论文总字数：16641字

摘 要

我国钢渣堆存量大，有效利用率不足。现有研究主要集中于将钢渣作为粗细集料用于沥青混合料中，缺乏钢渣粉的有效利用途径。钢渣粉作为一种高碱性矿渣填料，可作为无机抗剥落剂应用于沥青混合料中提高沥青-集料间的粘附性。OGFC（Open Graded Friction Course）透水沥青混凝土能够降低地面积水，但对沥青-集料粘附性要求较高。本文将钢渣粉部分替代石灰石矿粉掺入沥青混合料中，对OGFC沥青混凝土的水稳定性进行试验研究，分析钢渣粉在OGFC沥青混凝土的应用可行性。

本文通过文献调研，通过对国内外钢渣利用现状，OGFC沥青混凝土等相关研究进展等进行一系列了解调研。分析钢渣粉和石灰石矿粉如微观形貌、化学组成、粒度分布等物理化学性质，探讨了进行OGFC沥青混凝土的可行性设计方法，分析了钢渣粉对于OGFC沥青混凝土水稳定性能的改善机理。

本文研究表明，钢渣粉可以作为OGFC沥青混凝土无机剥落剂来提升OGFC的水稳定性。

关键词： 钢渣粉，OGFC沥青混凝土，水稳定性

Abstract

The stock of steel slag pile in our country is large, and the effective utilization rate is insufficient. The existing research is mainly focused on using steel slag as coarse and fine aggregate in asphalt mixture, and there is a lack of effective utilization of steel slag powder. As a kind of high alkaline slag filler, steel slag powder can be used as inorganic anti-stripping agent in asphalt mixture to improve the adhesion between asphalt and aggregate. OGFC permeable asphalt concrete can reduce the accumulation of water on the ground, but it has higher requirements for asphalt-aggregate adhesion. In this paper, steel slag powder is partly mixed into asphalt mixture instead of limestone powder, the water stability of OGFC asphalt concrete is studied, and the application feasibility of steel slag powder in OGFC asphalt concrete is analyzed.

In this paper, through literature research, through the utilization of steel slag at home and abroad, OGFC asphalt concrete and other related research progress to conduct a series of understanding and research. The physical and chemical properties of steel slag powder and limestone powder such as micro-morphology, chemical composition and particle size distribution are analyzed, the feasible design method of OGFC asphalt concrete is discussed, and the mechanism of improving the water stability of OGFC asphalt concrete by steel slag powder is analyzed.

The study in this paper shows that steel slag powder can be used as inorganic stripping agent for OGFC asphalt concrete to improve the water stability of OGFC.

Key Words: Steel slag powder, OGFC asphalt concrete, Water stability

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 2

1.1 问题的提出 2

1.2 钢渣利用研究现状 3

1.3 沥青混凝土水稳定性能研究现状 4

第2章 原材料及实验方法 6

2.1 原材料 6

2.1.1 沥青 6

2.1.2 集料 7

2.1.3 填料 9

2.2 实验方法 9

2.2.1 钢渣粉的性能评价方法 9

2.2.2 水稳定性能评价方法 9

第3章 钢渣粉基本性能研究 11

3.1 化学组成 11

3.2 微观形貌 12

3.3 粒度分布 12

第4章 OGFC沥青混凝土 16

4.1 OGFC沥青混凝土组成设计方法及特点 16

4.1.1 混合料级配设计确定 16

4.1.2 最佳油石比设计确定 17

4.2 钢渣粉OGFC沥青混凝土水稳定性 18

4.3 OGFC钢渣粉沥青混凝土水稳定性改善机理 19

第5章 结论与展望 20

5.1 主要研究结论 20

5.2 展望 20

致谢 21

参考文献 22

绪 论

问题的提出

我国从20世纪70年代末开始改革开放开始，经济建设突飞猛进，取得了日新月异的骄人成绩。随着经济的巨大进步，我国的高速公路建设也开始了从无到有，从落后到先进的转变。但中国的公路建设起步较晚，到20世纪80年代才开始，整整落后西方国家整整50余年[^[1]]。我国直到2010年前后才初步建成高速公路交通骨架[^[2]]。

现阶段，水泥路面和沥青路面是我国及全世界普遍经常采用的两种公路形式。而其中90%的路面为沥青路面，沥青路面有诸多好处，如：平整度高、低噪抗滑、抗低温开裂、行车舒适，广发应用于国家重点公路和重点公共设施的建设中[^[3]]。但同时，建造公路需要大量的碎石，因此大量企业和当地政府为了短暂的经济效益而不息毁山烧林建造公路，此举与生态建设向背，同时由于，我国国情，大量的公路上面存在较多的超载货车，成为“公路杀手”造成公路寿命的急剧减少，大量公路上存在坑洼和裂缝等问题，对交通和安全造成巨大危害，为了提高公路的质量，需要大量的优质石灰岩，但是因为石灰岩为天然的有限的资源，存量较少[^[4]]。因此迫切的需要找到一种可以替代碎石的集料来保护环境[^[5]]，同时也能提高路面的使用寿命，而我国存在大量的炼钢残留物——钢渣可以替代碎石作为沥青路面集料。钢渣是高温炉在冶炼过程中金属杂质等于一些炉内杂质和助溶剂等形成的冶炼残渣。主要组成为CaSiO₃，Fe₂O₃和RO相等。而我国作为钢铁大国，每年炼制大量钢铁，也产生的过剩的钢渣，而过剩的钢铁对于环境、资源来说也是一种不小的浪费，大量钢铁堆积占用了农田，同时也污染了空气。

现阶段我国的沥青路面多采用密实型沥青路面，采用密实型沥青路面透水性能降低，路面会有积水不容易排走，当温度升高时，积水蒸发，生成水汽，阻挡视线，且在汽车行驶过程中积水使车辆操控性能降低，并生成水雾，危害较大。与传统密级配沥青混凝土相比，透水沥青路面对沥青与集料的黏附性提出了更高的要求[^[6]]。因此我国从国外引进OGFC沥青混凝土，即开级配沥青混凝土，此种混凝土即是将沥青混合料经过压实、碾压并且在混合料内部形成排水通道，将沥青混凝土面层的孔隙率控制在20%左右，以某一单一粒径碎石为主，按照嵌挤机理形成骨架-孔隙结构。OGFC沥青混凝土作为路面，具有孔隙率大的优点，能够有效降低路面积水[^[7]]。

但是残留在沥青混凝土空隙中的水或是外界自然渗透进入混凝土的水会引起水损害。水损害的原因还是因为沥青与骨料的粘附力不足，在水的侵蚀下，日积月累，是骨料与沥青分离脱落，造成路面松散，破裂，有坑洞等问题。这样的问题在全世界也是一个难题，绝非我国所独有[^[8]]。由此可知，水损害的解决要素关键在于两个方面，一个是减少水分的进入，另一个是提高沥青与骨料的粘结力。而钢渣由于其自身的物理化学特性可以左右碱性矿渣填料，能提高沥青混合料之间的黏附性。本文即研究钢渣对于沥青混凝土的水稳定性能的影响。

钢渣利用研究现状

因为道路建设需要大量的优质天然矿石，而又由于优质矿石是不可再生资源，本身稀少，肆意开采也对环境等有巨大的危害。最好的办法就是应用钢渣等工业固体废料到沥青混凝土中去。在国外早于20世纪70年代就已经开始了对钢渣回收和利用的研究，如美国、日本等一众发达国家[^[9]]在回炉炼钢、道路建设、土壤改良等诸多方面都取得了一定的成效。而大部分钢渣的回收利用都用于道路建设中去，尤其是西方国家，如德国在1998年便将97%的钢渣用于道路建设的集料、土方结构中。英国也将98%的钢渣重新利用在沥青混凝土中做集料，整个人欧洲大概有39%~62%的钢渣用作道路集料中。在20世纪的今天，西方和日本等发达国家的钢渣利用率几乎达到了100%。但是我国的钢渣利用率仅仅只有22%左右，还有很长的陆续要继续走下去，还有很大的差距[^[10]]。通过庞良才[^[11]]等人的搜索和汇总可以得知，我国现有的钢渣处理技术有热闷法、热泼法、水淬法、风淬法[^[12]]等，而其中数热闷法因能够将高温钢渣在水冷作用下粉碎，粉化将铁单质回收，又能够将其中的f-CaO和f-MgO大部分消解，得到的钢渣体积稳定性也比较好等诸多特点而得到众多钢铁企业的推广。但是我国的不同地区的不同钢铁企业的钢渣又有诸多不同，如表 1‑1所示。

表 1‑1国内部分钢铁企业的钢渣化学成分组成（%）

我国钢渣的综合利用主要集中的建筑方面如道路材料、水泥熟料辅料等。如西安建筑科技大学的徐帅[^[13]]选用4.75mm-9.5mm的钢渣作为沥青混凝土的集料制备处透水系数优良的透水沥青混凝土，并对钢渣的体积安定性隐患做出预处理。而国外如PRAVEEN MATHEW等[^[14]]将钢渣作为路面混凝土的集料来代替部分天然的粗骨料，研究对混凝土的抗压和抗弯、抗拉强度等的影响，得出抗压强度、抗弯强度和抗拉强度都随着钢渣的增加而降低的结论。武汉理工大学刘仁南等[^[15]]用钢渣替代氧化铁烧成水泥原料，在降低了生料烧成温度的情况下成产出符合国家性能要求的PC42.5水泥。武汉理工大学赵刚[^[16]]研究得出钢渣粉表面粗糙为高碱度矿渣填料，有助于填料与沥青之间的粘结，也能提升沥青混凝土的抗裂性能。根据谢君的研究表明钢渣表面多空比表面积较大透水性能较好。

除了上述的钢渣作为建筑方面的应用，在炼钢方面，磁选后的钢渣中含有大量的铁元素和磁性铁氧化物，可直接返回高炉冶炼成钢，可大大节约石灰量，缩短钢渣结渣时间，改善熔渣流动性。在金属提炼方面，钢渣中含有大量的铬、钒、锰等多种有价金属成分，对这些钢渣中的矿物进行有效提炼，可以减少我国对稀有矿产的开采，保护环境。而且，钢渣可以被用来制作微晶玻璃和陶瓷。不仅如此，钢渣还可以用于农业方面的肥料生产，钢渣的碱性能改善土壤的酸化，也可以用于对于Cu² 等重金属离子的吸附和过滤。

沥青混凝土水稳定性能研究现状

水稳定性是破坏沥青混凝土的最为常见的破坏现像，这种破坏原因复杂，孔隙率和材料性质以及粘附程度都会对水温定性能造成显著影响。沥青混凝土的水稳定性主要取决于沥青、集料和混合料的性质。根据丁庆军[^[17]]等的研究表明钢渣中所含的Ca² 、Mg² 、Fe² 、Al³ 、Mn² 等金属能提水温定性能造成显著影响。升沥青混凝土的水稳定性。Chao Li等^[11-12]研究得出钢渣作为沥青混凝土填料具有优良的抗高温变形能力，具有良好的高温流变能力，同时钢渣集料比石灰石集料具有更好的微波放热能力和自愈能力。Guanyu Tao[^[18]]的研究也表明添加过量的钢渣填料会导致沥青混凝土低温抗裂变性能的降低，最好不要超过75%。同时也有学者提出外加脱硫灰和生物质粉煤灰对沥青混凝土的性能影响，如陈居涌和Ana R. Pasandín[^[19]]等。Hveen就通过研究认为沥青与骨料的黏结性是沥青混凝土水稳定性的重要影响因素，在水的作用下，沥青和骨料的黏附以及沥青本身的内聚力会不断减弱[^[20]]。根据刘红瑛的研究[^[21]]，她采用灰关联熵分析法来分析沥青混凝土的水稳定性得出，沥青酸性对其水温定性的影响较大，可见，提升沥青混凝土的水稳定性，应尽量选用酸值较大的沥青，同时得出对于沥青和级配相同的沥青混凝土, 对其水稳定性影响最显著的是集料的碱值和集料比表面积。可知，对于不同的集料组成的沥青混凝土，应选用碱值和集料比表面积较大的集料。

原材料及实验方法

原材料

沥青

沥青是一种防水防潮、防腐的有机胶凝材料。沥青基本上分为三种：煤焦沥青、石油沥青和天然沥青。其中，煤焦沥青是提炼焦油的副产品，石油沥青是原油蒸馏后的残余物，广泛地应用于高速公路的建设。

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