醋酸改性鋼渣與瀝青粘附性圖像評價方法*

胡俊興，郭慶林，李懿明，李曉旭

（河北工程大學土木工程學院，河北邯鄲 056038）

我國每年開采的砂石超過22億噸，如此巨大的需求量必將加速砂石資源的枯竭［1］。而鋼渣作為一種工業廢棄物，其大量堆積對空氣、水體與土壤造成污染，破壞生態環境，如果能利用其耐磨、強度高、成本低等特點，鋼渣將會是一種潛在的性能優良的工程集料，可在道路建設中發揮巨大的作用。但鋼渣中的游離氧化鈣在遇水后會生成Ca(OH)2導致鋼渣體積增加近一倍［2］，嚴重阻礙鋼渣在路面中的大規模應用。研究表明醋酸溶液能夠有效地浸出鋼渣中的鈣離子，在合適的濃度與浸泡時間條件下，鈣離子的浸出率達到80%左右［3-4］，可降低鋼渣膨脹率76%以上［5］，因此可利用醋酸解決鋼渣膨脹率過高的難題。

下一步應繼續探討鋼渣集料應用于瀝青路面的可能性，粘附性作為一種檢驗瀝青路面集料工程質量的指標，直接或間接影響著瀝青混合料的水穩定性［6］，而水穩定性對瀝青路面的壽命有著較大的影響［7］。但目前國內對瀝青與集料粘附性的水煮、水浸方法，由于條件不嚴謹、結果分析主觀性等特點，一直都處于質疑和改進之中［8］。

基于此，本文為驗證醋酸改性鋼渣作為良好工程集料的可能性，提出利用像素法評價醋酸改性鋼渣與瀝青的粘附性方法，該方法能夠更加快捷、定量地表征改性鋼渣的粘附性，為鋼渣的應用增加科學依據。

1 原材料

選用的鋼渣為邯鋼鋼渣，性能見表1。

表1 鋼渣樣品性能Table 1 Properties of steel slag samples

選用東明產70號石油瀝青，并對基質瀝青各項技術指標進行濁定，結果見表2。

表2 70號瀝青基本性能指標Table 2 Basic performance index of 70 asphalt

選用醋酸性能見表3。

表3 醋酸性能Table 3 Acetic acid performance

2 試驗過程

2.1 粘附性試驗方法

本試驗按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011），對9.5mm粒徑鋼渣進行水浸法試驗如圖1所示，對13.2mm粒徑鋼渣進行水煮法試驗如圖2所示。

圖1 改性鋼渣水浸法試驗Fig. 1 Water immersion test of modified steel slag

圖2 改性鋼渣水煮法試驗Fig. 2 Boiling test of modified steel slag

2.2 像素法評價方法

（1）對水煮法/水浸法后鋼渣進行拍照，過程中保證光照充分，將拍攝后圖像設置為同一像素。

（2）對拍攝后的鋼渣圖像進行整體選擇，并調出“直方圖”工作欄，查看整體像素數量p1。

（3）利用“顏色提取”工具對鋼渣表面的瀝青脫落面進行選擇，在“直方圖”工作欄，查看瀝青脫落面的像素數量p2，如圖3所示。

圖3 鋼渣表面瀝青脫落部分的像素Fig. 3 Pixels of asphalt shed on steel slag surface

（4）利用公式(1)計算瀝青剝落程度。

3 試驗結果分析

3.1 水浸法評價瀝青與集料的粘附性

采用像素法對圖像進行處理，并結合規范要求的粘附性等級表進一步修正瀝青與集料粘附等級，結果見表4。

表4 水浸法醋酸改性鋼渣粘附性Table 4 Adhesion of steel slag by water immersion with acetic acid

由表4可知，9.5mm粒徑的改性鋼渣隨著浸酸時間的增加，鋼渣的粘附性呈現出下降的趨勢，3%體積分數的醋酸短時間內對鋼渣的粘附性影響較小，與未改性鋼渣粘附性相差不大。鋼渣浸泡在5%、10%體積分數的醋酸中12h對粘附性影響最大，分別有44.7%以及47.3%的瀝青膜在浸水后發生脫落的現象。

另外，在評價鋼渣粘附性等級時，目濁法與圖像檢濁法出現明顯差別，粘附性等級為5級時，目濁法與圖像檢濁法結果基本一致；判定4級粘附性等級時，對于剝落率為14.5%的改性鋼渣會出現目濁法與像素法評價不一的情況；判定3級粘附性等級時，像素法計算鋼渣與瀝青膜剝落率分別為29.4%和30.8%，判斷粘附性等級為3級和2級，而傳統目濁法粘附性等級分別為2和3級。結果表明，在評價瀝青粘附性時，目濁法判定《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）要求的剝落面積為10%、30%的界限時會出現差異，實驗過程中，33%情況下會出現目濁法與像素法評價粘附性等級不同的情況。

3.2 水煮法評價瀝青與鋼渣的粘附性

采用像素法對圖像進行處理，并結合規范要求的粘附性等級表進一步修正瀝青與集料粘附等級，結果見表5。

表5 水煮法醋酸改性鋼渣粘附性Table 5 Adhesion of steel slag modified by acetic acid by boiling method

由表5可知，13.2mm的改性鋼渣隨著浸酸時間的增加，鋼渣的粘附性呈現出下降的趨勢，浸泡在3%體積分數/3h的醋酸中對鋼渣的粘附性影響較小，與未改性鋼渣粘附性相差不大。鋼渣浸泡在10%體積分數/12h的醋酸中對其粘附性影響最大，出現近60%的瀝青膜浸水后脫落的現象。

另外，在評價鋼渣粘附性等級時，目濁法與圖像檢濁法出現明顯差別。粘附性等級為5級時，目濁法與圖像檢濁法結果基本一致；判定4級粘附性等級時，目濁法判定3組試件均達到要求，而像素法則判定均未達到4級粘附性等級，剝落率分別為13.1%、10.9%、10.4%，均超過規范要求的剝落面積不大于10%。；判定3級粘附性等級時，對于24.3%剝落率的改性鋼渣粘附性判斷出現差異。判定2級粘附性等級評價一致。結果表明：水煮法評價改性鋼渣粘附性時，目濁法在10%、30%界限判斷時會出現差異，實驗過程中會出現44%情況下目濁法與像素法評價粘附性等級不同的情況。

3.3 不同的粘附性試驗對改性鋼渣粘附性的影響

對水浸法、水煮法下不同改性鋼渣的剝落率進行比較，結果如圖4所示。

圖4 醋酸改性鋼渣在不同評價方法下的剝落率Fig. 4 Peeling rate of steel slag modified by acetic acid under different evaluation methods

由圖4可以看出，未改性鋼渣的剝落率分別為0.6%、0.7%，與瀝青粘附性能良好。而改性后的鋼渣，其粘附性均有所降低。從整體來看，水浸法與水煮法評價改性鋼渣的粘附性等級時，結果基本一致。改性后的鋼渣其粘附性相較與未改性鋼渣明顯降低，可能是由于酸改性，消耗掉鋼渣表面大量的堿性物質，導致其粘附性降低。雖然醋酸改性能增加鋼渣表面的微小孔隙［9］，提高鋼渣與瀝青的物理吸附作用，但從其粘附性結果來看，這種物理吸附作用明顯低于瀝青與鋼渣堿性物質之間形成的化學粘結作用。

由圖4也可以看出，12h的浸酸時間對鋼渣的粘附性均產生較大影響，鋼渣的粘附性均降低至粘附性2級，浸泡時間對鋼渣粘附性的影響為12h>6h>3h。多數的改性鋼渣剝落率處于在10%～30%之間，此區間的醋酸改性鋼渣的數量占其總數的50%左右，不滿足《道路用鋼渣》(GB/T 25824-2010）規定的瀝青混合料用鋼渣粘附性等級不小于4級的要求。因此考慮到實際需要，多數醋酸改性鋼渣處于3級粘附性等級，建議在拌和瀝青混合料時加入抗剝落劑，以提高鋼渣與瀝青的粘附性。

4 結論

本文采用像素法，探討了醋酸改性鋼渣在不同改性條件下的粘附性，通過試驗可以得到如下結論。

（1）9.5mm、13.2mm的醋酸改性鋼渣在水煮法、水浸法中的粘附性變化規律基本相同，兩種粘附性評價試驗差異并不顯著。目濁法在10%、30%剝落面積界限判定時會出現失誤，整體失誤率在30%～40%左右。

（2）醋酸改性能增加鋼渣表面的微小孔隙，提高鋼渣與瀝青的物理吸附作用，但其效果明顯低于瀝青與鋼渣堿性物質之間的化學粘結力形成的作用。

（3）考慮到實際需要，50%情況下醋酸改性鋼渣處于3級粘附性等級，建議在拌和瀝青混合料時加入抗剝落劑，提高鋼渣與瀝青的粘附性等級，達到不小于4級的要求。