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原文传递钢渣集料粒形及表面特性对沥青混凝土性能影响研究

论文题名：	钢渣集料粒形及表面特性对沥青混凝土性能影响研究
关键词：	公路建筑材料;沥青混凝土;钢渣集料;表面特性;粒形特征;水稳定性能
摘要：	我国每年公路的建养需要大量的集料，环保力度的加强和石料资源的短缺导致沥青路面建设所需集料供需矛盾突出。与此同时，我国钢渣年产生量近1亿吨，有效利用率不足30%。钢渣抗滑耐磨，利用其替代天然集料制备沥青混凝土具有很大优势。但钢渣物化特性不同于天然石料，开展钢渣集料粒形与表面特性对沥青混凝土性能影响的研究具有重要意义。　　本文首先研究了不同钢渣集料特征及其相应的表征方法，探讨了钢渣集料自然陈化规律对其粒形与表面特性的影响。其次，研究了钢渣集料的粒形和表面特征对沥青混凝土级配与沥青用量的影响，提出了不同级配类型钢渣集料沥青混凝土配合比设计优化方法。再次，从选择性吸附和表面黏附性两个角度分析了钢渣-沥青界面特性，研究了钢渣集料表面特性对其与沥青界面特性影响。最后，探讨钢渣集料粒形和表面特性对不同级配类型沥青混凝土性能的影响，提出了相应最优的钢渣集料粒形特征指数。主要结论如下：　　1）相较于天然集料，钢渣集料球形度指数和棱角性指数高约10%-20%；钢渣表面存在大量尺寸在1-50μm的孔隙结构，导致钢渣表面具有粗糙的微观纹理从而增加其对沥青的吸附能力。不同冷却处理工艺钢渣集料的球形度指数和棱角性指数有5%左右的差异，热泼钢渣微观孔隙结构尺寸大于热闷钢渣。自然陈化在降低游离氧化钙的同时也改变了钢渣集料的粒形，随陈化时间增长，其棱角性指数逐渐降低，球形度指数则先降低后升高。　　2）球形度指数更大的钢渣粗集料有利于形成更稳定的骨架结构；在棱角性指数为3200附近时，集料堆积密实程度相对最高。钢渣集料较高的球形度有利于降低沥青用量，但钢渣过高的棱角性会导致骨架间隙率增大，从而会增加沥青用量；钢渣表面丰富的开口孔隙结构也会引起沥青用量的增加，不同种钢渣集料的沥青吸收量各不相同。综合而言，热泼钢渣集料沥青混凝土的体积油石比增加10%-20%左右，而三种级配类型中骨架-空隙型的体积油石比增加最大。　　3）钢渣集料与沥青间主要发生物理吸附；钢渣集料主要吸附沥青轻质组分中的饱和分；这种选择性吸附是持续性行为，在约2个月后其选择性吸附行为引起的四组分四组分含量变化趋向减缓。集料表面微观纹理是影响其与沥青黏附性能的主要因素，钢渣集料表面粗糙的微观纹理使其与沥青的界面抗拉拔强度较高，而钢渣集料对沥青的选择性吸附则会降低其与沥青的界面抗拉拔强度，不过影响较小，钢渣-沥青界面力学性能整体高于天然集料。　　4）钢渣集料制备的悬浮-密实型、骨架-密实型和骨架-空隙型的沥青混凝土的高温抗车辙性能、水稳定性能和耐疲劳性能提升5%-10%，其提升幅度差异与钢渣集料类型和级配类型有关。钢渣集料对OGFC13和SMA13的动稳定度提升幅度高于AC13，而对OGFC13抗低温开裂及抗疲劳性能提升效果优于SMA13和AC13两种级配类型。热泼钢渣集料更丰富的表面微观纹理增强了其与沥青的黏附能力，故热泼钢渣集料对疲劳寿命提升效果优于热闷钢渣集料。钢渣集料更高的球形度和适当的棱角性（棱角性指数约为3250）是其沥青混凝土力学性能提升的主要原因；钢渣粗集料的表面特性是SMA13沥青混凝土的抗水损害性能提升的有利因素。
作者：	孔德智
专业：	材料科学与工程
导师：	陈美祝
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021