鋼渣粉性能表征及其對瀝青混凝土水穩定性能的影響研究*

李鴻軻 梁 鐸 肖志峰 陳美祝 趙 煒

(內蒙古高等級公路建設開發有限責任公司1) 呼和浩特 010050)(武漢理工大學材料科學與工程學院2) 武漢 430070)

0 引 言

鋼渣是煉鋼過程中產生的副產品，中國每年產生超過1億噸的鋼渣，但有效利用率不到30%[1].鋼渣的堆積不僅會占用大量的土地，而且會造成嚴重的環境污染[2-3].鋼渣由于具有高堿度、豐富的棱角和良好的耐磨性等特點，可以提高瀝青路面的抗水損害能力和防滑性能，已被廣泛應用于瀝青路面的建設中[4].然而，大多數研究集中于鋼渣作為骨料在瀝青路面中的應用，對將鋼渣用作礦物填料的可行性的研究較少.

水損害是瀝青路面服役過程中最常見的破壞形式之一.瀝青是一種酸性物質，與堿性骨料如石灰石和玄武巖具有良好的黏附性，但與酸性骨料如花崗巖和砂巖的黏附性較差[5].傳統的無機抗剝落劑，如熟石灰、水泥等，已被廣泛證明可改善瀝青與集料的黏附性，從而提高瀝青混凝土的水穩定性[6].鋼渣是一種高堿性材料，包含大量在煉鋼過程中產生的CaO，具備作為無機抗剝離劑應用于瀝青混合料中的潛力.

研究將鋼渣作為填料應用于瀝青混合料中，不僅可實現對鋼渣的資源化利用，減少對天然資源的消耗，還可作為無機抗剝落劑，提高瀝青路面抗水損害能力，實現其高值化利用.

1 原材料及實驗方法

1.1 原材料

瀝青選用70#基質瀝青，基本性能指標見表1.鋼渣粉(steel slag powder，SSP)是實驗室自行制備的，具體的制備方法是將包鋼生產的2.36～4.75 mm粒徑范圍的鋼渣進行水洗除去表面粉塵，烘干后在行星球磨機中球磨0.5 h得到.石灰石礦粉(limestone filler，LF)作為最常用的礦物填料在本文中選用作為對照組，表2為兩種填料的基本性能指標.鋼渣粉的表觀相對密度達到了3.735 g/cm3，遠高于石灰石礦粉，這是由于鋼渣粉中含有煉鋼過程中殘留的鐵.鋼渣粉的比表面積也比礦粉大70.42%，這意味著鋼渣粉與瀝青的接觸面積更大，鋼渣粉與瀝青的黏結作用更強.此外，兩種填料的親水系數均小于1，說明其都具備作為優質填料的可能性.粗細集料均采用花崗巖，其基本性能見表3.

表1 70#瀝青基本性能指標

表2 鋼渣粉和石灰石礦粉的基本性能指標

表3 花崗巖集料基本性能指標

1.2 實驗方法

填料的性質差異會對瀝青膠漿產生較大影響，本文采用某公司生產的JSM-IT300掃描電子顯微鏡(SEM)來表征兩種填料的微觀形貌，采用某公司生產的Zetium型X射線熒光(XRF)來分析兩種填料的化學成分，采用某公司生產的Mastersizer 2000型激光粒度分析儀對兩種填料的粒徑分布進行測量.本文采用AC-16型級配，填料用量為4.5%，將鋼渣粉以不同替代量(0%，25%，50%，75%和100%)替代石灰石粉摻入瀝青混合料中制備馬歇爾試件，為了確保馬歇爾試件具有相同的體積性能，替代量是通過考慮兩種填料密度差異的體積比來計量的.

選取馬歇爾穩定度實驗和凍融劈裂實驗評價瀝青混合料的水穩定性，實驗方法參照文獻[7]進行.浸水馬歇爾試驗是將馬歇爾試件分兩組：一組作為對照組，在60 ℃水浴中水浸0.5 h后測試其馬歇爾穩定度S1；另一組作為實驗組在60 ℃水浴中水浸48 h后測試其馬歇爾穩定度S2；根據式(1)計算得到的殘留穩定度MS0作為評價瀝青混合料水穩定性的指標.

MS0=S2/S1×100%

(1)

凍融劈裂試驗是將馬歇爾試件分成兩組，對照組直接置于25 ℃水浴中浸泡2 h后測試劈裂強度R1；實驗組經真空飽水后在常溫水中浸泡20 min，再在-18 ℃的冰箱中冷凍16 h，然后在60 ℃水浴中放置24 h完成一次凍融循環，再放到25 ℃水中浸泡2 h后測試其劈裂強度R2；根據式(2)計算得到殘留強度比，即為瀝青混凝土的凍融劈裂抗拉強度比TSR.

TSR=R2/R1×100%

(2)

2 結果與討論

2.1 表面形貌

鋼渣粉與石灰石粉的表觀形貌見圖1.由圖1可知，兩種填料具有不同的粒徑分布、顆粒形貌和表面紋理.鋼渣粉具有較為復雜的表面紋理，其表面紋理更為粗糙，表面具有明顯的棱角和孔洞，研究表明，填料的幾何不規則性與較高的表面活性(即填料顆粒吸附瀝青的能力較高)有關.復雜的表面紋理可能導致集料表面裹覆瀝青膠漿的增加，這可能會影響混合物的抗剝離性[8].鋼渣粉粗糙的表明紋理會吸附更多瀝青，提高瀝青膠漿的勁度，從而改善瀝青與集料的黏附性.礦粉表面較為光滑，形狀也較為規則，具有明顯的棱角，表面也沒有明顯的孔洞.

圖1 鋼渣粉與石灰石礦粉的掃描電鏡圖像

2.2 粒度分布

鋼渣粉和石灰石礦粉的粒度分布和粒度參數分別見圖2和表4.規范規定填料在0.6 mm篩孔尺寸下的通過的質量分數要小于100%，測試結果表明，鋼渣粉和石灰石礦粉的粒度分布均符合規范要求.石灰石礦粉的粒度分布較為均勻，其80%的粒徑分布在1.4～41 μm.鋼渣粉的粒徑分布較為分散，在某幾個粒徑范圍內具有較多的粉料，這可以解釋為鋼渣粉包含更多雜質和一部分鐵質，并且鐵具有高密度和耐磨性的特性，從而導致較大的粒徑分散.鋼渣粉中細料的比例也比石灰石粉高，這與研磨過程及研磨時長有關.鋼渣粉的比表面積遠大于石灰石粉，達到2.42 m2/g，這與掃描電鏡圖像規律是吻合的，鋼渣粉粗糙的表面紋理和孔洞意味著比表面積越大，其與瀝青的黏附面積更大，黏附性也越好.

圖2 鋼渣粉和石灰石粉的粒度分布

表4 鋼渣粉和石灰石粉的粒度參數

2.3 化學組成

填料的礦物組成對其與瀝青間的反應及對酸性集料表面的改性作用具有重要的影響，表5為兩種填料的主要化學成分分析結果.由表5可知，鋼渣粉中含有大量的Fe2O3,MgO和MnO成分，這些成分主要是煉鋼過程中的殘留物，其中Fe2O3高達26.376%，這也解釋了鋼渣粉密度大的原因.生石灰(主要成分CaO)和熟石灰(主要成分Ca(OH)2)廣泛應用瀝青路面中用作抗剝落劑，主要是因為它們含有大量的CaO或Ca(OH)2成分，這些成分具有相當的活性，它們可以與瀝青中的有機酸發生反應，生成能起到表面活性劑作用的鈣鹽，從而提高瀝青與酸性集料的黏附性.石灰石粉的CaO含量高于鋼渣粉，但石灰石粉的主要礦物相為CaCO3，相關文獻均證明，CaCO3對提高瀝青與集料的黏附性是無效的[9-11].

表5 鋼渣粉和石灰石礦粉的主要化學成分

2.4 水穩定性能

根據文獻[7]，每組混合料制備了四個重復樣品進行測試.100%SSP組的最佳瀝青含量為5.0%，其他組的最佳瀝青含量為4.9%，最佳油石比的變化說明鋼渣粉具有一定的吸油性.表6為殘留穩定度(MSR)和凍融劈裂殘留強度比(TSR).表6列出馬歇爾試件的體積特性，例如,平均空隙率(VV)和礦物間隙率(VMA).結果表明:根據體積比摻入鋼渣粉對成型后的馬歇爾試件體積性能基本無影響，這保證了混合料水穩定性能實驗數據的準確性.

表6 不同替代量下鋼渣粉瀝青混合料體積性能及水穩定性

2.4.1馬歇爾穩定度

圖3為不同替代量鋼渣粉瀝青混合料的馬歇爾穩定度和殘留穩定度.

圖3 不同替代量鋼渣粉瀝青混合料的馬歇爾穩定度和殘留穩定度

僅就浸水0.5 h的對照組而言，隨著鋼渣粉替代量的增加，馬歇爾穩定度也隨之提高.100%替代量的混合料穩定度比純石灰石粉組高9.39%.而對于浸水48 h的實驗組，由圖3a)可知，鋼渣粉的摻入對穩定度有一個較大的提升.但隨著鋼渣粉替代量的增加，對照組中穩定度增長的趨勢并未在實驗組中出現，穩定度基本保持一致.這也導致了殘留穩定度隨著鋼渣粉替代量的增加而下降，推測可能是鋼渣粉中含有的f-CaO與水反應體積膨脹破壞了混合料的體積穩定性，抵消了鋼渣粉對混合料水穩定性的增強作用[12-13].另據相關文獻記載，鐵及其氧化物會對瀝青與集料的黏附性產生不良影響，這也可以解釋殘留穩定度的降低[14-15].但鋼渣粉100%替代石灰石粉后試件殘留穩定度為85.45%，仍高于純石灰石粉組的83.27%，說明鋼渣粉的摻入對提高殘留穩定度還是有促進作用的，其中當鋼渣粉的替代量為石灰石粉總量的25%時提升效果最好，試件殘留穩定度為93.31%，比石灰石粉對照組高了12.06%.

2.4.2凍融劈裂殘留強度比

圖4為凍融劈裂實驗的結果，該結果與馬歇爾穩定度實驗結果的規律性基本一致.未凍融組的實驗結果表明:鋼渣粉都能提高馬歇爾試件的間接拉伸強度，且間接拉伸強度隨鋼渣粉替代量增加而增長.凍融循環處理后，摻入鋼渣粉的馬歇爾試件的間接拉伸強度有明顯提升，但隨鋼渣粉替代量的增加提升幅度不大，導致殘留強度比的逐漸降低.由25%替代量下試件79.24%的殘留強度比降至100%替代量下77.30%的殘留強度比，但相對礦粉對照組76.46的殘留強度比仍有提升.鋼渣粉25%替代礦粉仍然具有最好的提升效果，但提升幅度只有3.6%，說明鋼渣粉應對更為苛刻的凍融循環處理后對水穩定性的提升效果有限.另也有可能是凍融循環試驗中要求馬歇爾試件具有較大空隙率，這導致鋼渣粉中f-CaO與水反應更充分，加劇破壞了試件的體積穩定性.

圖4 不同替代量鋼渣粉瀝青混合料的間接拉伸強度和凍融劈裂殘留強度比

3 結 論

1) 鋼渣粉具有較為復雜的表面形貌，其表面紋理更為粗糙，表面具有明顯的棱角和孔洞，這會使鋼渣粉吸附更多瀝青，提高瀝青膠漿的勁度；其細度也較石灰石礦粉小，比表面積更大，與瀝青接觸面積更大，黏附性也越好；化學組成分析結果表明:鋼渣粉中含有大量的CaO成分，是一種高堿度礦渣填料，能改善酸性集料表面狀態，提高瀝青與集料的黏附性.粗糙的表面形貌和高堿度有助于改善瀝青與集料之間的黏附性，從而提高瀝青混合料的水穩定性.

2) 瀝青混合料浸水馬歇爾實驗和凍融劈裂實驗結果表明，鋼渣粉的摻入對瀝青混合料的水穩定性能有明顯提升，但隨鋼渣粉替代量增加，水穩定性能呈降低趨勢，但鋼渣粉100%替代石灰石礦粉后試件的水穩定性仍高于純石灰石粉組.僅本次實驗而言，鋼渣粉替代石灰石粉總量的25%對水穩定性能的提升效果最好.