（材料学专业论文）钢渣沥青玛蹄脂混合料制备与性能研究.pdf

摘要 随着我国经济不断的发展，高速公路建设事业也迅猛的发展起来。发展速度 之快使得大量使用的天然集料以达到了供不应求的状况。而另一方面，钢渣是炼 钢过程中产生的副产品，随着钢铁工业的迅猛发展，钢渣的产量增长迅速。大量 堆积的钢渣不仅浪费了土地资源，也造成了一定的环境污染，对钢渣本身而言也 是二次资源浪费。以钢渣作为道路工程集料，找到了利用钢渣新的有效途径，同 时在环保方面又具有积极的意义。 本文的主要探讨武钢钢渣的材料特性以及钢渣作为沥青路面面层集料的可 行性。利用x r d 、s e m 、f i i r 、d s c - t g 以及汞压仪进行钢渣材料特性试验。 通过x 射线衍射分析，不但能定性定量分析钢渣的矿物组成，还能对其材料的 结构变化作出分析；利用s e m 扫描电子显微镜分析观察分析钢渣材料的形貌、 表面情况以及颗粒的粒度变化情况等；利用压汞仪分析了钢渣材料的孔结构并将 结果与天然集料的相同指标进行了比较；运用凡瓜红外分析对钢渣矿物成分的 鉴定以及矿物结构分析等；利用d s c - t g 分析钢渣材料的综合热性能。同时， 本文也分析了武钢钢渣的化学组成以及材料的物理力学性能，以及对钢渣材料微 观性能、物理性能与沥青粘附性以及混合料性能之间的联系进行了简要的分析。 借助沥青玛蹄脂碎石混合料( s m a ) 的级配结构以及设计思想，进行钢渣 s m a 沥青混合料的设计与制备，并对制备出的沥青混合料进行体积性能与路用 性能分析。在室内试验过程中，采用体积设计法控制混合料为骨架密实结构；并 对比马歇尔成型方法与旋转压实成型方法夺设计成型混合料方面的差异，通过试 件击实后的粗集料的破碎率以及燃烧法评价；采用小型车辙试验检验钢渣沥青混 合料的高温稳定性：采用浸水车辙、冻融试验评价钢渣沥青混合料的水敏感性； 采用三分点弯曲试验评价钢渣沥青混合料的疲劳性能：采用单轴压缩试验检验混 台料低温抗裂性能；通过测定钢渣与沥青之间的接触角值以及改进洛特曼试验来 评价钢渣s m a 混合料的水稳定性能；对钢渣s m a 沥青混合料进行上述性能指 标的斌验的同时，还进行了使用普通集料例如玄武岩、石灰岩的s m a 沥青混合 料的相应指标的对比试验，并对对比试验结果进行分析。同时通过对已成功铺筑 的钢渣s m a 沥青路面摩擦系数以及构造深度试验，进一步评价钢渣s m a 沥青 路面的使用性能并简要给出钢渣s m a 沥青路面的施工工艺。 关键词：钢渣s m a沥青混合料设计与制备 材料性能路用性能试验路 a b s t r a c t i nc h i n a , a n di nam a j o r i t yo fi n d u s t r i a lc o u n t r i e s ，t h eu s eo f s t e e ls l a ga sak i n do f r a wm a t e r i a lf o rc i v i le l l g i n e e r i n g ，f o rm e t a l l u r g i c a lu s e ，i nw a s t ew a t e rt r e a t m e n ta n d a sc e m e n tc l i n k e ra g g r e g a t e ，h a sav e r yl o n g h i s t o r y s t e e ls l a gi sa s o r to f b y p r o d u c t d u r i n gs t e e lm a k i n gp r o c e s s w t ht h ed e v e l o p m e n to fs t e e li n d u s t r y , t h ea m o u n to f s t e e ls l a gi n c r e a s e ss h a r p l y t h eq u a n t i t i e so ft h es t e e ls l a ge n g r o s sam a s so f g r o u n d a n d i n c r e a s i n g l y b e c o m ea ne n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s i n c et h ei n t r o d u c t i o na n d b e g i n n i n g o f u s i n gt h eb a s i co x y g e n s t e e lm a k i n gf u r n a c e ( b o f ) ，c h i n e s er e s e a r c h e r s h a v ec o m m e n c e dag r e a td e a lo fr e s e a r c h e so nt h ed e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o nf i e l d s o fb o fs t e e ls l a gf o rm a n y y e a r s l o t so fn e wa p p l i c a t i o n sa n dp r o p e r t i e sh a v eb e e n f o u n d ，b u tf e wo ft h e mi na s p h a l tm i x t u r eo fr o a dc o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n g n o w , i n c h i n a , i th a sa p p e a r e dv e r yi n s p i r i n gs i t u a t i o nt h a th i g h w a yc o n s t r u c t i o np r o j e c t s p r o g r e s sr a p i d l ya n de x t e n s i v e l y r a p i dd e v e l o p m e n ti nt h ef i e l do fr o a dc o n s t r u c t i o n b r i n g si n e v i t a b l ep r o b l e mt h a tt h e r ei s ag r e a td e m a n df o ra g g r e g a t e ，e s p e c i a l l y e x c e l l e n t a g g r e g a t e f o r h i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n t t h el a s t s t a t e m e n th o l d su s r e s p o n s i b l et os a v en a t u r a lr e s o u r c e sb yu s i n gi n d u s t r i a lb y p r o d u c t sa n dt oi n c r e a s e t h e i ru t i l i z a t i o nr a t ew h e r e v e rt h e i rt e c h n i c a lp r o p e r t i e sa l es u i t a b l ec o n c e r n i n gt h e r e l e v a n t a p p l i c a t i o nf i e l d b a s i c a l l y ，t h e s ea p p l i c a t i o n sc o u l d b e o n l y a c h i e v e d b e c a u s eo fh i g h q u a l i t yo f s t e e ls l a g b ys t r i c ts e l e c t i o no fl a wm a t e r i a l sa n da f e a s i b l e p r o c e s s r o u t e t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ef e a s i b i l i t yo fb o fs t e e ls l a gu s e da sa g g r e g a t ei na s p h a l t p a v e m e n tb yt w op o i n t so fv i e wi n c l u d i n gb o fs t e e ls l a g sp h y s i c a la n dm i c r o p r o p e r t i e s a sw e l la s s t e e l s l a ga s p h a l t m i x t u r e s m a t e r i a l sa n d p a v e m e n t p e r f o r m a n c e s f o rt h ef o r m e r p a r t ，t h i sp a p e rm a i n l y c o n c e r n e dt h e m e c h a n o c b e m j s t r ya n dp h y s i c a lc h a n g e so f t h es t e e ls l a ga n ds t u d i e di tb y p e r f o r m i n g x r d 、s e m 、f i i r 、d s c t ga n dm e r c u r yp o r o s i m e t e r a n a l y s i sa n dt e s t i n gm e t h o d ， a l s oi l l u s t r a t e ds t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ec h a n g e so fs t e e ls l a gd u r i n gc o m m i n u t i o n p r o c e d u r e x r da n a l y s i st e s tr e s u l ts h o w e dt h ec r y s t a ld e g r e ef a l la n da f t e rs t e e ls l a g w a sg r o u n d ，t h ec r y s t a ls t r u c t u r ew a sd e s t r o y e d b yt h es e m p h o t o s ，t h ee v i d e n t c h a n g e so ft h ea p p a r e n ts h a p e ，t h ep a r t i c l es i z ea n dc r y s t a ls t r u c t u r ew a so b s e r v e d a f t e rg r o u n d b yf l i ra n a l y s i s ，i tc o u l dm a k eo u tt h a tv a l e n c eb o n dv i b r a t i o nb e c o m e m o r ev i o l e n t l ye v e nb r o k e ni n am e a s o r e b yo b s e r v i n gt h ed s c t gc m v c ，t h e c h a n g e so ft h ec a l o r i f i cp r o p e r t yw a sa n a l y z e da n dt h er e s u l ti n d i c a t e di t sr e a c t i o n d e g r e ei n c r e a s e da f t e rt h es t e e ls l a gw a sg r o u n db yt h ep l a n e t a r ym i l l ，n a m e l ym a d e t h er e a c t i o ng oa l o n ge a s i l y m e r c u r yp o r o s i r n e t e rt e s t i n gr e s u l ts h o w e dt h ep o r o u s c h a r a c t e r i s t i co fb o fs t e e ls l a gd i f f e r e n t i a t e sf r o mn a t u r a la g g r e g a t e s ，a n di n d i r e c t r e l a t i o nw i t ha s p h a l tb i n d e r i nt h es e c o n dp a r t ，t h i sp a p e ri n t e n d e dt ou s eb o fs t e e l s l a ga sm wm a t e r i a l ，a n dd e s i g ns t e e ls l a gs m a m i x t u r e t h i sp a p e rc o m p a r e dt h e d i f f e r e n c e sb e t w e e nt h em a r s h a l la n d g y r a t o r ym e t h o d w h i l e d e s i g n i n g a n d p r e p a r i n g m i x t u r eb yc o a r s ea g g r e g a t e sc r u s hv a l u ea n dc o m b u s t i o nt e s t d u r i n gl a b o r a t o r yt e s t p r o c e d u r e ，t h i sp a p e r u s e sv o l u m e t r i cd e s i g nm e t h o dt om a k es u r es t o n e - s t o n ec o n t a c t ； b yu s i n gt r a d i t i o n a lr u t t i n gt e s t ，s o a kw h e e lt r a c ka n dm o d i f i e dl o t t m a nt e s t ，t h eh i g i l t e m p e r a t u r es t a b i l i t ya n d w a t e rr e s i s t a n c ea b i l i t yw e r ct e s t e d s i n g l ea x e sc o m p r e s s i o n t e s ta n df l e x u r et e s tw e r ep e r f o r m e dt oe v a l u a t et h el o wt e m p e r a t u r ec r a c kr e s i s t a n c e p e r f o r m a n c ea n df a t i g u ec h a r a c t e r i s t i c s i m u l t a n e o u s l y , b yo b s e r v i n gs t e e ls l a gs m a p a v e m e n tw h i c hw a sp a v e ds u c c e s s f u l l y , t h i sp a p e rp e r f o r m sb r i t a i np e n d u l u mt e s t a n ds u r f a c es t r u c t u r et e x t u r et e s tt oe v a l u a t e d r i v i n gp e r f o r m a n c eo fv e h i c l e s a f o l l o w - u ps t u d yt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c e o ft h ee x p e r i m e n t a lp a v e m e n tc o n f i r m e d t h a tt h ee x p e r i m e n t a lp a v e m e n tw e r e c o m p a r a b l ew i t hc o n v e n t i o n a la s p h a l tp a v e m e n t ， e v e ns u p e r i o rt ot h el a t e ri ns o m ea s p e c t s a l lo fa b o v et e s tr e s u l t sa n da n a l y s i sh a d o n l yo n em a i np u r p o s et h a tt h i sp a p e rv a l i d a t e dt h eo p i n i o nt h a tu s i n gb o fs l a gi n a s p h a l tc o n c r e t ei sf e a s i b l e s ot h i sp a p e rs u g g e s t e dt h a tt r e a t e da n d t e s t e ds t e e ls l a g s h o u l db eu s e di nam o r ee x t e n s i v er a n g e ，e s p e c i a l l yi na s p h a l tm i x t u r ep a v i n g p r o j e c t si ns u c h a na b u n d a n ts t e e ls l a gr e s o u r c er e g i o n k e y w o r d s ：s t e e ls l a gs m a ；d e s i g na n dp r e p a r a t i o n o fm i x t u r e ；t e c h n i c a l p r o p e r t i e s o f s l a g ；a s p h a l tm i x t u r e ； m i x t u r ea n d p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ； e x p e r i m e n t a lp a v e m e n t ； 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 1 1 1 钢渣研究与应用现状 钢渣是炼钢过程排出的熔渣，即炼钢过程中利用空气或氧气去氧化炉料r 主 要是生铁) 中的碳、硅、锰、磷等元素，并在高温下与熔剂( 主要是石灰石) 起反应 形成的熔渣，其构成包括金属炉料中各元素被氧化后生成的氧化物，被侵蚀的炉 衬料和炉材料，金属炉料带入的杂质和为调整钢铁性质而专门加入的造渣材料， 如石灰石、白云石、铁矿石、硅石等。 在炼钢时加入了石灰石、自云石和铁矿石等矿物作冶炼熔剂以及加入了石灰 作造渣材料，高温下把炉料融化成两个互不熔解的液相，将钢和杂质分离这里 所分离出来的杂质就是钢渣。它凝聚了炉料中被氧化后所形成的氧化物，因而钢 渣中存在许多硅酸盐矿物。根据炼钢炉的炉型，钢渣又可分为平炉渣、转炉渣和 电炉渣；按排渣的次序又有初期渣、中期渣和后期渣。种类不同，性质各异。 钢渣呈黑色，外观象结块的水泥熟料，其中夹有部分铁粒，硬度大，密度为 1 7 0 0 - 2 0 0 0 k g m 3 ，钢渣的主要化学成份有c a o ，s i 0 2 f e o ，f e z 0 3 ，a 1 2 0 3 ，m g o 等，兵组成基本恒定。钢渣的矿物组成主要为橄榄7 ( 2 f e o s i 0 2 ) 、硅酸= 钙 ( 2 c a o s i 0 2 ) ，硅酸三钙( 3 c a o s i 0 2 ) 、铁酸二钙( 2 c a o f e 2 0 3 ) 和f - c a o 等， 随着碱度不同钢渣中主体矿物相有所差别。 表1 - 1 不同碱度钢渣的主体矿物相 l碱度主体矿物相 lo 9 1 4 钙锌撇榄石 1 4 1 6 镁辉矿 j1 6 - 2 4 壁墼三塑c， l 2 4 硅酸三钙 钢渣产：牢约为粗钢量的1 5 2 0 ，1 9 年我尉的钢产量为1 亿1 吨，全年钢渣 近1 6 0 0 万吨。长期以来，钢渣作为废物抛弃，占用良刚，污染环境。为了适应 俐铁工业的发展，各产钢因都已经将钢渣利用的问题提到了重要议事日程h2 0 i ”纪初期闷内外丌始研究钢渣的利用，并己经敢得了显著的成果。日前，国内外 综合利用锏渣的主要途径如下： ( 1 ) 返蚓冶炼再用 铡淹返刚冶炼再用，包括返回烧结，返回高炉和返回炼钢炉。俐渣用作冶炼 武汉理工大学硕士学位论文 熔剂可以回收钢渣中的c a ，m g ，m n ，v 。f e 等的氧化物和稀有元素等成分， 能大量节约石灰石、萤石等造渣材料的用量，降低焦比，提高利用系数，降低成 本。世界几个产钢大国一直坚持利用钢渣返回作熔剂，而且占钢渣资源化的比重 很大。美国把钢渣配入烧结和高炉等，再利用量达1 0 0 0 万吨，再利用率大约为 5 6 ；德国约为2 4 ；日本约为1 9 。我国如果能有5 0 的钢渣在烧结、炼铁、 化铁炉、炼钢等方面得到广泛应用，每年将节约3 0 0 万吨石灰石，并相当于增产 含f e 4 0 的铁矿石2 0 0 万吨。但钢渣作冶炼原料时，由于钢渣成份波动大，给生 ，柳控制带来一定的困难。 ( 2 ) 制作钢渣水泥 钢渣化学成分表明，高碱度钢渣含有大量c 3 s ( 硅酸三钙) ，c 2 s ( 硅酸- 9 5 ) 等 活性物质，有很好的水硬性，能产生一定的强度，把它与一定量的高炉水渣、锻 烧石膏、水泥熟料及少量激发剂配合球磨，即可生产钢渣水泥。应用钢渣水泥可 配制2 0 0 号和4 0 0 号混凝，分别用于民用建筑的梁、板、楼梯、砌块等方面， 也可用于工业建筑的设备基础、吊车梁等。这在国外具有悠久的历史，应用较早。 我国八十年代发展速度明显，目前有两种方式生产钢渣水泥，拥有5 0 多个钢渣 水泥厂，钢渣水泥生产己超过5 0 万吨，本溪、安阳、邯郸等地都建有5 0 万吨的 钢渣水泥厂。钢渣作生产水泥原料时，由于钢渣的膨胀性，它不能完全代替水泥， 同时我国严禁将钢渣碎石作混凝土料使用。 ( 3 ) 作筑路与回填工程材料 钢渣碎石比重大，强度高，一般抗压强度大于1 8 0 m p a ，磨损率均小于2 5 ， 耐腐蚀，与沥青结合牢固，因而广泛用于修建铁路、公路及工程回填。原西德推 荐在水利工程、堤坝建筑中使用，已经用转炉钢渣加| 鲴了莱菌河港口和谬司河岸， 日平炉渣加固了一些河流的河床，采用0 1 0 r a m 转炉钢渣加固海岸斜坡脚使海岸 f 部基础更结实，船舶停泊几年也不会损坏。 ( 4 ) 作农肥和酸性土壤改良剂 铡渔含有c a ，m g ，s i ，p 等元素，并且s i ，p 氧化物的构溶性高，因此可根 据兀索含量的不同作不同的土壤改良剂加以应用。实践表明，钢渣磷肥不仅在酸 性l 壤上使片j 效果好，在缺磷的碱性上壤上旆用也可增产。不仅在水田旌用效果 好，在旱i t l 施用也起作用，对我国许多缺磷土壤和酸性土壤的地区来说充分合理 利川俐沭资源具有重要的意义。 ( 5 ) 回收废钢 钢潘殷含7 一1 0 废钢，经粉碎加工磁选后，可网收其中9 0 的废钢，对 j 。竹约废铡资源，提高经济效益，有着十分重要的意义。 ( 6 ) j j t 了废水处理 2 武汉理工大学硕士学位论文 近年来有人把钢渣用于治理废水。实验发现钢渣可用做处理含c r 3 十的废水， 铬钢渣按一定的质量比投加后，可以达到很好的去除效果。处理含a s 3 + 的废水， 按踯，钢渣的质量之比为1 2 0 0 0 投加钢渣，砷的去除率可达到9 8 。 ( 7 ) 做炼铁炼钢熔剂 钢渣中的c a o 是钢渣的主要成份， 灰石，改善高炉渣的流动性，增加产量， 在高炉中加入适量的钢渣，可以节省石 使高炉行程较顺，崩悬料减少。在转炉 的应用方面一吨钢使用高碱度的钢渣2 5 k g 左右，并配自云石，可以使炼钢中钢 渣成渣早，钢渣的流动性好并节省石灰。具有减少初渣对炉衬的侵蚀，提高炉龄， 降低耐火材料消耗等优点。钢渣直接返回高炉使用的目的，主要是利用渣量中 c a o 代替石灰石，同时回收利用钢渣中的有益成份，节省熔剂消耗，改善高炉 渣的流动性，增加炼铁产量，但缺点是渣中强碱性物质对高炉寿命有影响要限制 限量使用。 1 1 2 钢渣在沥青路面工程中的应用 随着我国经济不断的发展，高速公路建设事业也迅猛的发展起来。特别是 9 0 的高速公路路面结构形式均采用沥青路面结构形式。虽然仅仅是近几年才发 展起来的一个新的面层混凝土类型，但是发展速度之快使得大量使用的天然集料 以达到了供不应求的状况。因此考虑钢渣作为沥青混凝土的替代集料就提到了公 路研究人员的研究日程上了。 钢渣是炼钢过程中产生的副产品。钢渣含有多种氧化物和矿物质，具有与硅 酸盐相似的物化成分，在一定的环境条件下经过电解水化作用后，呈现为性能比 较稳定，强度较高、颗粒均匀的粒状物。钢渣的力学性能较轧制的碎石好，不仅 耐磨、颗粒级配形状好，而且与沥青有良好的粘附性，沥青包裹后能防止钢渣的 膨胀。其比热值很大，很适宜作为沥青混凝土的骨料用于路面的铺筑中。国外冶 金1 业比较发达的国家，相应对钢渣的丌发使用较早，据联合国对美国以及其他 的一f 多个工业发达的国家的钢渣利用状况的调查表明，作为世界各国最大量的 吲态废弃物之一的钢渣，其综合利用的潜力是十分巨大的，这些国家的钢渣有 5 0 用于道路r = 程上，其中美国的钢渣利用率最高达到9 0 ，前苏联为8 3 7 ， h 木为7 0 ，德国为3 0 。这些国家的钢渣应用于路面结构各不相同，道路的 等级也不一样。 钢渣中富台铁，其压缩孔隙结构使其成为一种较为密实的材料。掺有钢渣的 沏青混凝上具有良好的防滑性和隔热性，且较易压实。但另一方而，由于钢渣含 订械易膨胀的游离氧化钙和自由氧化镁，闪而使钢渣具有不稳定性，所以钢渣的 芟利件j 存道路工程中月前仪作为道路结构的上沥青层或表层材料，严禁作为结 武汉理上人学硕士学位论文 构底部的填筑材料或在易产生膨胀的地点使用。近年来，一些钢铁企业利用钢渣 铺筑了很多道路，大部分是将钢渣用作结构回填或刚性道路的基层、面层等。大 量使用钢渣沥青混凝土来摊铺高等级柔性路面的有效实践不多。工程界一般认 为，钢渣作为工业废渣存在成份相对不稳定状态，这会影响道路质量，钢渣呈碱 性，污染环境等。随着钢渣处理加工的深化，钢渣在某些工程领域特别是在道路 建设上将会较天然岩更具特性优势。各国将钢渣应用于道路工程数量和技术水平 又有所提高，特别是美国和日本已经制订了钢渣道路材料的技术标准和施工规 范，凡符合这些规范和标准的钢渣材料可以像轧制碎石一样在道路工程建设中使 用。 钢渣适合于在沥青路面工程中应用，主要也是缘于其出色的物理力学性质。 破碎钢渣呈棱角，具有极强的锁结力。钢渣的内摩擦嵌挤力优于大部分天然 砂石。而内摩擦嵌挤力是评判道材、集料适用性的重要依据目前尚无成熟可靠 的试验测定值来判定比较。 钢渣的堆密度b d 超过1 9 0 0k g m 3 ，有时可达2 1 0 0k g m 3 ，比大部分天然砂 石重约2 5 ，比重大确保了钢渣沥青混凝土的抗碾压强度和有效耐久性。磨光值 p s v 是评定材质摩擦特性的指标。磨光值高，能提供好的抗滑路面，保证车辆舒 适安全行驶。钢渣的p s v 值为6 0 6 5 ，居一般材质的中高值瞄j 。 钢渣有水硬倾向，抗水性好。大部分砂石材，都有不同程度的吸水性，钢渣 吸水率不到2 ，与其它天然砂石相近。钢渣沥清混凝土适宜潮湿地区的路面， 钢渣有空隙、易透水而仍有高硬度，特别适合透水性沥青混凝y _ ( p o r o u sa s p h a l 0 。 透水性沥青混凝土是目前国外应用较多的路用沥青混凝土，要求的集料吸水性 低、水硬性好、多棱角、大粒度。 钢渣的抗冻性明显优于天然砂石。寒冷地区的沥青路面，频繁出现霜冻、融 化循环、沥青容易剥落，最终导致路面损坏。硫酸镁稳定性试验m s s 要求材质 浸酸干燥后体收缩不超过1 2 ，钢渣测定值很小。有些国家地区采用更严格的芒 硝r 硫酸钠) 试验，钢渣的收缩率仍很小。 1 1 3s m a 应用与发展撅述 2 0 世纪6 0 年代中期，德国为了减轻大量带钉轮胎汽车对路面表层磨耗破损， 尝试增加浇铸式沥青混合料中的碎石用量，以期高顼量耐磨损的碎石能直接与带 钉轮胎接触，减少和防止带钉轮胎对沥青与细集料胶泥的磨耗。碎石的增加必然 导致纠集料的减少，细集料减少又会造成矿料吸附沥青能力削弱，j 二j 时德围传统 的浇注式沥青混合料的沥青含量很大( 6 一1 0 ) ，所以，细集料的减少极容易造 成运输和摊铺温度下沥青流淌。为了防止沥青流淌，道路工程师又在混合料巾加 武汉理工大学硕士学位论文 八了纤维。后来路用实践表明，工程师们的试验设想是合理的、成功的。增加高 质量碎石用量确实大大延缓了带钉轮胎对表面层的磨耗，纤维的加入也完全阻止 了沥青的析漏和流淌。7 0 年代初欧洲经历两个炎热的夏季，后来人们发现许多 沥青路面都出现了严重的车辙，而使用了沥青玛蹄腊碎石混合料( 后文简称s m a ) 的路面几乎没有车辙变形。从此道路工程师对s v i a 的抗磨损、抗车辙、抗开裂、 防水耐久等优良路用性能有了全面的认识，先后在欧洲很多国家应用发展起来， 并成为风靡欧洲的高等级沥青路面结构型式。 在北欧的丹麦、挪威、瑞典以及荷兰、奥地利等国，s m a 的发展由于受德 国影响，应用相当广泛。丹麦哥本哈根机场跑道是世界上有名的最早使用s m a 道面的机场。挪威从1 9 8 5 年起在交通量a d t 5 0 0 0 的重交通道路和机场跑道上 使用s m a 。瑞典自1 9 7 4 年起首先在支线公路应用s m a ，从1 9 8 8 年起成为高速 公路和干线公路的标准结构类型。英国与葡萄牙均是从1 9 9 4 年开始在干线公路 应用s m a 技术。值得注意的是美国在引进了德国的s m a 技术后进行了许多改 进和发展，并进行了大量应用，尤其1 9 9 6 年亚特兰大奥运会一年就使用了1 0 万吨s m a 混合料进行加铺。 s m a 沥青混合料在美国引进发展，是从1 9 9 0 年9 月，美国a a s t o 、f h w a 、 n a n a 、s h r p 、t a i 和t r b 联合派出了大型代表团到欧洲考察沥青路面应用 技术后开始。代表团对欧洲的s m a 沥青混合料印象很深，因此，1 9 9 1 年美国就 开始铺设s m a 试验路，研究推广s m a 在美国的应用，1 9 9 4 年f h w a 就提出了 s m a 设计旖工指南并继续研究，以期进一步修改完善。从美国对s m a 进行的不 断研究、逐年修改规范的过程可发现，可发现美国道路工程师对s m a 的逐渐加 深理解的事实。美国在引进s m a 的过程中，对欧洲的s m a 技术进行了研究改 造，来制定适合美国本土的s m a 规范1 4 j 。 ( 1 ) s m a 在国内的应用 1 9 9 8 年起，s m a 在吉林、北京、辽宁、黑龙江、河北、山东、山西、江苏、 j “东、叫川、青海、湖北、上海、内蒙等省区推广应用。许多重要的高速公路， 京哈、京沪、京珠三大干线高速公路沿线的一些省份开始考虑采用s m a 结构， 河北省的保定一天津、石家庄黄弊港、北京。秦皂岛等高速公路采用了s m a 结构。首都机场高速公路、薛都机场东跑道、八达岭高速公路、长安街整修、广 东省虎fj 大桥钢桥面铺装采用了改性沥青s m a 结构。 ( 2 ) s m a 的特点 s m a 是一种由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量细集料组成的沥青玛蹄脂填 先川断级配的车h 集料骨架问隙而组成的沥青混合料。s m a 的材料结构特点为： 一? 多少一粗集料多、矿粉多、沥青多、细集料少。 武汉理t 大学硕士学位论文 由于s m a 的矿粉用量多，则集料比表面积大，需要较多的沥青来裹覆。同 时大量粗集料形成的骨架空隙需要较多沥青胶泥去填充，所以s m a 级配混合料 的沥青用量较大，这形成了s m a 的另一个特点一沥青用量多。 由于s m a 属于间断级配，所以从传统观点来看，s m a 的混合料很容易离析 的，但s m a 的另外一个特点是富油胶泥多，且胶泥的内聚力因为矿粉多而较大， 使s m a 克服了间断级配容易离析的缺点。同时富油胶泥增强了s m a 的抵抗低 温开裂性能和抗老化能力。在s m a 混合料中高含量的粗集料还形成了可高效率 传递车辆荷载的骨架结构，所以s m a 具有很高的高温抗车辙能力。高含量的粗 集料还增加了混合料表面的粗糙度，使s m a 表面具有较大的构造深度，增强路 面的抗滑能力和雨雪天的高速行车安全性。另外，间断级配使胶泥很容易填充到 集料骨架中去，充足适量的胶泥使最终压实的s m a 混合料具有低水平的空隙率 ( 2 4 ) ，从而使s m a 的防水性能很强，抗老化、抗疲劳优点突出，有很高的 耐久性能、较长的使用寿命。 表1 2 不同沥青混合料的性能比较 特点和性能a c 1 3 1a c 1 6 1 a k * 1 3 as m a 1 3 结构类型悬浮密实结构悬浮密实结构半空隙结构嵌挤密实结构 空隙率3 64 1 04 1 03 4 沥青用量中等较少中等较多 4 7 5 r a m 通过率4 8 0 0 7 5 r a m 通过率 高温稳定性差差较好很好 疲劳耐久性好较好一般很好 抗裂性较好一般较好很蚶 水稳定性好较好差很好 抗渗透性好妤差好 抗老化性很针很盘较好很好 抗磨损性较好般很好很好 抗滑性筹筹好很好 路面噪音、溅水差著好姒 施j 。难易科度易易易难 成本低低较高 尚 s m a 是一种全新意义 二的沥青混合料，克服了传统混合料所表现出的缺点。 住s m a 结构中，羊h 集料骨架占到了7 0 以上，混合料中粗集料之间的接触远大 j ：普通沥青混合料的，这种嵌挤的的结构有效的抵抗荷载变形能力及高温抗牟辙 武汉理= 大学硕士学位论文 能力；粗集料骨架之间充满了沥青玛蹄脂，空隙率很小，几乎不透水，玛蹄脂与 集料的粘结力又好，混合料的抗水害性能大大加强；柔韧性较好的沥青玛蹄脂层 裹附在粗集料的表面，使混合料的低温抗裂性能大幅度提高；混合料内部被沥青 玛蹄腊充分填充，沥青同空气与阳光的接触较少，沥青含量又大，混合料的耐老 化性能也大大提高。应用s m a 有较长时间的国家的经验表明，s m a 有很好的耐 久性，其使用寿命较一般沥青混凝土长2 0 3 0 。下表给出的是不同的级配类 型的沥青混合料的性能比较结梨”。 1 ，2 本工作提出的意义 钢渣是炼钢时所产生的废渣，随着钢铁工业的发展，钢渣数量日益增多，若 废弃不利用则对环境造成的污染也就越严重。随着国际上在环保方面的目益重 视，变废为宝的研究途径也就显得极其重要，现在一般大型钢厂每年要生产出几 百万吨钢，然而随着钢的产出，也带来了大量的钢渣，其产量大约是钢产量的 1 2 至2 0 左右。早期由于对钢渣的长期废弃不利用而堆积在渣山上，不仅占用 了大量土地，而且造成了严重的环境污染，因而有效的利用这些钢渣既能带来良 好的经济效益，又能起到很好的环境保护。 我国在钢渣的综合利用方面进行了大量的试验研究，鉴于我国钢渣利用技术 工作起步比较晚，与工业发达国家尚有一定的差距，因而需要在认识上加以重视 和提高，将钢渣作为第二资源来认真对待，钢渣处理和综合利用具有良好的社会 经济效益，充分利用钢渣不仅解决了堆积占地问题，而且也解决了环境污染问题。 另一方面，随着我国公路建设事业的迅猛发展，目前在高等级公路沥青面层 中，特别是上面层作为抗滑耐磨的结构功能层中，优质集料的匮乏已经是个不争 的事实了，同时这一问题也制约了公路事业的继续健康发展。因此，在公路工程 特别是沥青面层中使用钢渣替代传统优质集料，不仅在性能上相差无几，经济卜 的利益也是显而易见的，同时社会效益也很突出。即一种工业生产的废弃物经过 转换处理，将t 玎以成为另一种生产过程中的必要的原材料，这是目前固体废物资 源化与再生利用的实质内容与要求，也符合工业可持续性发展战略以及循环经济 的思想。 而选用s m a 结构而不是传统的沥青混凝土级配结构形式，也是在考虑了钢 渣作为骨料有着出色的力学以及能与沥青胶结料良好结合的性能的基础上，认为 矮更适合了：作为s m a 这种嵌挤性骨架结构沥青混凝七的骨料。同时，我国目前 高速公路所使用的抗滑表层的品质与使用状况的调查结果显示，对同一种集料而 者，传统沥青混凝土钻构形式的使用寿命明显低于高性能沥青混凝_ j 以及s m a 结构形式沥青混凝士的寿命，在使用品质上也是后者强与前者。当然后者也存在 武汉理工大学硕士学位论文 着推广的阻力，那就是成本过高以及一些技术问题尚未解决。而钢渣作为替代骨 料广泛使用在高性能沥青混凝土中，则可以解决成本过高的问题。 本研究结合钢渣沥青混凝土路面的实际情况，对这项新的技术进行了全面系 统的分析研究，特别针对其路用性能进行探讨。主要研究钢渣沥青混凝土路面与 我国常用的沥青混凝土路面在结构与性能上有什么不同，甚至在某些方面，钢渣 沥青混凝土的路用性能要明显优于普通的沥青混凝土。在所有性能均满足甚至超 过规范要求的同时，再将钢渣混凝土路面作为一种将钢渣变废为宝的最有效也是 最经济的手段之一，合理利用钢渣不仅还能够达到改善环境的目的，也是现代工 业进步的重要标志，同时也是建材城建工业扩大资源发展生产的重要方面，逐步 改变过去那种把冶金渣当作废弃物丢弃的陈旧做法，将冶金渣作为二次资源开发 利用也是国际上得到扶植和研究的重要课题，针对我国的国情，开发利用冶金渣 对我国更是具有十分重要的意义。 1 3 本课题的研究内容 本课题研究内容之一是对钢渣的宏、微观的材料特性，通过一系列的分析测 试以及试验手段进行表征。利用x r d 分析钢渣的矿物组成与结构变化；s e m 或 t e m 分析钢渣颗粒的表面形貌情况以及颗粒的粒度变化；d s c t g 分析差热曲 线与失重曲线的变化可以获得钢渣相关的热学性能；f i l r 分析可以发现其价键 振动情况；压汞试验分析钢渣的孔结构与孔径分布，这一试验结果将与影响沥青 与集料的粘附性的因素有关系；钢渣集料碱值测定以及与沥青粘附时接触角的测 定结果也可以作为影响沥青与集料的粘附性的因素之；化学成分分析、物理力 学性能试验包括钢渣集料的压碎值、洛杉矶磨耗、吸水率、密度( 松装密度与集 料密度) 、粘附性、细长扁平颗粒含量等指标的测定也将表征钢渣在物化方面的 特性。 本谍题的另外一个研究内容就是在钢渣s m a 沥青混凝土的设计与制各过 程，通过与普通沥青混凝上的相对应指标的比较，探讨钢渣s m a 沥青混凝土的 体积性能、路用性能以及试验路铺筑后的使用情况。通过比较m a r s h a l l 与s g c 的试验结果，1 1 j 以得出体积性能指标差片性以及两种成型方式对不同级配不同集 料破碎的影响差异比较，进而”t 以观察成型试件细观形貌以及微观结构差异；通 过车辙试验、全厚车辙试验比较钢渣s m a 沥青混凝土与普通沥青混凝土的高温 性能的差别，通过低温压缩试验、弯曲蠕变试验评价钢渣s m a 沥青混凝土的低 温性能，通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、浸水车辙试验盼及抗渗透性试验 计价钢渣s m a 沥青混凝土的水敏感性能，通过三分点重复加载试验评价钢渣 s m a 沥青混凝j 的疲劳性能以及通过测定试验路的沥青面层的摩阻系数与构造 武汉理i 大学硕士学位论文 深度评价钢渣s m a 沥青混凝土的抗滑性能。依据钢渣s m a 沥青混合料的制备 情况与试验路的测试与观测结果给出钢渣s m a 沥青混凝土的施工工艺与建议。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 研究思路 第2 章试验材料与方法 本文选取武钢的钢渣作为试验原材料，研究其物理化学性能，以及钢渣作为 骨料设计并制备的s m a 沥青混合料的体积与路用性能，进而分析钢渣自身的材 料特性与沥青混合料性能之间的关系。同时通过试验路的铺筑，试验路使用的跟 踪观测，探讨钢渣沥青混凝土路面混合料的生产与铺筑工艺，力图推广钢渣的应 用范围，提高应用水平。 主要包括钢渣的化学成分分析，物理力学性能测定，结构的变化以及水化性 能的影响；以及钢渣s m a 沥青混合料的体积性能分析，路用性能分析；试验路 的使用性能以及性能衰减的变化情况。图2 - 1 反应的是本文的总体研究与设计思 想。 钢渣源 翌兰竺兰：竺! - 钢渣 材料性能检测 ( 级配 榆 标 凋 兰兰兰竺- 钢渣沥青 料 钢渣沥青路面铺筑一试验段 通过检测 图2 - 1 总体研究路线 ( 1 ) 原材料的性能试验研究 按照现行沥青混凝土集料的试验方法，对钢渣作为集料进行试验研究，研究 包括集料的物理性能以及微观形貌、化学组成、孔分析等，提出钢渣作为沥青路 i 丽集翱的试验和评价方法。 ( 2 ) 钢渣沥青混合料性能试验 对不同结构层的沥青混合料配合比设计、试验，研究其体积性能与路用性能， j 进行钢渣洳青混合料活性试验 ( 3 ) 钢渣s m a 试验路 铺筑试验段研究施l 技术，提出施【建议，对试验段路面进行跟踪观测研 贺、 0 胎f l i