細集料對鋼渣瀝青混合料粘附性的影響研究*

葉　勇　周新星　劉全濤

(廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心1)　廣州　510100)　(武漢理工大學硅酸鹽中心2)　武漢　430070)

細集料對鋼渣瀝青混合料粘附性的影響研究*

葉勇1)周新星2)劉全濤2)

(廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心1)廣州510100)(武漢理工大學硅酸鹽中心2)武漢430070)

摘要：細集料是瀝青混合料的主要組成材料，對混合料的粘附性能影響極大.采用三維景深顯微鏡、掃描電鏡和分子模擬技術(shù)分析細集料微觀形貌對鋼渣瀝青混合料粘附性能的影響；提出了一套以微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎的瀝青混合料粘附性的評價方法.結(jié)果表明，粗糙度和分形維數(shù)與混合料粘附性呈正比，細集料的粗糙度、接觸角和界面粘附能夠很好地描述鋼渣瀝青混合料的粘附性.

關(guān)鍵詞：細集料；鋼渣；瀝青混合料；粘附性

0引言

鋼渣是煉鋼過程中排出的廢渣，可分為轉(zhuǎn)爐渣、平爐渣和電爐渣，是冶金行業(yè)的主要固體廢棄物.據(jù)不完全統(tǒng)計，2014年我國鋼渣累積堆存近10億噸，綜合利用率僅10%[1].如何高效地對鋼渣進行綠色發(fā)展和資源化的循環(huán)利用已成為國內(nèi)外重點關(guān)注的問題.鋼渣可作為一種特殊集料類型應用于瀝青混合料；同時也可粉磨成鋼渣微粉代替水泥.鋼渣瀝青混合料是由粗集料、細集料、填料和瀝青組成的一種復合材料.這些組成由于性能各異，可形成結(jié)構(gòu)不同的瀝青混合料，使瀝青混合料表現(xiàn)出不同的特性.集料作為瀝青混合料的主要組成部分，其表面構(gòu)造和棱角性對鋼渣瀝青混合料粘附性的貢獻突出，特別是細集料的貢獻更大.細集料在瀝青混合料中不僅起著骨架形成作用，還起著孔隙填充作用[2].因此，非常有必要對細集料對鋼渣瀝青混合料粘附性的影響進行研究.國內(nèi)外眾多研究表明，瀝青混合料的粘附性評價指標主要包括：接觸角、粘附力、粘附功、表面能、吸附量和穩(wěn)定度[3-4]；而粘附失效機制則主要包括：粘聚失效和粘附失效[5].粘聚失效是指瀝青混合料中瀝青內(nèi)部發(fā)生的破壞失效，較易發(fā)生在瀝青性能發(fā)生嚴重惡化的混合料中，如紫外老化混合料；粘附失效是指瀝青混合料中瀝青和集料之間的破壞失效，較易發(fā)生在瀝青-集料界面粘附力弱的混合料中，如水損害瀝青混合料，集料表面含泥量較多的瀝青混合料.目前有關(guān)細集料對瀝青混合料的影響研究主要集中在細集料的幾何特性和混合料的力學性能.韓海峰等[6]借助棱角性評價了細集料對瀝青混合料水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性等基本性能的影響，認為棱角性不能單獨作為評價細集料對瀝青混合料性能影響的指標.陳璟和王大慶等[7-9]基于AC-13混合料研究了細集料幾何特性對混合料路用性能的影響.粘附性的研究則主要集中在瀝青-集料、瀝青-礦料、膠漿-集料界面粘附性的研究[10-13]，未能就細集料的組成和表面形貌對瀝青混合料粘附性的影響進行研究.針對上述情況，本文采用三維景深顯微鏡、掃描電鏡和分子模擬技術(shù)相結(jié)合，對細集料微觀形貌分析系統(tǒng)，定量表征細集料組成和微觀結(jié)構(gòu)對瀝青混合料粘附性的影響，利用統(tǒng)計學方法探討細集料微觀結(jié)構(gòu)各指標與鋼渣瀝青混合料粘附性的相關(guān)程度和相關(guān)函數(shù).

1原材料與實驗

粗集料(4.75～16 mm)選用鋼渣；細集料(0～4.75 mm)分別采用1#鋼渣、2#玄武巖和3#石灰?guī)r3種不同細集料；瀝青為SBS改性瀝青(PG76-22)，25 ℃針入度為56 0.1 mm，軟化點為82 ℃.為保證實驗結(jié)果的可比性，級配設計均采用AC-13C，具體見表1.油石比為5.4%.細集料棱角性測試參照T0344-2000，瀝青飽和度實驗參照JTG F40-2004，馬歇爾穩(wěn)定度測試參照T0709-2011.

表1　AC-13C級配組成

由于在瀝青混合料中對粘附性起主導作用的是細集料與瀝青之間的粘附，因此研究細集料對鋼渣瀝青混合料粘附性的影響需要分別構(gòu)建瀝青-鋼渣、瀝青-玄武巖和瀝青-石灰?guī)r模型.本文通過Layer層狀功能構(gòu)造瀝青-集料模型，瀝青的分子模型參照Zhou[14]，鋼渣集料選用CaO·SiO2，玄武巖選用SiO2，石灰?guī)r選用CaCO3.先利用正則系綜(NVT)速度標定方法運行100ps以平衡體系能量的劇烈波動，再利用分子動力學能量分析模塊計算各體系能量，最后根據(jù)界面粘附能定義計算界面粘附能.

2結(jié)果與討論

2.1細集料棱角性對混合料粘附性的影響

細集料棱角性是指小于2.36 mm集料的未壓實空隙率.一般認為細集料棱角性越大，破碎面就越多，細集料表面就越粗糙，粘附性越強.見表2，1#鋼渣、2#玄武巖、3#石灰?guī)r其棱角性分別為51%，48%和43%；3種不同細集料組成的瀝青混合料其瀝青飽和度分別為49%，56%和58%，表明1#鋼渣細集料對瀝青的吸附能力最好，瀝青混合料的粘附性最強；其次是2#玄武巖細集料，由其組成的瀝青混合料粘附性劣于鋼渣瀝青混合料；3#石灰?guī)r細集料對瀝青的吸附能力最差，由石灰?guī)r細集料組成的瀝青混合料其粘附性最弱.由上述結(jié)果可知，細集料棱角性越好由其組成的瀝青混合料粘附性也越好，兩者之間存在一定的正比例關(guān)系.

表2　細集料棱角性和混合料中瀝青飽和度　%

2.2細集料微觀形貌對混合料粘附性的影響

細集料微觀形貌(見圖1)的表征主要包括粗糙度參數(shù)和分形參數(shù).眾多的表征參數(shù)中借助三維表面形貌3D等高圖描述細集料微觀形貌具有更為直觀的可信度.由圖1可知，鋼渣細集料表面粗糙度較大，最大值達到374 μm；玄武巖細集料表面粗糙度其次，最大值達到282 μm；石灰?guī)r細集料表面粗糙度最小，最大值才263 μm.利用儀器自帶軟件功能和MATLAB計算細集料分析維數(shù)，結(jié)果表明：1#鋼渣細集料、2#玄武巖細集料、3#石灰?guī)r細集料平均分形維數(shù)分別為1.9，1.6和1.5，取樣間距為1 000.其中分形維數(shù)D采用結(jié)構(gòu)函數(shù)法計算.

(1)

式中：α為采用最小二乘法擬合輪廓線與取樣長度兩種之間曲線的斜率.

圖1　細集料微觀形貌

瀝青混合料的粘附性的表征方法包括接觸角、粘附功、微觀形貌等，其中微觀形貌(見圖2)具有形象、直觀等特點，是一種較為便捷的粘附性表征手段.由圖2可知，1#鋼渣細集料組成的鋼渣瀝青混合料表面瀝青較多，集料表面大多被瀝青所包裹，粘附性較好；2#玄武巖細集料組成的鋼渣瀝青混合料表面瀝青呈團狀，集料表面瀝青含量其次，粘附性較1#鋼渣瀝青混合料粘附性稍差；3#石灰?guī)r細集料組成的鋼渣瀝青混合料表面基本由片狀集料組成，瀝青含量很少，粘附性較差.結(jié)合細集料粗糙度和分形參數(shù)可知，粗糙度越大，分形維數(shù)越大，鋼渣瀝青混合料的粘附性越好；粗糙度和分形維數(shù)與混合料粘附性呈正比.

圖2　混合料微觀形貌

2.3細集料接觸角對混合料粘附性的影響

接觸角是指氣體-液體的切線與液體-固體交界線之間的夾角，可用來評價物質(zhì)粘附性的好壞.選用鋼渣、玄武巖、石灰?guī)r3種細集料磨平后的表面與蒸餾水做接觸角實驗，結(jié)果見表3.石灰?guī)r與蒸餾水的接觸角最大(56°)，其次是玄武巖與水的接觸角(53°)，鋼渣與水的接觸角最小(39°)，表明鋼渣細集料的粘附性最好，玄武巖細集料的粘附性其次，石灰?guī)r細集料的粘附性最差.馬歇爾穩(wěn)定度是指瀝青混合料在規(guī)定溫度和濕度條件下抵抗外加壓力的能力，單位為kN.由表3可知，1#，2#，3#鋼渣瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度依次減弱，對比接觸角和馬歇爾穩(wěn)定度實驗數(shù)據(jù)可知，細集料接觸角與鋼渣瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度存在反比例關(guān)系，接觸角越大，馬歇爾穩(wěn)定度越小.

表3　細集料接觸角和混合料馬歇爾穩(wěn)定度

2.4細集料-瀝青分子模型對鋼渣瀝青混合料粘附性的影響

分子模擬技術(shù)是一種利用計算機軟件模擬實驗，研究材料在特定溫度和壓力條件下性能變化的方法.圖3分別列示了瀝青-鋼渣分子模型、瀝青-玄武巖分子模型和瀝青-石灰?guī)r分子模型.在分子模型中，上面層為瀝青模型，中間層為瀝青-集料界面，下面層為集料模型.利用分子模擬技術(shù)研究瀝青混合料的粘附性具有動態(tài)、直觀、定量化的特點.

圖3　分子模型

界面粘附能是用來衡量瀝青與集料表面的相互作用力，是評價粘附性的重要參數(shù)之一，見表4.通過計算3種不同集料與瀝青界面粘附能分析細集料對鋼渣瀝青混合料粘附性的影響.瀝青-集料界面粘附能計算公式如下.

(2)

式中：E瀝青為瀝青表面能；E表面為集料表面能；E總為瀝青-集料混合體系總內(nèi)能.由表4可知，瀝青和鋼渣界面粘附能最大，為83 972.797 kJ·mol-1；瀝青和玄武巖界面粘附能其次，為-17 689.070 kJ·mol-1；瀝青和石灰?guī)r界面粘附能最小，為-18 666.517 kJ·mol-1.界面粘附能結(jié)果表明，不同細集料與瀝青粘附能相差較大，細集料對鋼渣瀝青混合料界面粘附能具有重要影響，特別是在細集料與粗集料不同的瀝青混合料體系當中.

表4　瀝青-集料界面粘附能　kJ·mol-1

2.5細集料粘附性的相關(guān)性檢驗

相關(guān)性檢驗是用來驗證2個或2個以上相互關(guān)聯(lián)指標之間的相關(guān)性.變量之間可以存在線性相關(guān)，也可以存在非線性相關(guān)，還可以存在隱性相關(guān)(即存在弱相關(guān)或不存在相關(guān)性).表5為粘附性參數(shù)的相關(guān)性檢驗.由表5可知，棱角性與瀝青飽和度、粗糙度、分形維數(shù)、接觸角、穩(wěn)定度、粘附性存在非線性相關(guān)；瀝青飽和度與粗糙度、分形維數(shù)、接觸角、穩(wěn)定度、粘附性存在線性相關(guān)；粗糙度與分形維數(shù)、接觸角、穩(wěn)定度、粘附性也存在線性相關(guān)；分形維數(shù)與接觸角、穩(wěn)定度存在線性相關(guān)，與粘附性存在非線性相關(guān)；接觸角與穩(wěn)定度、粘附性存在線性相關(guān)；穩(wěn)定度與粘附性同樣存在線性相關(guān)；且各相關(guān)性檢驗中相關(guān)性指數(shù)R2≥95%.同時，相關(guān)性檢驗結(jié)果表明，粘附性參數(shù)可以用瀝青飽和度、粗糙度、接觸角、穩(wěn)定度等線性表示，細集料的部分參數(shù)可以很好地描述瀝青混合料的粘附性，且具有很強的科學依據(jù).

表5　粘附性參數(shù)的相關(guān)性檢驗

3結(jié)論

采用三維景深顯微鏡、掃描電鏡和分子模擬等技術(shù)相結(jié)合的方法對細集料的組成和微觀形貌進行分析，得出以下結(jié)論.

1) 細集料棱角性越好，混合料粘附性越強，棱角性與混合料粘附性呈正比，與瀝青飽和度呈反比；粗糙度越大，分形維數(shù)越大，鋼渣瀝青混合料的粘附性越好；粗糙度和分形維數(shù)與混合料粘附性呈正比；接觸角越大，馬歇爾穩(wěn)定度越小，接觸角與混合料粘附性呈反比.

2) 不同細集料與瀝青粘附能相差較大，細集料對鋼渣瀝青混合料界面粘附能具有重要影響，特別是在細集料與粗集料不同的瀝青混合料體系當中.

3) 粘附性參數(shù)可以用瀝青飽和度、粗糙度、接觸角、穩(wěn)定度線性表示，細集料的部分參數(shù)可以很好地描述瀝青混合料的粘附性，且具有很強的科學依據(jù).

參 考 文 獻

[1]李景.全國目前鋼渣累積堆存近10億噸綜合利用率僅為10%[N/OL]中國經(jīng)濟網(wǎng),經(jīng)濟日報,2014.

[2]王大慶.細集料幾何特征參數(shù)的表征及對瀝青混合料性能影響研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2013.

[3]LYTTON R L, MASAD E A, ZOLLINGER C, et al. Measurements of surface energy and its relationship to moisture damage[J]. Transportation Research Board,2005(48):208-216.

[4]ZOLLINGER C J. Application of surface energy measurements to evaluate moisture susceptibility of asphalt and aggregates[D]. Texas: Texas A&M University;2005.

[5]MO L T, HUURMAN M, WU SP, MOLENAAR A. Ravelling investigation of porous asphalt concrete based on fatigue characteristics of bitumen-stone adhesion and mortar[J]. Materials and Design,2009,30(1):170-179.

[6]韓海峰,呂偉民.細集料棱角性對瀝青混合料性能的影響[J].同濟大學學報(自然科學版),2002(3):302-306.

[7]張冬冬.瀝青混合料集料幾何特性研究[D].西安：長安大學,2010.

[8]彭波.瀝青混合料集料幾何特性與結(jié)構(gòu)研究[D].西安：長安大學,2008.

[9]謝兆星.集料特性對瀝青混合料性能影響研究[D].西安：長安大學,2006.

[10]王元元.表面能在評價瀝青與集料粘附性中的應用研究[D].重慶：重慶交通大學,2012.

[11]王勇.基于表面能理論的瀝青與集料粘附性研究[D].長沙：湖南大學,2010.

[12]肖月.瀝青混合料中膠漿—集料粘結(jié)性及力學性能研究[D].武漢：武漢理工大學,2008.

[13]肖慶一,郝培文,徐鷗明,等.瀝青與礦料粘附性的測定方法[J].長安大學學報(自然科學版),2007(1):19-22.

[14]ZHOU X, WU S, LIU G, et al. Molecular simulations and experimental evaluation on the curing of epoxy bitumen[J]. Materials and Structures,2016,49:241-247.

Effect of Fine Aggregates on the Adhesive Properties of Steel Slag Based Asphalt Mixtures

YE Yong1)ZHOU Xinxing2)LIU Quantao3)

(GuangdongNanyueTransportationJieyang-HuilaiHighwayManagementCenter,Jieyang515325,China)1)(StateKeyLaboratoryofSilicateMaterialsforArchitectures,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)2)

Abstract：Fine aggregates are the major components of asphalt mixtures, which are very important to the adhesive properties of mixtures. Three-dimensional field microscope, scanning electron microscope and molecular simulation are used to evaluate the effects of morphology of fine aggregates on the adhesive properties of steel slag asphalt mixtures. Moreover, a microstructure based method is proposed to evaluate the adhesive property of the mixtures. It is found that the bigger the roughness and fractal dimension are, the better the adhesive properties of mixtures is. The roughness, contact angle and interface adhesive energy can well and scientifically describe the difference of the adhesive properties of asphalt mixtures.

Key words：fine aggregates; steel slag; asphalt mixtures; adhesive properties

收稿日期：2016-04-01

中圖法分類號：TU528.42

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.006

葉勇(1973- )：男，碩士，高級工程師，主要研究領域為公路工程技術(shù)

*國家自然科學基金項目資助(51508433)