鋼渣粉性能表征及其對瀝青膠漿低溫流變性能影響研究

彭 柳

(武漢中和工程技術有限公司,湖北 武漢 430080)

瀝青混凝土是用瀝青膠結料與礦質混合料經過充分拌合形成的一種復合材料。其中礦質材料占到瀝青混凝土總量的90-95%[1]。因此瀝青路面建設需要消耗大量的天然礦質原材料,如石灰石、玄武巖等[2]。為了緩解道路建設對天然石料的消耗,目前國內外學者將工業廢棄物鋼渣替代天然集料用于制備瀝青混凝土。鋼渣是煉鋼過程中產生的一種固體廢棄物,其產量約為粗鋼產量的8%-15%[3]。它主要包括金屬爐料中各元素被氧化后生成的氧化物,被侵蝕的爐襯料、補爐材料以及金屬爐料帶入的雜質和為了調整鋼渣性質而特意加入的造渣材料[3]。起初人們并未意識到鋼渣的潛在利用價值,而是將其當作廢棄物隨意堆放,大量鋼渣長期堆放不僅造成了嚴重的水體污染、土壤硬化等環境危害,也對鋼鐵企業的生產與發展造成了巨大壓力,有悖于可持續發展的理念。

但目前鋼渣主要作為集料應用在瀝青混凝土中,對于將鋼渣粉替代石灰石粉作為礦粉的應用還未見報道。本文研究了鋼渣粉和石灰石粉的各項材料特性,并比較了鋼渣粉和石灰石粉膠漿在低溫下的流變性能差異。

1 試驗方案

1.1 原材料

本試驗采用90#基質瀝青,其25℃針入度、軟化點、延度和粘度分別為92.0(0.1mm)、45.8℃、120.5cm和0.365Pa·s。鋼渣粉由武鋼轉爐鋼渣碾磨而成,粒徑小于0.075mm。表1列出了石灰石粉和鋼渣粉的基本性能指標,鋼渣粉密度比石灰石粉的密度大25.21%,這主要是因為鋼渣中含有部分單質鐵以及鐵的氧化物；此外鋼渣粉的比表面積為1.95m2/g,比石灰石粉的比表面積大26.15%,這與鋼渣多孔的結構有關,孔隙可以吸收瀝青,增強鋼渣粉與瀝青的粘結作用。

表1 兩種礦粉基本技術指標

1.2 試樣制備

為了獲得不同類型的瀝青膠漿,首先將400g 90#基質瀝青加入容器中,并放置于油浴鍋加熱至150℃,隨后將400g礦粉和鋼渣粉分別加入樣品容器中。同時在整個混合過程中高速剪切機將保持1500rpm(轉/分鐘)的剪切速率,并持續3分鐘,以確保填料在純瀝青中的均勻分布。

2 試驗結果

2.1 原材料性能表征

2.1.1 元素分布

元素分布采用荷蘭PANalytical.B.V公司的Axios advanced X射線熒光光譜儀(XRF)。兩種礦粉的元素分布如表2所示,從中可以雖然兩者元素含量差異明顯,但元素分布仍具有一些共性：均含有鈣、硅、鋁、磷和鎂元素,其中鈣元素含量最多。鋼渣粉中除了上述元素,還含有相當一部分的鐵元素和磷元素,這主要是由煉鋼過程中鐵礦石的殘渣產生的。高含量的鈣元素使石灰石粉和瀝青之間產生了較好的粘結性能。

表2 XRF檢測結果

2.1.2 熱穩定性

熱穩定性采用德國NETZSCH公司的STA449C掃描差示量熱儀(TG-DSC)。圖1和圖2分別是石灰石粉和鋼渣粉的TG-DSC檢測結果,兩者在100℃時均出現了一個吸熱峰,這是由于礦粉中的水分蒸發而產生的。圖1同時還顯示石灰石粉的第二個吸熱峰出現在821.7℃,同時質量出現了較大的損失,這是由于高溫下石灰石粉中的碳酸鈣分解產生的,最終損失的質量與XRF結果中石灰石粉的燒失量基本一致。圖2鋼渣粉吸熱曲線的第二個吸熱峰出現在711.7℃,這是脫去羥基的熱效應過程,此時熱重曲線也存在一個明顯的下降趨勢。由于熱拌瀝青混凝土溫度范圍主要在200℃以下,在此區間內石灰石粉基本沒有質量損失,而鋼渣粉損失了很小的質量,石灰石粉較鋼渣粉表現出更好的熱穩定性,這主要與鋼渣粉原材料成分復雜有關。

圖1 石灰石粉的TG-DSC曲線

圖2 鋼渣粉的TG-DSC曲線

2.2 膠漿低溫流變性能研究

瀝青低溫流變性能試驗所測得的蠕變勁度模量S(t)和蠕變曲線斜率m作為性能評價指標。蠕變勁度模量S(t)表征瀝青膠漿的柔性,S(t)值越小則膠漿的低溫抗開裂性能越好；蠕變曲線斜率m表征瀝青膠漿的松弛性能,m值越大則膠漿的應力釋放速度越快,松弛能力越強,低溫抗裂性能越好[4]。

AH-90瀝青、石灰粉改性瀝青和鋼渣粉改性瀝青的S分別為145.0MPa、708.5MPa和671.7MPa,m值分別為0.143、0.345和0.347,表明礦粉的加入增大了瀝青的蠕變勁度模量,使得瀝青逐漸變脆,但礦粉的加入增強了瀝青釋放應力的能力。此外鋼渣粉膠漿的S為708.5MPa,較石灰石粉膠漿低5.18%；同時鋼渣粉膠漿的m值為0.347,較石灰石粉膠漿高0.50%,表現出更好的低溫抗開裂性能,提高了瀝青膠漿的低溫流變性能。

3 結論

(1)鋼渣粉密度比石灰石粉的密度大25.21%,這主要是因為鋼渣中含有部分單質鐵以及鐵的氧化物；此外鋼渣粉的比表面積為1.95m2/g,比石灰石粉的比表面積大26.15%,這與鋼渣多孔的結構有關,孔隙可以吸收瀝青,增強鋼渣粉與瀝青的粘結作用。

(2)鋼渣粉和石灰石粉均含有鈣、硅、鋁、磷和鎂元素,其中鈣元素含量最多。鋼渣粉中除了上述元素,還含有相當一部分的鐵元素。

(3)礦粉的加入同時增大了瀝青的蠕變勁度模量和蠕變曲線斜率,鋼渣粉膠漿的S較石灰石粉膠漿低5.18%,而m值較石灰石粉膠漿高0.50%,表現出更好的低溫抗開裂性能,提高了瀝青膠漿的低溫流變性能。

[1]馮艷瑾.鋼渣細料與鋼渣粉在SMA-13瀝青混合料中的應用研究[J].江西建材,2017(21):90-93．

[2]謝君.鋼渣瀝青混凝土的制備、性能與應用研究[D].武漢理工大學,2013．

[3]邱小明,吳金保.利用超細鋼渣粉制備高性能混凝土的試驗研究[J].江西建材,2002(1):13-15．

[4]朱春陽,楊毅,劉學建.不同標號瀝青的彎曲梁流變試驗對比分析研究[J].中外公路,2007,27(4):289-291．