Multiscale Study on Low Temperature Crack Resistance Mechanism of Steel Slag Asphalt Mixture

The objective of this paper was to study low temperature crack resistance mechanism of steel slag asphalt mixture(SAM).Thermal stress restrained specimen test(TSRST)and three-point bending test were carried out to evaluate the low-temperature crack resistance of SAM and basalt asphalt mixture(BAM).Based on the digital image correlation technique(DIC),the strain field distribution and crack propagation of SAM were analyzed from the microscopic point of view,and a new index,crack length factor(C),was proposed to evaluate the crack resistance of the asphalt mixture.The crystal phase composition and microstructure of steel slag aggregate(SA)and basalt aggregate(BA)were studied by X-ray diffraction(XRD)and scanning electron microscopy(SEM)to explore the low-temperature crack resistance mechanism of SAM.Results show that the low-temperature crack resistance of SAM is better than that of BAM;SAM has good integrity and persistent elastic deformation,and its bending failure mode is a hysteretic quasi-brittle failure;The SA surface is evenly distributed with pores and has surface roughness.SA has the composition phase of alkaline aggregate-calcite(CaCO3),so it has good adhesion to asphalt,which reveals the mechanism of excellent low-temperature crack resistance of SAM.

High-Temperature Deformation and Low-Temperature Fracture Behavior of Steel Slag Rubber Asphalt Mixture Surface Layer

Steel slag is regarded as one of the most widespread solid by-products of steel smelting with little commercial value.It can play a vital role in the construction industry especially in the field of transportation infrastructure construction.However,there are few evaluation systems established on the high-temperature deformation and low-temperature fracture behavior of steel slag rubber asphalt mixture(SSRAM).This study explores the perfor-mance of SSRAM by uniaxial penetration test,Semi-Circular Bending(SCB)test and evaluates test data through regression analysis.The uniaxial penetration test results shows that the failure deformation of SSRAM increases with the increase of steel slag content.According to the minimum allowable permanent deformation(R TS-min),the deformation of SSRAM should be controlled within 3 mm.Meanwhile,the cracking index of the SSRAM surface layer calculated at low temperature can meet the design requirements.The SCB test results show that the stress peak degradation rate(specimens with 10 mm notch are compared with 0 mm)of SSRAM with 40%steel slag content is 20.04%.That means proper steel slag content makes the stress peak degradation rate of SSRAM reaches the lowest value.The calculation results of fracture energy density(J_(1C))show that the steel slag additive reduced the fracture energy density of SSRAM.However,it is still proved that SSRAM with 40%steel slag has the best low-temperature fracture performance based on critical fracture toughness(K_(1C))and fracture stress peak.Further-more,the crack propagation velocity parametric equation of SSRAM is proposed through fracture mechanics theory and the increase of velocity is exponential.Considering the high-temperature deformation resistance and low-temperature fracture property,the SSRAM surface layer with 40%steel slag content showed a batter application potential.

Evaluation of modification effect of epoxy resin based on performance of asphalt mixtures

Based on the analysis of the main failures discovered in pavement on steel deck plate and the demanding service condition of the pavement on steel deck, high-temperature rutting test, low-temperature bending test and controlled stress flexural fatigue test are used to study the performance of asphalt mixtures modified by epoxy resin including high-temperature stability, low-temperature cracking-resistance, and fatigue cracking-resistance, which are served to evaluate the modification effect of epoxy resin of different contents. With the addition of epoxy resin, all the three performances are improved greatly. However, when the amount of epoxy resin added is over a certain value, the modification effect will be stable with no extra benefit detected. Finally, in terms of the properties of the three respects, 20%, 30%, 30% are given separately as the proposal adding contents.

Road Performance,Thermal Conductivity,and Temperature Distribution of Steel Slag Rubber Asphalt Surface Layer

The use of steel slag,which is a by-product of the steel manufacture,in the construction of asphalt pavement would contribute to waste reduction and environment protection.Using rubber asphalt at the same time can improve the performance of asphalt mixture.This study investigates the influence of steel slag content on the road performance,thermal conductivity and outdoor temperature distribution of steel slag rubber asphalt mixtures(SSRAM),and calculates the cumulative stress in surface layer.At a certain range of concentration,the steel slag additive improved the deformation resistance and low-temperature cracking resistance of the mixtures.The SSRAM with 40%steel slag content has the best deformation resistance while SSRAM with 60%steel slag content performed well in low-temperature cracking resistance.The thermal conductivity of the SSRAM with different steel slag content(0%,20%,40%,60%,80%,and 100%)was 1.994,2.188,2.239,2.255,2.288,and 2.295 W/(m·K),respectively.Measurements of the outdoor temperature distribution further confirmed that steel slag increased the thermal conductivity of the mixtures,thereby increasing the cumulative temperature difference between the top and bottom layers.The temperature stress and temperature-stress ratio of the SSRAM with 40%steel slag were 0.43 MPa and 0.24,while the SSRAM with 100%steel slag were 0.58 MPa and 0.36.The stress and stress ratio were much higher in the SSRAM with 100%steel slag than in the specimen with 40%steel slag.Accordingly,the maximum accumulated temperature stress aggrandized and caused early temperature cracks in the surface layer.The optimum content of steel slag was 40%.

钢渣热阻沥青路面的抗车辙性能研究

为了研究钢渣替代天然集料对沥青混合料高温抗车辙性能的影响,首先,用钢渣等体积替代玄武岩粗集料制备了不同钢渣掺量沥青混合料,对其热物性参数进行了测试,并通过室内等效热辐射试验对钢渣沥青混合料降温效果进行评价;其次,采用数值模拟方法分析了不同钢渣掺量沥青路面面层对温度场分布的影响,并利用单轴静载蠕变试验获取沥青混合料蠕变参数,建立基于上述温度场的车辙分析模型,对钢渣沥青路面的抗车辙性能进行评价。结果表明,钢渣的掺入使沥青混合料的导热系数降低,比热容增大,变化幅度最大可以达到40%以上;随着钢渣掺量增大,路表温度小幅度上升,而中下面层温度逐渐降低,其中4 cm深度处降温效果最为明显;当钢渣掺量为100%时,温度相较于纯玄武岩沥青路面降低了3.4℃,而75%掺量沥青混合料钢渣的车辙变形量最小,相较于玄武岩沥青混合料下降幅度达到43%,可有效提高路面抗车辙性能。

不同钢渣掺量AC-16沥青混合料性能研究

研究将钢渣应用于道路建设中的可行性和钢渣沥青混合料性能特点,揭示混合料性能随钢渣掺量不同的变化规律。将钢渣0%、25%、50%、75%掺量代替石灰岩集料制备钢渣沥青混合料,采用高温单轴贯入试验、低温劈裂强度试验、冻融劈裂强度试验、间接拉伸疲劳试验,分别针对不同钢渣掺量下沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性与疲劳性能展开相应研究。试验结果表明,钢渣各项性能指标均满足规范要求,可以作为集料制备沥青混合料,掺加钢渣后沥青混合料各项性能均有不同程度提高。随着钢渣掺量的提高沥青混合料各项性能变化规律不同,建议钢渣掺量控制在50%左右,以达到沥青混合料综合性能最优。

改性钢渣-沥青混合料的性能及机理

采用甲基硅酸钠溶液、二氧化硅胶体溶液、聚丙烯酸酯乳液对钢渣进行浸泡改性处理,通过性能测试、扫描电子显微镜(SEM)、声发射等测试方法研究了改性钢渣的物理、力学性能,改性钢渣-沥青混合料的性能,钢渣的改性机理和改性钢渣-沥青混合料的抗裂机理。结果表明,4.75~19 mm钢渣经1%~4%浓度溶剂改性后,物理性能得到明显改善;经3%浓度溶剂改性后的钢渣制备的改性钢渣-沥青混合料的体积稳定性较未改性钢渣-沥青混合料(RSAM)提高了27.92%~39.09%;改性钢渣表面包裹着不同状态的不溶于水的改性保护层,经二氧化硅改性后的钢渣(SMS)表面呈现出致密的层状结构且保持表面粗糙,改性效果最优;二氧化硅改性钢渣-沥青混合料(SMSAM)的裂纹宽度减小,主裂纹出现的时间较晚,SMS对SMSAM的断裂破坏起到了一定的减缓作用,提高了混合料的抗开裂性能。

热拌环氧浇注式沥青混合料性能试验研究

浇注式沥青混合料密水性、协调变形能力及耐久性优,而环氧沥青混合料的强度及高温抗重载能力极为突出,为实现两种混合料的优势集成,研发了环氧浇注式沥青混合料。对3种来源的热拌环氧沥青进行环氧树脂、热拌环氧沥青力学性能及170℃黏度试验;在热拌环氧浇注式沥青混合料配合比设计基础上,开展搅拌时长为45,135 min的混合料流动性、马歇尔、贯入度、车辙、弯曲及疲劳性能试验。结果表明,3种环氧树脂和热拌环氧沥青的力学性能基本一致,170℃黏度达1 Pa·s时间在3 h以上;混合料性能随搅拌时长增加衰减较大;环氧沥青类型对除流值和极限弯拉应变外性能指标影响不显著。搅拌45 min的XB环氧浇注式沥青混合料性能最优,流动度<5 s且可施工流动性维持时间在135 min以上,马歇尔稳定度超过48 kN,动稳定度达到18945次/mm,贯入度增量仅0.1 mm,-10℃极限弯拉应变>3000με,疲劳性能指标冲击韧性达到3517 N·mm,各项性能远超常规浇注式沥青混合料,多项指标也超过环氧沥青混合料,同时成本也较低。热拌环氧浇注式沥青混合料较好兼顾了浇注式沥青混合料和热拌环氧沥青的优点,可有效提高浇注式沥青混合料高温强度,对提高我国钢桥面铺装质量及耐久性具有重要意义。

基于三维随机集料的钢渣沥青混合料微波加热和冷却过程温度模拟

为研究钢渣透水沥青混合料在微波加热和冷却过程中的温度分布以及不同材料之间的传热机理,采用钢渣集料部分替换玄武岩粗集料(4.75~9.50 mm、9.50~13.20 mm),基于三维随机集料构建沥青混合料试件的细观模型,分别模拟了普通玄武岩集料试件(PAC-B)、普通钢渣粗集料试件(PAC-US)及改性钢渣粗集料试件(PAC-MS)3种沥青混合料在连续微波加热和冷却过程的温度分布,并将数值模拟结果与室内试验相互验证。结果表明:无论是加热过程还是冷却过程,沥青砂浆的表面温度分布区域与集料表面温度分布区域均一致,且集料表面的最高温度要大于沥青砂浆的表面最高温度,说明集料吸波能力强于沥青砂浆。在冷却过程中,集料向沥青砂浆传导热量,二者之间温差不断减小。对于同一种试件,集料(2.36~4.75 mm、4.75~9.50 mm、9.50~13.20 mm)粒径在4.75~9.50 mm范围内的体积平均温度最高。加热和冷却过程中,2种钢渣集料试件PAC-US、PAC-MS温度均高于PAC-B。将非均质数值模拟结果与室内试验结果对比,二者吻合度较好,用非均质模型模拟微波加热与冷却过程温度具有可行性。

Axle-equivalent method of steel-deck pavement

An index system of steel deck pavement design is proposed according to the study and classification of failure types. Furthermore the axle-equivalent equation is presented according to the fatigue principle of pavement structures. Based on indoor experiments and theoretical analysis, this paper studies the stress characteristics of three different axle types which are corresponding with the other three typical pavement structures, and also presents the parameters of each axle＇s equivalent formula. The three axle types include single-axle single-wheel, single-axle double-wheel and double-axle double-wheel. According to analyses of influential factors such as climate, environment, traffic and stress condition, the developed axle equivalent formula and the parameters modified by the field test data can be applied in the design of a new bridge deck pavement and the assessment of an existing bridge deck pavement.

钢渣骨料多孔结构对沥青混合料低温抗裂性能的影响机制

钢渣骨料的多孔结构对沥青混合料低温抗裂性能影响的宏细观机制尚不掌握,不利于钢渣骨料沥青路面长期性能的有效保持。针对此不足,基于室内低温弯曲试验,构建了可表征钢渣骨料多孔结构的沥青混合料小梁试样精细化离散元模型,进而开展了不同的钢渣孔隙率和开口孔隙沥青填充度下的虚拟低温弯曲试验,量化分析了钢渣多孔结构对试样整体强度和细观断裂性能的影响规律及机制。试验研究结果表明:多孔钢渣骨料仅可替代粒径大于2.36 mm的粗骨料,控制钢渣加热温度并延长湿拌时间可确保沥青胶浆充分填充钢渣骨料表面孔隙;离散元数值模拟结果表明钢渣骨料表面开口孔隙附近出现应力集中,裂缝贯通钢渣开口孔隙;钢渣骨料表面孔隙率越高,则峰值应力越低,裂缝越易从开口孔隙处发育;峰值应力随钢渣骨料表面开口孔隙沥青胶浆填充度的降低而显著降低;钢渣骨料表面孔隙对沥青胶浆的吸收作用会显著影响裂缝萌生路径及混合料的低温抗裂性能,裂缝易在钢渣孔洞附近萌生,且开口孔隙无沥青填充时此裂缝扩展特征更明显;钢渣骨料表面孔隙可增强沥青-钢渣界面的黏结性能,但开口孔隙过大会导致应力集中且易萌生裂缝。在实际工程中建议控制大孔隙钢渣骨料含量,并确保沥青砂浆充分填充钢渣骨料表面孔隙,以提高其低温抗裂性能。

乙酸改性对钢渣沥青混合料性能影响及微观机理

本研究旨在探究乙酸改性对钢渣及其沥青混合料性能的影响,并分析其微观改性机制。通过使用不同浓度的乙酸溶液(5%,10%和15%)对钢渣进行处理,对比了改性后的钢渣、未改性钢渣以及玄武岩的宏微观特性。在微观层面,利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线荧光光谱(XRF)技术,揭示了改性钢渣的化学成分及其微观结构的变化;而在宏观层面,重点评估了钢渣沥青混合料的路用性能和体积膨胀性。研究结果表明,乙酸改性能有效去除钢渣表面的膨胀性物质(f-CaO和f-MgO),同时生成的醋酸钙白色粉末有助于改善混合料的级配。乙酸浓度为5%和10%时,不能充分反应完钢渣表面物质。乙酸浓度为15%时,改性后钢渣与沥青之间仍保持良好的粘附性,钢渣沥青混合料的体积膨胀率降至0.3%,相比于未改性钢渣高温、水稳及疲劳特性得到了显著提升。

钢渣磨细粉对沥青胶浆及混合料性能的影响

为探究钢渣磨细粉(SSFP)对沥青胶浆及其混合料性能的影响,使用粒径小于5 mm的钢渣制备SSFP。以石灰岩矿粉(LP)作为对照,对不同粉胶比(F/A)下SSFP沥青胶浆的性能进行了分析和评价,并探究了SSFP对沥青混合料性能的影响。结果表明:相较于LP,SSFP对沥青胶浆及混合料的高、低温及疲劳性能均有所提升,其中低温性能提升幅度最大,SSFP沥青胶浆的蠕变劲度模量提升了190.57%,SSFP沥青混合料的低温弯曲破坏应变提升了9.93%;增大F/A可提升沥青胶浆的高温性能,但会损伤其疲劳性能和低温性能;SSFP应用于沥青混合料中具备较强的可行性和推广价值。

掺钢渣沥青混合料体积膨胀性研究

钢渣作为中国存量较大的工业固体废弃物,目前对其利用率仅为30%,限制钢渣大规模资源化利用的主要原因在于钢渣所含的非稳定性物质在富水条件下易发生水化反应,造成钢渣体积膨胀。通过采用直线位移传感器(linear variable displacement transducer, LVDT)测试法对掺钢渣沥青混合料小梁试件膨胀率进行测定,探究钢渣掺配比例、混合料油石比以及掺入钢渣粒径对混合料膨胀率大小的影响。结果表明:混合料中钢渣掺入不超过50%,混合料实际油石比在最佳油石比基础上提高1.5%,且使用大粒径钢渣,能更有效控制混合料膨胀率。此外,钢渣中的活性物质不断进行水化反应,将导致局部膨胀和集料剥落等损害发生。

碳化钢渣对沥青混合料高温稳定性的影响研究

为了研究碳化钢渣对沥青混合料高温稳定性的影响,对粒径为5~10 mm与3~5 mm的钢渣粗集料进行碳化,与以未碳化钢渣制备的AC-10钢渣沥青混合料进行膨胀性与路用性能对比。研究结果表明:当碳化时间达到6 h,2档钢渣集料的f-CaO含量均低于3.0%,最大降幅达到了51.4%,并且碳化钢渣集料从光滑的界面向复杂致密的界面演变。碳化钢渣提高了钢渣混合料和钢渣沥青混合料的高温稳定性。基于综合性能判断,建议将6 h设置为最佳碳化时间。

基于灰靶决策模型的改性钢渣-沥青混合料路用性能评价

针对钢渣体积稳定性差、钢渣-沥青混合料道路过早开裂的问题,采用二氧化硅胶体溶液对钢渣进行浸泡改性处理,通过力学性能测试、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)检测、路用性能测试等方法研究了改性钢渣的物理力学性能、改性钢渣-沥青混合料的性能和钢渣的改性机理,并引入灰靶理论决策方法,综合改性钢渣-沥青混合料的各项性能指标,确定钢渣的最佳改性方案。结果表明:钢渣改性后,物理力学性能明显提高;钢渣的改性浓度越大,沥青混合料的高温性能越佳;延长钢渣的改性时间,沥青混合料的低温抗裂性能提高;且钢渣改性之后,沥青混合料的水稳定性能显著提高。基于灰靶决策理论,最终确定钢渣的最佳改性方案是在改性浓度(溶液质量分数)为3%的溶液下浸泡24 h。

橡胶改性沥青与SBS改性沥青对钢渣沥青混合料路用性能的影响对比

通过对比橡胶改性沥青与SBS改性沥青作为钢渣沥青混合料的胶结材料的性能差异,分析了不同改性沥青对钢渣沥青混合料路用性能的影响。实验采用沥青基础性能实验、车辙试验、马歇尔试验、冻融劈裂试验、肯塔堡浸水飞散实验、低温弯曲试验和体积安定性试验等方法,全面评估了两种改性沥青钢渣混合料的性能。结果显示,橡胶改性沥青钢渣混合料在低温抗裂性、高温稳定性、水稳定性和体积安定性方面相较于传统SBS改性沥青混合料有显著改善,且减少了沥青用量。同时,橡胶改性沥青混合料在提高钢渣路面疲劳寿命方面也表现出较好效果。

钢渣再生沥青混合料路用性能及抗滑性能研究

沥青路面回收料(reclaimed asphalt pavement,RAP)的再利用可以减少天然集料的消耗、降低环境污染,但高RAP掺量的再生沥青混合料(recycled asphalt mixture,RAM)存在着路用性能不足的问题,需要提高RAP的利用效果和质量。文中采用RAP和钢渣集料取代天然集料,以环氧沥青作为胶结料,制备钢渣RAM。设计不同RAP掺量的RAM,在最佳油石比条件下,对RAM的体积性能、力学性能、抗水损害性能、高温抗车辙性能及抗滑性能进行研究。对比研究不同RAP掺量、不同固化温度及时间下,RAM的路用性能变化规律。结果表明,钢渣集料和环氧沥青胶结料有利于提高RAM的力学性能、抗水损害性能,并显著提高抗车辙性能。在120℃下保温5 d后,RAM-40比RAM-100的马歇尔稳定度高30.2%,3种RAM的动稳定度均超过8000次/mm。

钢渣集料-沥青界面的水稳定性

为研究水长期作用对钢渣集料-沥青界面行为特性影响及相关机理,采用原子力显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜以及浸水马歇尔试验、车辙试验等从宏、微观角度进行分析。研究结果表明:水长期侵蚀改变了钢渣表面化学特性,使得钢渣表面粗糙度、表面积及黏附力增大;相比石灰岩沥青混合料,钢渣沥青混合料的残留稳定度和动稳定度具有可成长性,但热闷钢渣和冷弃陈渣膨胀性不同,冷弃陈渣沥青混合料膨胀量大于热闷钢渣沥青混合料,在应用过程中应注意区别对待;冷弃陈渣集料中f-CaO消解速度慢,造成试件后期体积膨胀过大,加剧了试件表面微裂缝产生,致使冷弃陈渣沥青混合料冻融劈裂强度后期较差。

钢渣沥青混合料微波加热融冰性能研究

制备了钢渣掺量分别为0、50%、75%、100%的沥青混合料试件,进行沥青混合料的微波加热试验,研究沥青混合料的微波加热性能;并基于COMSOL模拟微波加热沥青混合料的融冰性能。结果表明:不同钢渣掺量沥青混合料的升温速率提高范围在30%~50%内,钢渣掺量100%的沥青混合料的微波加热均匀性最好,钢渣掺量50%的沥青混合料冰表面温度上升速率是未掺钢渣混合料的1.44倍,钢渣的掺入提高了微波加热沥青混合料的升温速率、最终温度、均匀性和融冰性能。