鋼渣粉結構和形貌表征及其對瀝青混凝土抗裂性能的影響

2018-12-27 01:42:44趙剛

武漢理工大學學報(交通科學與工程版) 2018年6期

趙剛

(山西省交通科學研究院太原 030006)

0 引言

瀝青混凝土由于具有優良的抗滑、耐磨、行車舒適等使用性能，而被廣泛用于高等級路面的建設中.在瀝青混凝土中，礦物材料(骨料和填料)占總瀝青混合料質量的90%以上[1]，因此，瀝青路面的鋪筑需要消耗大量的天然礦物集料，這種供需間的不平衡導致了自然資源面臨巨大的供應壓力[2].自然資源保護和資源綜合利用是瀝青路面的未來發展方向，因此，研究人員嘗試在瀝青混合料中加入煙氣脫硫渣、鋼渣等工業廢渣，以減少對自然資源的開采[3].

鋼渣是煉鋼過程中產生的一種典型工業廢物，其產量為粗鋼產量的12%～20%[4].主要的礦物相為硅酸二鈣、硅酸三鈣及硅、鎂、鐵、錳、磷的氧化物形成的固熔體.鋼渣雖然是伴隨煉鋼產生的廢渣，但其具有優良的耐磨、抗壓、抗滑等材料性能，滿足規范對瀝青路面用集料提出的要求[5-6].

國外許多發達國家很早就將鋼渣利用到道路建設中，歐洲國家鋼渣的應用范圍很廣，且利用率很高，僅有13%的鋼渣廢棄.道路建設作為利用最有效的一個方面，消耗了近50%的鋼渣總量[7].而我國目前鋼渣總利用率不超過20%，將其作為路用集料使用的部分更是低于2%.目前我國積存的鋼渣在1億t以上，且每年仍以數百萬t的排渣量在增加，若不及時對其進行處理，將會造成不可估量的后果[8].

用鋼渣制備瀝青混合料的可行性在實驗室得到了很好的評估：研究結果表明，鋼渣粗集料可以提高瀝青混合料的水分穩定性、抗疲勞性、高溫抗變形性以及防滑性能，但將鋼渣作為填料替代礦粉應用在瀝青混凝土中的研究還較少，因此，為了促進鋼渣的高效利用，本文首先研究了鋼渣粉和礦粉在表面形貌、化學組成、粒度分布上的差異，然后將鋼渣粉作為填料制備得到鋼渣粉瀝青混合料，并將其與石灰石礦粉制備得到的石灰石粉瀝青混合料對比，通過間接拉伸強度、斷裂能等技術指標研究了兩者對瀝青混凝土抗裂性的影響.

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

本研究中兩種瀝青混合料所用的瀝青均為70#基質瀝青，技術指標見表1，粗集料和細集料均為石灰石，礦粉為石灰石磨細的礦粉，鋼渣粉由上海寶鋼提供的鋼渣顆粒(粒徑16～31.5 mm)磨細而成.兩種礦粉的性能均滿足規范要求，技術指標見表2.

表1 70#基質瀝青基本技術指標

表2 集料和填料的基本技術指標

1.2 試驗方法

兩種礦粉的表面形貌由日本某公司的JSM-5610LV掃描電子顯微鏡(SEM)測得，化學成分由荷蘭某公司的X射線衍射儀(XRF)測得.本研究中兩種瀝青混凝土均采用Superpave方法設計，最大公稱粒徑為12.5 mm.設計當量單軸荷載系數(ESALs)為300萬～1 000萬次，設計環境溫度為41～43 ℃.級配曲線見圖1，集料占瀝青混合料總體積的95%，填料占瀝青混合料總體積的5%，Superpave法測定兩種瀝青混合料的最佳瀝青含量均為5.0%.

圖1 瀝青混合料的級配曲線

樣品按照如下過程制備得到：首先在Superpave旋轉壓實儀(SGC)中制備高度為100 mm、直徑為150 mm的圓柱形試樣，然后使用取芯機鉆取高度為100 mm、直徑為100 mm的圓柱形芯樣，最后通過切割機進一步處理，得到高度為50 mm、直徑為100 mm的樣品.兩種瀝青混合料各含有四個樣品，使用材料試驗機(MTS)對樣品進行加載破壞試驗，加載恒定變形速率為50 mm/min，測試溫度為14 ℃.

2 結果與討論

2.1 表面形貌

鋼渣粉和石灰石粉的表面形貌見圖2.由圖2可知，兩種礦粉的粒徑分布在0～40 μm，完全滿足規范規定的小于75 μm的要求，鋼渣粉和石灰石顆粒都具有明顯的邊緣、拐角，以及粗糙的表面紋理，這有助于礦粉和瀝青間的黏結.石灰石顆粒分布較為均勻，而鋼渣粉顆粒聚集較少，這可能與鋼渣中含有較多硅酸鹽礦物有關.

圖2 SEM圖像

2.2 化學組成

表3總結了兩種礦粉的化學組成.由表3可見石灰石粉XRF結果中主要含有CaO和一定量的SiO2，這表明石灰石粉為一種堿性填料.堿性填料可以加強瀝青膠漿內部的黏結力和集料與瀝青膠漿之間的黏結力，因此，石灰石粉被廣泛用作瀝青填料.因為石灰石粉的主要礦物相為CaCO3，所以XRF測試期間會釋放大量的CO2，導致其燒失量較高.此外石灰石礦粉XRF數據中CaO含量與燒失量的比例約為1.24，與CaCO3中CaO與CO2的相對分子質量比(1.27)相近，驗證了石灰石礦粉中的主要成分為CaCO3.

表3 兩種礦粉的XRF測試結果

已有研究表明鋼渣也是一種堿性物質，而其堿性程度可以用堿度M評價，堿度的計算為

M=w(CaO)/[w(SiO2)+w(P2O5)]

(1)

式中：M為堿度；w(CaO)，w(SiO2)和w(P2O5)分別為XRF測試結果中CaO，SiO2和P2O5的質量分數.按照堿度的大小，鋼渣的分類主要有三種：當M<1.8時為低堿度鋼渣；1.82.5時為高堿度鋼渣.

結果表明，本研究中使用的鋼渣粉堿度為2.8，根據堿度標準劃分為高堿度鋼渣，高堿度也使得鋼渣粉成為一種潛在的瀝青填料.除CaO外，鋼渣粉XRF結果還顯示其中含有29.22%的Fe2O3，這主要與原始鋼渣中所含的游離單質鐵、氧化鐵以及鐵固溶體有關.

2.3 粒度分布

鋼渣粉和礦粉SSP和LP的粒度分布見圖3，規范規定以0.6 mm的篩分尺寸作為分界點，填料在該篩分尺寸下的通過的質量分數要小于100%.測試結果表明，鋼渣粉和石灰石粉的粒度分布均符合規范要求.在粒度分布控制范圍內，鋼渣粉的通過的質量分數要高于石灰石粉通過的質量分數，其中鋼渣粉的通過的質量分數在0.075，0.15 mm篩分尺寸下比石灰石粉的通過的質量分數高10%左右，而在0.3 mm篩分尺寸下比石灰石粉的通過的質量分數高5%左右，這表明鋼渣粉的粒度分布更加復雜，顆粒略顯粗糙.以前研究中更細的鋼渣粉也是在實驗室中通過研磨大顆粒鋼渣而獲得的，這表明碾磨過程直接影響了鋼渣粉的粒度分布.

圖3 鋼渣粉和石灰石粉的粒度分布

2.4 間接拉伸強度和斷裂能

兩種瀝青混合料的間接拉伸試驗結果見圖4.由圖4可知，即使同一種瀝青混合料制備得到的測試樣品，不同樣品的應變-間接拉伸強度曲線仍然存在一定的波動差異.為了量化波動的變化情況，表4統計了兩種瀝青混凝土不同試樣的應變和間接拉伸強度測試結果.由表4可知，鋼渣粉瀝青混合料的平均間接拉伸強度比石灰石粉瀝青混合料的平均間接拉伸強度低3.0%，而鋼渣粉瀝青混合料的平均破壞應變比石灰石粉瀝青混合料的平均破壞應變高19.2%.此外四個鋼渣粉瀝青混合料試樣測試結果的標準差更大，因此，鋼渣粉瀝青混合料的波動水平比石灰石粉瀝青混合料更明顯.

圖4 兩種瀝青混合料間接拉伸強度測試結果

表4 兩種瀝青混合料間接拉伸強度和應變統計結果

間接拉伸強度試驗獲得的間接拉伸強度和應變不足以評價瀝青混合料的抗裂性，這是因為鋼渣粉和礦粉瀝青混合料的間接拉伸強度相差不大，而且僅采用間接拉伸強度或者應變評價，方法單一，無法全面反映瀝青的抗裂性能.因此本文綜合間接拉伸強度和應變測試數據，采用斷裂能評價兩種瀝青混合料的抗裂性能，計算公式為

(2)

式中：FE為斷裂能，kJ/m3；S(ε)和ε分別為瀝青混合料的間接拉伸強度和應變；εf為破壞應變.表5為兩種瀝青混合料斷裂能計算結果，由表5可知，鋼渣粉瀝青混合料的平均斷裂能較大，比石灰石粉瀝青混合料的斷裂能高13%.這表明鋼渣粉的加入提高了瀝青混合料的抗裂性能.同時鋼渣粉瀝青混合料斷裂能的標準差大于石灰石粉瀝青混合料，表明鋼渣粉復雜的成分和結構組成影響了結果的波動性.