基于多维尺度分析的钢渣沥青混凝土水化膨胀损伤机理及体积稳定化改性研究

Steel slag is a by-product of the steel industry and can be used potentially as a sustainable construction material in asphalt mixture. It will be beneficial for solving the problem of lack of natural aggregate and reuse of steel slag, this waste material. This technology has good prospects of promotion because of significant economic social and enviromental benefits. However, the theoretical research on micro-mechanism, evaluation method and inhibition of volume expansion of steel slag asphalt concrete isn't deep and thorough, it restricts the development and progress of this technology. Therefore, how to control the hydration expansion of steel slag asphalt concrete in order to keep the pavment durable is a crucial scientific problem to be solved. In this research, the relationships between expansion mechanism of steel slag and expansion behavior of steel slag asphalt concrete from micro-scale and macro-scale is established. The development of expansion damage of steel slag asphalt concrete is expored based on the numerical modeling and experimental results. The influence of steel slag expansion on structure and performance of steel slag asphalt concrete is investigated by CT scan technology. Finaly, the effective volume expansion inhibition of steel slag are figured out based on the change of expansion phase, stability and mechanical propertiy of steel slag disposed with several methods. micro-mechanism and evaluation test method of steel slag expansion. This study can provide a theoretical basis and technological reserve for steel slag application in road construction.

将炼钢的副产品钢渣用于替代道路工程建设所需的土石材料，不仅可以解决天然石料匮乏的问题、节约自然资源和生产能耗，同时也可对钢渣进行资源化综合利用，具有良好的经济、社会和环境效益。由于针对钢渣沥青混凝土的水化膨胀机理、膨胀评价方法和体积膨胀抑制措施尚未进行系统深入地研究，这成为制约钢渣作为集料大规模、低能耗用于沥青路面的技术瓶颈。因此如何控制钢渣沥青混凝土的水化膨胀，使其不影响沥青路面的耐久性成为了道路工程领域亟待解决的关键科学问题。本课题从微观、细观到宏观多尺度研究钢渣膨胀的微观机理与钢渣沥青混凝土宏观膨胀行为之间的联系，揭示钢渣膨胀对于钢渣沥青混凝土损伤的发展规律，以及对于钢渣沥青混凝土内部结构和路用性能的影响。通过评价不同处理方法对钢渣膨胀相消除程度、钢渣安定性和钢渣力学特性的影响，确定道路工程用钢渣的最佳稳定化改性方法。为钢渣在道路工程中的大规模、高效利用提供理论依据和技术储备。

钢渣是一种常见的工业废渣，其环保处理和资源化利用是当今世界上最热门的研究热点之一。钢渣与轧制的碎石在物理、力学等方面性能都比较接近，在沥青混凝土中的应用技术将使钢渣资源有望得到大量合理的利用，这也将是资源化钢渣的新突破点。钢渣因含有体积活性物质，需采用适当方法改善其体积稳定性后方可使用，由于目前针对钢渣沥青混凝土的水化膨胀机理、膨胀评价方法和体积膨胀抑制措施尚未进行系统深入地研究，这成为制约钢渣作为集料大规模、低能耗用于沥青路面的技术瓶颈。基于以上背景，本文围绕钢渣体积稳定开展了以下研究工作：首先，通过钢渣矿物相变化揭示了陈化反应机理，并采用扫描电镜、电子探针等现代测试设备表征了陈化钢渣的理化特性，发现陈化的实质是钢渣表面游离氧化钙和硅酸盐矿物(硅酸二钙、硅酸三钙)共同碳化的过程，生成的CaCO3晶体对钢渣表面孔隙进行部分填充，硅酸盐矿物的胶凝作用使CaCO3颗粒固化形成产物层。其次，基于理化特性明确了钢渣集料性能衰减机理，并开展了钢渣集料性能可控性研究。采用基于硅橡胶乳液的水性疏水涂料对钢渣集料进行表面改性，经过试验验证，制备的疏水材料具有较好的疏水性、流动性、粘附性、渗透性，能够较好的对钢渣进行改性。通过浸泡的方式对钢渣进行表面处理，在室温条件下固化后，在钢渣表面形成致密的疏水膜，阻止钢渣与水接触，从而达到抑制钢渣体积膨胀的目的。最后，采用改性钢渣代替天然粗集料制备AC-13沥青混合料，并评价其水稳定性能，结果表明，与普通钢渣沥青混合料相比，改性钢渣沥青混合料体积稳定性、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验均获得较大提升，且满足规范要求。