细料变异对钢渣WRAC-13沥青混合料体积和力学性能的影响.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 4.0 0 4细料变异对钢渣WR A C-1 3沥青混合料体积和力学性能的影响王利波1,宋冰艳2,薛 鑫2,王雨露1,周鹏国2,磨炼同1(1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,武汉4 3 0 0 7 0;2.中铁十局集团第二工程有限公司,郑州4 5 0 0 0 8)摘 要:通过改变细集料级配,分析细料中粗和细颗粒组成对钢渣-废胎胶粉复合改性沥青混合料(WR A C)体积和力学性能的影响。结果表明,细料中2.3 6mm通过率波动对钢渣沥青混合料体积和力学性能影响小,而细料中细颗粒的缺失则影响显著。细料中小于0.6mm细颗粒的缺失影响最大,造成空隙率和矿料间隙率增大,劈裂强度降低幅度明显,因此应从细料破碎加工、堆放与沥青混合料生产过程严格把控细料中细颗粒组成的稳定性。关键词:钢渣沥青混合料;细料级配;体积参数;劈裂强度E f f e c t so fG r a d a t i o nV a r i a t i o no fF i n eA g g r e g a t eo nV o l u m e t r i ca n dM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fWR A C-1 3S t e e l S l a gA s p h a l tM i x t u r e sWANGL i-b o1,S ONGB i n g-y a n2,XU EX i n2,WANGY u-l u1,ZHO UP e n g-g u o2,MOL i a n-t o n g1(1.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fS i l i c a t eM a t e r i a l s f o rA r c h i t e c t u r e s,W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,W u h a n4 3 0 0 7 0,C h i n a;2.N o.2E n g i n e e r i n gC o,L t do f t h eT e n t hE n g i n e e r i n gG r o u pC o m p a n yo fC h i n aR a i l w a y,Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 8,C h i n a)A b s t r a c t:T h ee f f e c t so f c o a r s ea n df i n ef r a c t i o n so f f i n ea g g r e g a t eo nt h ev o l u m e t r i ca n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw a s t e t i r er u b b e rp o w d e rc o m p o s i t em o d i f i e da s p h a l tm i x t u r e(WR A C)c o n t a i n i n gs t e e l s l a ga g g r e g a t e sw e r ea n a l y z e db yc h a n g i n g f i n e a g g r e g a t eg r a d a t i o n.T h e t e s t r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e f l u c t u a t i o no f 2.3 6mmp a s s i n gp e r c e n t a g eh a das l i g h t e f f e c to n t h ev o l u m e t r i c a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f t h e s t e e l s l a ga s p h a l tm i x t u r e,w h i l e t h e l a c ko f t h e f i n ep a r-t i c l e s i nf i n ea g g r e g a t eh a da s i g n i f i c a n t e f f e c t.T h e l o s so f f i n ep a r t i c l e s t h a t s m a l l e r t h a n0.6mmi n f i n e a g g r e g a t eh a dt h eg r e a t e s t i n f l u e n c e,w h i c hc o u l dr e s u l t i na n i n c r e a s e i nt h ea i rv o i dc o n t e n t a n dv o i d s i nm i n e r a l a g g r e g a t e.F u r t h e r-m o r e,a no b v i o u s r e d u c t i o no f t h e i n d i r e c t t e n s i l es t r e n g t hw a so b s e r v e d.T h e r e f o r e,t h ep a r t i c l ec o m p o s i t i o no f f i n ea g-g r e g a t es h o u l db es t r i c t l yc o n t r o l l e da n dr e m a i n e ds t a b l ed u r i n ga g g r e g a t ec r u s h i n g,s t a c k i n ga n dm i x t u r ep r o d u c t i o n.K e yw o r d s:s t e e ls l a ga s p h a l tm i x t u r e;f i n ea g g r e g a t eg r a d a t i o n;v o l u m e t r i cp a r a m e t e r s;i n d i r e c tt e n s i l es t r e n g t h收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 7.作者简介:王利波(1 9 9 8-),硕士生.E-m a i l:3 1 7 5 6 0w h u t.e d u.c n通讯作者:磨炼同(1 9 7 9-),副研究员.E-m a i l:m o l t w h u t.e d u.c n高速公路沥青路面表面磨耗层为保证其长期抗滑耐磨,保证高速行车安全,对优质耐磨防滑骨料需求量大且依赖性强。当前公路建设对砂石骨料需求巨大,同时生态环保政策的加强使天然骨料开采难度大,存在着很大供需矛盾,而钢渣作为钢铁工业固废,其产量大、硬度高且抗压耐磨、磨光值高;钢渣骨料碱度高,与沥青粘附性优良;此外钢渣骨料棱角性好,表面粗糙,其骨架作用强1。钢渣经过合理的破碎、筛分、分级和陈化处理后,体积安定性好,浸水膨胀率低,可大量代替天然优质防滑集料用于高速公路沥青路面表面抗滑耐磨层,实现钢渣变废为宝,同时解决沥青面层优质耐磨集料开采与加工供应难题2-4。由于钢渣集料具有表面多孔结构、棱角性好、粗糙度高、吸收沥青大等特点,与废旧胎胶粉复合改性沥青共同制备废胎胶粉复合改51建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期性沥青混合料(WR A C)是理想组合方案,可充分利用二种材料的优势,并利用废胎胶粉复合改性沥青混合料的间断级配,设计出富油、高矿料间隙率、骨架作用强且表面粗糙、耐磨防滑的沥青表面磨耗层混凝土。与钢渣沥青玛蹄脂碎石混合料(S MA)相比,钢渣WR A C沥青混合料具有较低的沥青用量,不用掺入纤维稳定剂,路用性能与抗滑性能优良,整体性价比高。废胎胶粉复合改性沥青混合料的材料组成中,粗骨料起骨架结构支撑作用以保证沥青路面具有优良的抗车辙性能,而细骨料则用来填充粗骨料之间的空隙,同时粗细骨料通过沥青胶浆粘结形成骨架密实型沥青混凝土以提高抗水侵害能力和增强力学强度以及耐久性5。前期研究表明细集料的填充作用对沥青混合料性能影响大。李金凤等6提出沥青混合料主骨架空隙计算公式和影响矿料间隙率的物理模型。陈璟等7发现0.3mm筛孔是密级配沥青混合料的敏感性填充筛孔,其对沥青混合料的体积参数影响最大。谭忆秋等8发现细骨料对沥青混合料粗骨料间隙具有填充和干涉的双重作用。Z h a o等9发现0.1 50.3mm的细集料掺量对沥青砂浆粘弹性影响较为关键,在0.1 5 mm以下的细骨料形成的砂浆大多数为粘性,而0.3mm以上的沥青砂浆则表现为弹性。钢渣WR A C沥青混合料的矿料合成级配虽然属于间断级配,但整体上沥青用量和填料用量少,因此对细料的填充作用要求高,表现为沥青混合料体积性能、渗水性能和力学性能对细料用量和级配敏感1 0。当前细集料多采用机制砂,普遍存在2.3 6mm通过率低,粉尘含量大,生产堆放易离析等问题。此外,机制砂经沥青拌和楼烘干、除尘和二次筛分后,级配波动大,具体表现在关键筛孔2.3 6mm、0.6mm、0.3mm和0.1 5mm通过率波动性大。2.3 6mm通过率变化主要是细料离析造成,而0.6mm、0.3mm和0.1 5mm通过率变化是细料离析与除尘共同作用的结果。为了研究沥青拌和楼细料变异对钢渣WR A C沥青混合料体积性能与力学性能影响,首先通过增加和降低细料2.3 6mm通过率模拟细料中粗颗粒变异,分析细料级配偏粗和偏细的影响;其次采用人工筛除方法分别去除小于0.6mm、0.3mm和0.1 5mm部分以模拟沥青拌和楼除尘波动,分析细料中有用细颗粒含量的影响。1 试 验1.1 原材料沥青采用废胎胶粉复合改性沥青,由河南省上罗高速公路提供,其密度1.0 4 3g/c m3,针入度4 6,软化点7 5.5,延度2 3c m。钢渣粗集料由4.7 59.5mm和9.51 6mm两种规格组成,采用河南安钢集团信阳钢铁公司热闷处理并破碎堆放陈化不少于6个月的钢渣,各项性能指标均满足设计规范要求,可以用于沥青路面施工。细集料02.3 6mm采用石灰岩机制砂,并经过沥青拌和楼加热除尘处理。填料采用石灰岩磨细矿粉。废胎胶粉复合改性沥青和钢渣集料采用WR A C-1 3级配设计,经试验确定的最佳油石比为5.7%。1.2 方法为了分析细料级配变异对钢渣WR A C-1 3沥青混合料性能的影响,钢渣粗集料和细集料均采用沥青拌和楼热料,其中细料热料通过人工筛分和调配,按以下6种级配进行试验:细料1采用沥青拌和楼实际细料热料。细料2为在细料1的基础上人为增加2.3 64.7 5mm部分含量,使2.3 6mm通过率在7 5%附近。细料3为在细料1的基础上人为减少2.3 64.7 5mm部分含量,使2.3 6mm通过率在9 5%附近。细料4为在细料1的基础上人为去除小于0.6mm部分含量,使0.6mm通过率在0附近。细料5为在细料1的基础上人为去除小于0.3mm部分含量,使0.3mm通过率在0附近。细料6为在细料1的基础上人为去除小于0.1 5mm部分含量,使0.1 5mm通过率在0附近。试验采用的沥青混合料配合比统一采用标准热料确定的配合比,即配合比不随细料级配变化而作出调整以充分模拟沥青拌和楼生产过程。实际沥青拌和楼生产时均是假定各集料级配稳定不变,每拌制一盘沥青混合料均采用同一热料配合比进行生产。细料处理后的筛分结果汇总如表1所示。钢渣与石灰岩机制砂、矿粉存在较大密度差异,实际在进行矿料合成级配设计时以钢渣作为密度基准,进行石灰岩机制砂和矿粉密度换算以避免机制砂和矿粉实际用量过多而影响钢渣WR A C-1 3沥青混合料的骨架作用和相关体积性能,因此实际配合比设计时采用体积法,而室内配合比配料时采用换算后的质量百分比。在钢渣WR A C-1 3沥青混合料拌和过程中集料加热温度1 9 0,橡胶复合改性沥青加热温度1 8 0,拌61建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期和温度1 8 5,击实温度1 7 01 7 5,采用双面击实7 5次成型,成型试件后主要检测体积参数和劈裂强度。常规劈裂试验采用正反击实7 5次的马歇尔试件,试验加载速度5 0mm/m i n,试验温度2 5。表1 细料处理后的筛分结果汇总筛孔尺寸/mm4.7 52.3 61.1 80.60.30.1 50.0 7 5细料1/%9 9.88 4.96 1.34 1.72 7.11 2.35.0细料2(粗型)/%9 9.87 5.15 4.23 6.92 4.01 0.94.4细料3(细型)/%9 9.89 4.96 8.54 6.63 0.31 3.75.6细料4(无小于0.6mm)/%9 9.77 4.13 3.60000细料5(无小于0.3mm)/%9 9.77 9.34 6.92 0.0000细料6(无小0.1 5mm)/%9 9.88 2.85 5.93 3.51 6.9002 结果与分析2.1 细料2.3 6mm通过率波动的影响通过对细料2.3 6mm筛孔的通过率进行人为调整,调整后的合成级配见表2。从表2中可以看出,人为增加2.3 64.7 5mm部分含量,可以使得级配变粗,而减少2.3 64.7 5mm部分含量,则使得级配变细。2.3 6mm筛孔的通过率人为调整后马歇尔试件体积性能和劈裂强度结果如表3所示。由表3可以发现,当细料2.3 6mm通过率由8 5%变为9 5%后,其马歇尔试件空隙率和矿料间隙率是三个级配中最小,空隙率4.1%,矿料间隙率1 5.9%,并且其相应的劈裂强度最高。而降低细料2.3 6mm通过率的马歇尔试件,其空隙率和矿料间隙率是最大的,劈裂强度也是最小的。通过线性拟合得到细料2.3 6mm通过率波动与空隙率和间隙率关系式,见式(1)和式(2)。空隙率和矿料间隙率与细料2.3 6mm通过率波动呈线性相关性,可以发现2.3 6mm通过率上下波动1 0%,相比于设计级配的马歇尔体积参数和劈裂强度变化幅度较小,空隙率变化范围0.2%0.3%,矿料间隙率变化0.2%0.3%。也就是说当沥青拌和楼实际生产过程中,因为细料粗颗粒离析作用而导致2.3 6mm通过率发生变化,其对钢渣WR A C-1 3沥青混合料的体积性能影响小。V V=-0.0 2 5p+4.3 R2=0.9 8 4(1)VMA=-0.0 2 5p+1 6.1 R2=0.9 8 7(2)式中,V V为空隙率;VMA为矿料间隙率;p是以设计级配为基准的2.3 6mm通过率变化量。表2 细料2.3 6mm通过率波动对矿料合成级配的影响级配类型通过下列筛孔(方孔筛/mm)的质量百分率/%1 61 3.29.54.7 52.3 61.1 80.60.30.1 50.0 7 5级配上限1 0 01 0 07 53 93 02 21 81 41 18级配下限1 0 08 06 22 51 81 48655级配中值1 0 09 06 8.53 22 41 81 31 086.52.3 6mm-7 5%1 0 09 4.66 8.72 9.72 0.31 6.31 3.01 0.68.06.0设计级配1 0 09 4.66 8.72 9.72 2.21 7.71 3.91 1.28.36.12.3 6mm-9 5%1 0 09 4.66 8.72 9.72 4.01 9.01 4.91 1.88.66.2表3 细料2.3 6mm通过率波动对体积性能和劈裂强度的影响试验类别油石比/%理论最大相对密度毛体积相对密度空隙率/%沥青饱和度V F A/%矿料间隙率VMA/%劈裂强度/MP a2.3 6mm-7 5%5.72.8 2 12.6 9 04.67 1.71 6.41.4 1 4设计级配5.72.8 2 12.6 9 94.37 3.01 6.11.4 6 62.3 6mm-9 5%5.72.8 2 12.7 0 54.17 4.11 5.91.4 9 4设计要求-357 08 51 5-71建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期2.2 细料0.1 50.6mm通过率波动的影响通过人工处理细集料,将0.6mm、0.3mm和0.1 5mm以下的细料分别筛除,得到的矿料合成级配如表4所示。由表4可以发现,设计级配的级配最细,筛除粒径小于0.6mm以下的细料级配则最粗。根据表5马歇尔试验的结果可以发现,级配越细,细料颗粒含量越高,其马歇尔试件的空隙率和矿料间隙率就越小,劈裂强度越高。综合分析体积参数和力学性能可以发现细料筛除小于0.6mm以下成型的马歇尔试件,其空隙率和矿料间隙率最大,同时其劈裂强度最小,其数值仅为设计级配劈裂强度的8 0%。细料筛除小于0.1 5mm以下成型的马歇尔试件,其体积参数与设计级配相差较小,但仍不满足设计要求。图1给出了不同细料级配与空隙率和矿料间隙率关系图,可以发现随着人为筛除细料中细颗粒粒径的减小,其空隙率和矿料间隙率逐渐降低,劈裂强度逐渐升高。与细料中2.3 6mm通过率上下波动1 0%的影响对比,发现细料中细颗粒含量变化对钢渣WR A C-1 3钢渣混合料的体积性能和劈裂强度影响更为明显,表明沥青混合料实际生产过程中细料除尘波动比集料自身离析的影响显著,因此要求在实际生产的过程中应合理控制好细料中有用细颗粒含量和除尘工艺。表4 细料0.1 50.6mm通过率波动对矿料合成级配的影响级配类型通过下列筛孔(方孔筛/mm)的质量百分率/%1 61 3.29.54.7 52.3 61.1 80.60.30.1 50.0 7 5设计级配1 0 09 4.66 8.72 9.72 2.21 7.71 3.91 1.28.36.1除0.6mm以下1 0 09 4.66 8.72 9.72 0.11 2.46.06.06.05.2除0.3mm以下1 0 09 4.66 8.72 9.72 1.11 4.99.86.06.05.2除0.1 5mm以下1 0 09 4.66 8.72 9.72 1.71 6.61 2.49.26.05.2表5 细料0.1 50.6mm通过率波动对体积性能和劈裂强度的影响试验类别油石比/%理论最大相对密度毛体积相对密度空隙率/%沥青饱和度V F A/%矿料间隙率VMA/%劈裂强度/MP a除0.6mm以下5.72.8 2 12.6 1 57.36 1.01 8.71.1 4除0.3mm以下5.72.8 2 12.6 4 86.16 5.31 7.71.2 6除0.1 5mm以下5.72.8 2 12.6 6 85.46 8.21 7.11.3 1设计级配5.72.8 2 12.6 9 94.37 3.01 6.11.4 7设计要求-357 08 51 5-2.3 切片分析将不同细料级配成型的马歇尔试件进行切割试验,观察其内部骨架结构和密实度,试验结果如图2所示。从图2中可以看出,细料2.3 6mm通过率9 5%的沥青混合料成型的马歇尔试件密实度最高,细料填充于粗骨料之间的空隙,形成一种结构密实的沥青混合料,进一步证实前期试验空隙率小,劈裂强度最大的原因。将细料小于0.6mm以下全部筛除成型的马歇尔试件无法形成密实的骨架结构,粗骨料之间存在较大的孔洞,是造成其空隙率最大和劈裂强度最低的主要原因。81建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期2.4 空隙率与劈裂强度关联性分析试验结果表明,钢渣WR A C-1 3沥青混合料所采用的矿合成级配越细,在5.7%油石比下,其空隙率越低,骨架密实度越高,相应的劈裂强度也越大。将所有试件劈裂试验数据进行汇总分析,得到空隙率与劈裂强度的关系如图3所示。由图3可以发现空隙率与劈裂强度呈负线性相关,整体上空隙率增加1%,劈裂强度约下降0.1 1MP a,表明孔隙率对力学性能影响显著,现场应严格控制原材料细料变异和拌和楼的除尘工艺,降低因除尘和离析作用对细料级配的影响,保证细料级配的稳定以便于生产质量控制。3 结 论a.通过改变细集料2.3 6mm通过率上下浮动1 0%,模拟了细集料因堆放和生产过程造成的粗颗粒离析,发现其对钢渣WR A C-1 3沥青混合料体积性能和劈裂强度影响较小。b.细料中有用细颗粒0.6mm、0.3mm和0.1 5mm以下部分的缺失对钢渣WR A C-1 3沥青混合料体积性能和劈裂强度影响大,特别是小于0.6mm以下细料的缺失直接影响其骨架密实结构,造成空隙率增大,劈裂强度降低幅度最明显。c.钢渣WR A C-1 3沥青混合料的空隙率和劈裂强度呈现负线性相关性,施工配合比优化设计时应与现场施工和易性和空隙率相结合,提高施工和易性和压实度以保证长期使用耐久性。d.细料级配对钢渣WR A C-1 3沥青混合料的体积参数和力学性能影响大,细集料的填充作用受其有用细颗粒缺失影响显著,应从细料加工源头、堆放与沥青混合料生产严格把控细料颗粒组成的稳定性。(下转第5 8页)91建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期4 结 语碎玻璃外上与回收系统作为玻璃生产线非常重要的一个环节,其运行的稳定性是非常重要的。碎玻璃系统设备及材料在使用过程中磨损是无法避免的,但选择合适的材料和巧妙的设计不仅可以帮助提高设备和材料的使用寿命,减少故障率,提高整个生产线的稳定性,还可以帮助节约工程建设成本,提高行业竞争力。参考文献1 姬玉媛.浅析化学成分对高锰钢性能的影响J.商场现代化,2 0 0 8(1 4):3 8 1-3 8 2.2 李海龙.高锰钢的性能研究与提高D.长春:长春理工大学,2 0 0 6.3 孙兴林.耐磨复合钢板及其应用案例J.新世纪水泥导报,2 0 1 2(2):4 9-5 0.4 陈洪亮.带式输送机机头溜槽缓冲设计J.科技创新与应用,2 0 1 7(4):1 1 1-1 1 2.(上接第1 9页)参考文献1 何 亮,詹程阳,吕松涛,等.钢渣沥青混合料应用现状J.交通运输工程学报,2 0 2 0,2 0(2):1 5-3 3.2 林志伟,颜 峰,郭荣鑫,等.富水环境下钢渣骨料体积膨胀行为及抑制方法研究现状综述J.硅酸盐通报,2 0 1 9,3 8(1):1 1 8-1 2 4.3 磨炼同,林 顺,孟秀元,等.钢渣体积膨胀特性研究与胀裂模拟J.中国公路学报,2 0 2 1,3 4(1 0):1 8 0-1 8 9.4 余 浩,孟秀元,林 顺,等.浸水环境下钢渣骨料体积胀裂与强度劣化试验研究J.建材世界,2 0 2 2,4 3(1):5-9.5 谭继宗,刘 靖,徐 升,等.级配对橡胶沥青混合料高温性能影响研究J.中外公路,2 0 2 1,4 1(2):3 0 1-3 0 6.6 李金凤,何兆益,官志桃.多孔沥青混合料矿料间隙率物理模型的构建J.哈尔滨工业大学学报,2 0 2 2,5 4(3):1 3 9-1 4 7.7 陈 璟,张 伟,彭 波.细集料敏感筛孔的判定研究J.公路,2 0 1 0(3):1 5 4-1 5 8.8 谭忆秋,邢 超,任俊达,等.基于颗粒堆积理论的沥青混合料细观结构特性研究J.中国公路学报,2 0 1 7,3 0(7):1-8.9 Z h a oS h e n g q i a n,Y o uQ i n g l o n g,S e s a yT a i w o.F i n eA g g r e g a t eS i z e sE f f e c t so nt h eC r e e pB e h a v i o ro fA s p h a l tM o r t a rJ.C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i a l s,2 0 2 2,3 4 2:1 2 7 9 3 1.1 0褚付克,王笑风,郝孟辉,等.利用法和贝雷法对间断级配废胎胶粉复合改性沥青混合料WR A C-1 3的优化设计J.公路,2 0 1 7,6 2(5):7-1 2.85建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期