石比为5.9，钢石沥青混凝土最佳油石比为5.2。
2 路用性能分析
2.1 水穩定性检验
水稳定性评价采用JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验来综合评价。试验各项数据及计算结果见表8。
3种沥青混凝土冻融劈裂数据见表9。
从表8和表9的数据可以看出，3种沥青混凝土的残留稳定度和冻融劈裂强度，均满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》要求，其中钢渣沥青混凝土的水稳定性能最好。
2.2 钢渣沥青混凝土低温抗裂性
采用JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》小梁低温弯曲试验评价混合料低温抗裂性能。其结果如表10所示，3种集料组合的沥青混凝土最大弯拉应变都满足规范要求。进一步分析发现，钢渣AC-13的低温抗裂性最差。这是由于加入钢渣后沥青混凝土的刚度有所提高，模量增大，沥青混凝土的变形能力变差，最大弯拉应变存在一定程度的降低。因此，当沥青路面发生温度突变时，温度应力可能会超过材料拉伸强度的极限，必须采取一定的措施提高钢渣沥青混凝土的抗拉伸性能。
2.3 钢渣沥青混凝土高温稳定性
钢渣沥青混凝土高温稳定性采用马歇尔稳定度和动稳定度进行评价。3种沥青混凝土浸水马歇尔试验结果如表11。
由表11可见，3种沥青混凝土的稳定度和流值均满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。钢渣 AC-13稳定度最大，这说明钢渣对于提高沥青混凝土马歇尔稳定度有帮助。
动稳定度常用来反映沥青混凝土的高温稳定性。对不同钢渣掺量下的沥青混凝土进行车辙试验，试验结果见表12。
由表12可看出，3种集料沥青混凝土动稳定度值符合规范要求，钢渣 AC-13动稳定度最好。钢渣沥青混凝土动稳定度高的原因是钢渣集料的针片状颗粒较少，内磨阻力大。经压实后，颗粒与颗粒之间相互嵌挤，抗剪性能高。钢渣孔隙多，能吸附多余的沥青，在高温季节，有利于提高沥青路面的抗变形能力。
3 玻璃纤维用量
参考相关文献[9]，玻璃纤维的掺入量采用外掺法，掺加量分别为0%、0.1%、0.2%、0.3%，0.4%。由于玻璃纤维吸水率低、用量較少，可以认为对钢渣沥青混凝土最佳沥青用量影响较少，不再探究最佳沥青用量和玻璃纤维的掺入量之间的关系。并按JTG E42-2005《公路工程集料试验规程》和JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》检验钢渣沥青混凝土相关主要性能，结果见表13。
由表13试验结果得出，添加玻璃纤维能够显著提高沥青混凝土的动稳定度。当玻璃纤维掺量为0.4%时，与不添加玻璃纤维相比，车辙稳定度提高了110%，试验结果表明，玻璃纤维可以显著的提升沥青混凝土的抗车辙能力。这是因为掺入玻璃纤维后，玻璃纤维在钢渣沥青混凝土中起到加筋作用，并且形成良好的空间网状结构，在车辆荷载作用下，可以防止材料之间的相对滑移，进而使得钢渣沥青混凝土的高温稳定性得到提高。
当玻璃纤维掺量为0.2%时，与不添加玻璃纤维相比，沥青混凝土最大弯拉应变提高了30.5%。表明玻璃纤维对沥青混凝土低温性能影响较大，沥青混凝土最大弯拉应变随着纤维掺量增加先增大后减少，在0.2%时达到最大值，说明掺加适量玻璃纤维可以通过加筋增韧作用提高沥青混凝土的低温抗裂能力。当纤维掺量过多时，玻璃纤维会减少沥青膜厚度，反而导致沥青混凝土低温性能下降，因此掺入适当的玻璃纤维可以缓解由于掺入钢渣而降低的最大弯拉应变。
当玻璃纤维的掺入量为 0.1%、0.2%时，TSR均有不同程度的增加。其中，玻璃纤维掺入量为 0.2%时，TSR增加的幅度最大。因此，纤维的掺入量为 0.2%时，试件的水稳定性能得到明显的提高。但当玻璃纤维的掺入量为 0.3%时，相比于掺入量为 0.2%时的试件，TSR有明显的降低，比未掺入玻璃纤维的试件还要低，这是因为玻璃纤维掺入量过高时，多余的玻璃纤维相互缠绕、重叠，降低了沥青混凝土之间的连接与整体性，从而降低了沥青混凝土的水稳定性。
4 结论
1）将钢渣和玻璃纤维同时应用到沥青混凝土时，钢渣玻璃纤维沥青混凝土的高温稳定性、水稳定性、低温性能都满足规范要求。因此，初步判定将钢渣和玻璃纤维同时应用到沥青混凝土是可行的。
2）钢渣玻璃纤维沥青混凝土中含有CaO，适量的CaO可以提高沥青与钢渣的粘附性，但是过量的CaO会使沥青混凝土产生体积膨胀，可能会导致沥青路面产生裂缝等病害。因此，不同CaO含量的钢渣对于沥青混凝土的影响性还需进一步研究。
3）掺入钢渣后，沥青混凝土的低温抗变形能力下降，但掺入适量的玻璃纤维可以改善钢渣沥青混凝土的低温抗变形能力。
4）玻璃纤维掺量为0.2%时，沥青混凝土的水稳定性和低温性能良好。然而，当玻璃纤维掺量超过0.2%时，则会影响沥青混凝土结构，不利于提高沥青混凝土的路用性能，故钢渣沥青混凝土中玻璃纤维最佳掺量为0.2%。
参考文献：
[1] 冯艳瑾. 钢渣细料与钢渣粉在SMA-13沥青混合料中的应用研究[J]. 江西建材，2017（21）：2-4.
[2] 李伟，朗雷. 钢渣沥青混凝土渗透、压缩及耐久性试验研究[J]. 科学技术与工程，2017，17（11）：315-321.
[3] PASETTO M，BALDO N. Mix design and performance analysis of asphalt concretes with electric arc furnace slag[J]. Construction and Building Materials，2011，25（8）：3458-3468.
[4] Aysar NAJD，郑传超，郭进英. 纤维加筋沥青混凝土断裂性能试验[J]. 长安大学学报（自然科学版），2005，25（3）：28-32.
[5] 朱春凤，肖波. 玻璃纤维加强沥青混合料路用性能研究[J]. 公路交通科技（应用技术版），2011（7）：153-155.
[6] 王增先. 浅析玻璃纤维对温拌沥青混合料路用性能的影响[J]. 中外建筑，2017（6）：247-249.
[7] 杜君，刘家祥，李敏. 乙二醇-EDTA滴定法与热解重量-示差热分析法相结合测定钢渣中游离氧化钙含量[J]. 理化检验（化学分册），2013，49（8）：961-964.
[8] 施惠生，赵玉静，沙丹丹. 游离氧化钙对水泥浆体体积膨胀的影响机制[J]. 水泥，2000（4）：1-3.
[9] 张争奇，胡长顺. 纤维加强沥青混凝土几个问题的研究和探讨[J]. 西安公路交通大学学报，2001，21（1）：29-32.
[责任编辑 杨 屹]