鐵尾礦-鋼渣集料微表處混合料路用性能及耐久性試驗研究

2022-10-10 11:11:48劉名揚陳龍江侯美晴

硅酸鹽通報 2022年9期

劉名揚，周彬，顏峰，陳龍江，侯美晴

(1.昆明理工大學建筑工程學院，云南省土木工程防災減災重點實驗室，昆明 650500;2.云南省公路科學技術研究院，昆明 650500)

0 引言

我國作為工業(yè)大國，每年要產(chǎn)生以億噸計的鐵尾礦與鋼渣，但綜合利用率較低，造成了嚴重的資源浪費及環(huán)境污染問題。近年我國道路建設飛速發(fā)展，繁重的公路建養(yǎng)任務有賴于大量天然礦質集料的支撐，優(yōu)質天然集料短缺的現(xiàn)象已愈加顯著，若能將鐵尾礦與鋼渣應用于道路工程中，不僅可以有效處理工業(yè)固廢，還可以加速循環(huán)經(jīng)濟建設[1-3]。

微表處養(yǎng)護作為一種實用且經(jīng)濟的預防性養(yǎng)護方式，可以有效改善路面的使用性能，具有抗滑、耐磨、填補路面車轍等特點。但由于原材料、配合比設計、施工技術等，微表處易發(fā)生早期破壞，耐久性達不到理想效果[4-5]。在微表處結構中，交通荷載和各種環(huán)境因素造成的破壞主要由集料來承擔[6]，將常規(guī)集料部分替換為性能優(yōu)異的鋼渣和鐵尾礦既可以提高這些工業(yè)固廢的綜合利用率，同時可以解決微表處耐久性差的問題。對此，各學者進行了大量的研究。Cui等[7]研究了鋼渣對微表處混合料抗滑性能的增強機理，根據(jù)三維模型，指出鋼渣顆粒的表面形態(tài)更為復雜，且認為使用粗鋼渣代替玄武巖后混合料綜合性能更好。Apaza等[8]將鐵礦石作為骨料摻入微表處混合料中，結果表明含有鐵礦石的微表處混合料滿足相應國家規(guī)范要求。鄒宗民等[9]研究了鐵尾礦對微表處混合料耐久性的影響，研究表明使用鐵尾礦部分替代石灰?guī)r作為集料可以在一定程度上提高混合料的高、低溫性能及抗水損害性能。張彩利等[10]研究了鋼渣對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，研究結果表明膨脹性合格的鋼渣對混合料水穩(wěn)定性有提升作用，且動穩(wěn)定度具有持續(xù)增長趨勢。余天航[11]對鐵尾礦砂石集料瀝青混合料的路用性能進行研究，結果表明鐵尾礦瀝青混合料各項性能優(yōu)異，鐵尾礦砂石材料替代傳統(tǒng)集料具有可行性。

本文在分析鐵尾礦與鋼渣集料材料特征的基礎上，將鐵尾礦和鋼渣集料同時應用于微表處混合料中，并在原有的試驗基礎上設計了針對混合料耐久性的試驗方法，重點研究微表處混合料的長期耐久性問題，綜合發(fā)揮兩種工業(yè)固廢的性能優(yōu)勢，揚長避短，為今后固體廢棄物在微表處混合料中的應用提供新的思路。

1 實驗

1.1 原材料

本文使用的微表處混合料礦料及其替代材料按照不同粒徑可分為3種，其中鋼渣、石灰?guī)r為粗集料(粒徑為2.36～9.5 mm)，鐵尾礦、石灰?guī)r為細集料(粒徑為0～2.36 mm),礦料使用石灰石礦粉(粒徑為0～0.075 mm)。鐵尾礦按粒徑可以分為鐵尾礦石(粒徑為0.6～2.36 mm)、鐵尾礦砂(粒徑為0.6 mm以下)。水泥為硅酸鹽水泥，摻量為礦料質量的2%。各集料表觀形貌見圖1，石灰?guī)r物理力學性能指標見表1。

圖1 各集料表觀形貌

1.1.1 鋼渣材料特征

(1)鋼渣粗集料

未經(jīng)處理的鋼渣中通常含有少量的f-CaO，f-CaO會造成鋼渣體積膨脹進而影響混合料的性能，為了盡可能地消除鋼渣體積膨脹帶來的危害，本文選用的鋼渣已經(jīng)過陳化處理。利用X射線衍射技術對碳化鋼渣進行了物相分析，結果如圖2所示，橫坐標2θ為衍射角。從圖中可以看出，Ca(OH)2含量最多，其次為Mg(OH)2和CaCO3，同時包含鐵的氧化物和硅酸鹽礦物。

圖2 碳化鋼渣的XRD譜

陳化處理是將鋼渣置于自然環(huán)境中，其所含活性物質(f-CaO)與空氣中的水充分反應轉化為Ca(OH)2，與此同時，鋼渣中豐富的硅酸鹽礦物也可以與水充分反應產(chǎn)生Ca(OH)2。在自然環(huán)境下，Ca(OH)2會進一步與空氣中的二氧化碳氣體反應生成穩(wěn)定的CaCO3。可以看出，鋼渣陳化處理的本質就是鋼渣中不穩(wěn)定的f-CaO和硅酸鹽礦物碳化的過程。具體反應過程如式(1)～(3)所示。鋼渣物理力學性能指標見表2。

表2 鋼渣物理力學性能指標

(1)

(2)

(3)

為了更直觀地分析鋼渣的表觀形貌，進一步進行了SEM分析，鋼渣粗集料的SEM照片如圖3所示。由圖可以看出，鋼渣粗集料表面同時存在密實構造與蜂窩狀構造等多種不同的形態(tài)區(qū)，密實構造區(qū)還可觀察到橢圓形及裂縫狀孔隙的存在，這表明鋼渣是一種表面構造極其復雜的多孔材料。正是由于鋼渣的這種材料特征，其與瀝青的黏附性極佳[12]。

圖3 鋼渣粗集料的SEM照片

(2)鋼渣細集料

鋼渣細集料在陳化過程中也會產(chǎn)生大量的Ca(OH)2與CaCO3，同時鋼渣細集料中含有大量粉料，受鋼渣膠凝活性的影響，細集料中的顆粒與粉料在自然條件下與水反應并膠結在一起，最終固結為鋼渣塊(見圖4)，從而導致其顆粒級配發(fā)生了改變，使得其難以直接作為細集料應用于微表處混合料中。細集料中大量的結塊會導致部分f-CaO難以完全碳化，進一步加劇鋼渣潛在的膨脹性問題[13]，因此本文只選用鋼渣粗集料替換常規(guī)集料。

圖4 固結成塊的鋼渣細集料

1.1.2 鐵尾礦材料特征

本文利用X射線衍射技術對鐵尾礦進行了物相分析，分析結果如圖5所示。由圖可以看出，鐵尾礦物相組成較為單一，主要由石英和鈣長石組成，未檢測到f-CaO等具有潛在膨脹性的物質，鐵尾礦物比鋼渣穩(wěn)定性好。石英質地較為堅硬，且穩(wěn)定性良好，但是由于石英呈酸性，酸性集料與瀝青黏附性較差，所以在應用過程中應進行黏聚力測試。進一步對鐵尾礦進行物理力學性能測試，具體見表3，由表可以看出，鐵尾礦的壓碎值、針片狀含量均大于石灰?guī)r集料，表明鐵尾礦不適合作為粗集料應用于微表處混合料中，應進一步加工為細集料使用。

圖5 鐵尾礦的XRD譜

表3 鐵尾礦的物理力學性能指標

為了分析鐵尾礦的表觀形貌，進行了SEM分析(見圖6)。由圖6(a)可以看出，鐵尾礦石表面沒有孔隙，致密程度較高，表明鐵尾礦石具有較高的強度與硬度，不易整體破碎。由圖6(b)可以看出，鐵尾礦砂顆粒整體呈不規(guī)則狀。

圖6 鐵尾礦的SEM照片

1.2 改性乳化瀝青

采用SBR改性乳化瀝青，添加鹽酸作為pH值調節(jié)劑，使用德國DRS2000剪切儀進行測試。詳細技術指標見表4。

表4 SBR改性乳化瀝青的基本性能

1.3 試驗方案

本文采用SBR改性乳化瀝青作為膠結料，采用MS-3型粗值級配，如表5所示。按照粗集料的不同分為石灰?guī)r粗集料(limestone coarse aggregate，LCA)、鋼渣粗集料(slag coarse aggregate，SCA)。同時分別摻加0%、5%、10%、15%、20%(質量分數(shù))的鐵尾礦作為混合料的細集料。為了降低試驗結果的離散性，采用逐級篩分后分檔回配。

表5 混合料級配

1.3.1 微表處混合料路用性能試驗

(1)黏聚力試驗

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料》(JTG E20—2011)中的T0754方法，采用黏聚力試驗儀對混合料黏聚力進行測試。為了更準確地反應黏聚力的變化，本文在原有試驗基礎上增加了90 min、120 min對照組。

(2)濕輪磨耗試驗

根據(jù)《微表處和稀漿封層技術指南》，通過1 h濕輪磨耗試驗評定微表處混合料的耐磨耗性能；通過6 d濕輪磨耗試驗評定微表處混合料的抗水損害性能。磨耗值按式(4)計算。

WTAT=(ma-mb)/A

(4)

式中：WTAT為混合料的磨耗值，g·m-2；ma為磨耗前的試件質量，g；mb為磨耗后的試件質量，g；A為磨耗頭膠管的磨耗面積，m2。

(3)輪轍變形試驗

根據(jù)《微表處和稀漿封層技術指南》，采用輪轍變形試驗研究混合料抗車轍性能。PLD和PVD分別按式(5)和式(6)計算，用于評價微表處的抗車轍性能。

PLD=[(LbLa)/La]×100%

(5)

PVD=(db/da)×100%

(6)

式中：PLD為試樣單位寬度變形率，%；PVD為試樣單位厚度的車轍深度率，%；La為加載前試件的寬度，mm；Lb為試件加載1 000次后的寬度，mm；da為加載前試樣厚度，mm；db為加載1 000次后試件厚度，mm。

1.3.2 微表處混合料耐久性試驗

(1)長期抗滑性能試驗

根據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場試驗方法》(JTG 3450—2019)中的T0961和T0964方法，采用手工鋪砂法和英國擺式摩擦儀研究了微表處的長期抗滑性能。按照濕輪磨耗試驗方法制備試件，并冷卻至室溫，然后將試樣直接固定在研磨臺上，過程中不加任何水。最后啟動磨耗機，每20 min測量一次樣品的路面摩擦系數(shù)(BPN)和紋理深度，磨耗120 min后停止試驗。

(2)凍融循環(huán)濕輪磨耗試驗

凍融循環(huán)濕輪磨耗試驗反應了混合料在凍融循環(huán)條件下的水穩(wěn)定性。按照《微表處和稀漿封層技術指南》A4.3.1制作標準試件，將試樣放入真空度約為98 kPa的真空箱中，飽和15 min，并在室溫下用水浸泡30 min。然后將試樣取出至塑料袋中，加入10 mL水，并在-12 ℃冷凍16 h。冷凍后，取出試樣，60 ℃恒溫水浴24 h，然后25 ℃恒溫水浴1 h。凍融循環(huán)次數(shù)分別為0次、1次、2次、3次和4次，然后進行濕輪磨耗試驗。根據(jù)式(7)計算出試件在不同凍融循環(huán)下的質量損失率Mt。

(7)

式中:Mt為試件在不同凍融循環(huán)次數(shù)(t)下的質量損失率，%；m0為試件的初始干燥質量，g；mf為試件經(jīng)過濕輪磨耗試驗后的干燥質量，g。

2 結果與討論

2.1 微表處混合料路用性能分析

2.1.1 不同集料對混合料黏聚性的影響

微表處混合料黏聚力不足會導致集料松散，容易開裂，嚴重影響其路用性能和耐久性能。采用黏聚力試驗儀，對微表處混合料的黏聚性進行分析，試樣的破壞狀態(tài)如圖7所示，黏聚力試驗結果如表6與圖8、圖9所示。

圖7 試樣破壞狀態(tài)

表6 黏聚力試驗結果

圖8 LCA組添加鐵尾礦黏聚力試驗結果

圖9 SCA組添加鐵尾礦黏聚力試驗結果

由圖7可以看出，試樣的破壞狀態(tài)可以分為4種情況：(a)完全成型,(b)中度成型,(c)初級成型,(d)未成型。完全成型試樣表面完整無裂紋和破損，其破壞狀態(tài)與黏聚力值2.6 N·m等效；中度成型試樣表面未出現(xiàn)裂紋，但壓頭下的集料會被碾起，其破壞狀態(tài)與黏聚力值2.3 N·m等效；初級成型試樣表面有裂紋出現(xiàn)，其破壞狀態(tài)與黏聚力值2.0 N·m等效；未成型試樣表面具有多條裂紋，甚至整個試件被碾散，其破壞狀態(tài)與黏聚力值小于1.2 N·m等效。

由表6可以看出，無論是石灰?guī)r還是鋼渣作為混合料的粗集料，隨著鐵尾礦的摻入，微表處混合料的黏聚性都會下降，且摻量越大下降越明顯。分析原因可能是鐵尾礦為酸性集料，主要成分是SiO2，其離子電荷為負電荷，而工程中常用的優(yōu)質集料通常為堿性集料，酸性集料黏附性劣于堿性集料[14]。同時可以看出，鋼渣的摻入可以在一定程度上提高混合料的黏聚性，這可能是由于鋼渣為堿性集料，且具有較為復雜的表面構造，與瀝青黏附性較好，進而可以說明鋼渣替代石灰?guī)r作為粗集料可以改善鐵尾礦導致的黏附性差的問題。

同時，由表6與圖8、圖9可知，微表處混合料的黏聚性與養(yǎng)護時間呈正相關，養(yǎng)護時間越長，混合料的黏聚性越好。根據(jù)曲線可以看出鐵尾礦摻量為20%時，與其他摻量相比,混合料黏聚力下降較快，且不滿足規(guī)范要求，可能是鐵尾礦摻量較大時，酸性集料占總體比例較大，導致混合料黏聚性不足。

2.1.2 不同集料對混合料耐磨耗性能及抗水損害性能的影響

微表處作為道路表面層，直接與各種荷載和積水接觸，因此應具備一定的耐磨耗性能與抗水損害性能。采用濕輪磨耗試驗，對微表處混合料的耐磨耗性能及抗水損害性能進行分析。濕輪磨耗試件如圖10所示。濕輪磨耗試驗結果如圖11、圖12所示。

圖10 濕輪磨耗試件

圖11 1 h濕輪磨耗試驗結果

圖12 6 d濕輪磨耗試驗結果

由圖11、圖12可以看出，無論粗集料為石灰?guī)r還是鋼渣，隨著鐵尾礦摻量的增加，浸水1 h組的WTAT均逐漸減小，當鐵尾礦摻量增至20%時，磨耗值趨于平穩(wěn)。鐵尾礦的主要成分為SiO2，而石灰?guī)r的主要成分是CaCO3，由于SiO2相較于CaCO3質地堅硬耐磨，從而鐵尾礦的耐磨耗性能相較于石灰?guī)r也表現(xiàn)得更強。同時鐵尾礦細集料相較于石灰?guī)r細集料片狀顆粒少，球形顆粒較多，使得其與粗集料結合更易形成骨架結構，不易造成集料脫離。而浸水6 d組在摻加鐵尾礦后WTAT均出現(xiàn)了不同程度的增大，且摻量為20%時，WTAT相較于其他摻量增加較快，但總體差異不大且滿足規(guī)范要求。鐵尾礦屬于酸性集料，其粒子電荷為負電荷，與水作用的分子力較強，與瀝青作用的分子力較弱，因此表現(xiàn)出親水疏油的特性，使其在水中容易與瀝青剝離[15]。

由圖11、圖12進一步可得，不論鐵尾礦摻量如何，鋼渣作為粗集料，其耐磨耗性能均優(yōu)于石灰?guī)r，可能是鋼渣形態(tài)復雜的表面使集料對瀝青有更好的黏附性，導致結構更加穩(wěn)定。同時發(fā)現(xiàn)，含粗鋼渣的試樣磨損量明顯降低，這是由于鋼渣的棱角性比石灰?guī)r大，所以能形成更穩(wěn)定的聯(lián)鎖結構，在力的作用下不易松散。

2.1.3 不同集料對混合料抗車轍性能的影響

微表處作為道路結構層的補充，需要有效地承受車輛荷載，并將荷載同步傳遞到道路的結構層，因此應具備一定的抗車轍性能[16]。尤其是在路面車流量較大的條件下，微表處路面會承受較大的車輛荷載，因此對微表處的抗車轍性能提出了較高的要求。若微表處路面抗車轍性能較差，將會導致路面平整度降低，過早失去功能，不能充分地發(fā)揮其對路面的預防性養(yǎng)護工作[17-19]。通過輪轍變形試驗，對微表處混合料進行抗車轍測試，評估其抵抗交通荷載的能力，并設置2個對照組進行試驗，輪轍變形試驗結果如圖13所示。

圖13 輪轍變形試驗結果

由圖13可以看出，LCA組和SCA組的橫縱向位移均隨著鐵尾礦摻量的增加而減小，對于LCA組，摻加了5%、10%、15%、20%鐵尾礦試件的橫向位移與未摻加鐵尾礦試件相比分別減少了3.1%、11.2%、13.5%、15%；SCA組分別減少了3.9%、10.5%、15.7%、20%。同時可以看出，LCA組摻加了5%、10%、15%、20%的鐵尾礦試件的縱向位移與未摻加鐵尾礦試件相比分別減少了3.2%、9.5%、14.9%、16.7%；SCA組分別減少了3.0%、10.4%、14.5%、15.6%。造成這種現(xiàn)象的原因可能是，鐵尾礦的主要成分(SiO2)相較于石灰?guī)r的主要成分(CaCO3)質地更堅硬，以致于鐵尾礦抵抗車輛荷載的能力優(yōu)于石灰?guī)r；同時可以看出在鐵尾礦摻量高于15%后，各組橫縱向位移下降趨勢皆趨于平緩。由于摻加20%鐵尾礦使得混合料黏聚性下降，未能表現(xiàn)出較強的抗車轍性能，因此鐵尾礦細集料最佳摻量為15%。而SCA組整體抗車轍性能強于LCA組，這是因為鋼渣本身較復雜的內外部結構使得粗鋼渣的形狀更加棱角分明、復雜，因此在微表處攤鋪過程中可以形成更強的聯(lián)鎖結構[7]，從而增強抵抗交通荷載的能力。

2.2 微表處混合料耐久性分析

2.2.1 不同集料對混合料長期抗滑性能的影響

微表處作為路面結構的表面層，在車輪的反復滾動摩擦下，紋理深度不斷降低，使其抗滑性能在使用期間不斷下降。路面的抗滑性能是一個不斷下降的過程，為了在較短的時間內模擬長期交通荷載作用下微表處的防滑衰減過程，本文采用濕輪磨耗儀，模擬了不同道路使用時間下路面的防滑衰減過程。長期抗滑性能試驗結果如圖14、圖15所示。

圖14 路面構造深度

圖15 路面摩擦系數(shù)

為減少隨機誤差，測定構造深度時設置1組對比組，測定BPN時設置2個平行試件，每個試件在不同位置測定5次。

從試驗結果可以看出，隨著磨耗時間的增加，構造深度和BPN不斷減小，同時構造深度和BPN隨著鐵尾礦細集料的摻入逐漸變大，但總體差異不大。這可能是因為SiO2與CaCO3相比質地堅硬耐磨，因此鐵尾礦比石灰?guī)r耐磨耗性能強，差異不大的原因是路面的抗滑性能主要受路面宏觀構造影響，宏觀構造越復雜、越粗糙，輪胎與路面發(fā)生摩擦時的抗滑能力越強，宏觀構造主要由粗集料的形狀與尺寸來決定[20]。鋼渣表面多孔且空隙率較大，邊緣呈明顯的凸起狀，棱角性豐富，所以鋼渣相較于石灰?guī)r有著更出色的摩擦力、抗滑性能以及抗滑衰減能力。由圖14可以看出SCA組的構造深度略大于LCA組，這是由于鋼渣粗集料表面形態(tài)較為粗糙，棱角較為復雜，使用手工鋪砂時，砂子更易殘留在較為粗糙的鋼渣表面。在60 min后的磨耗后期，SCA組的構造深度與BPN的減少程度均小于LCA組，這是因為鋼渣本身磨光值較大，在同等條件下，磨耗損失小于石灰?guī)r[21]，且由于形態(tài)粗糙，鋼渣本身與瀝青的黏附性較強，從而表現(xiàn)出較好的長期耐磨耗性能。

2.2.2 不同集料對混合料水穩(wěn)定性的影響

微表處應用于寒冷地區(qū)或季節(jié)性凍結地區(qū)，工作環(huán)境具有凍融循環(huán)的特點[22]。因此，微表處在凍融條件下的長期耐磨耗性能是非常重要的，所以采用凍融循環(huán)濕輪磨耗試驗來模擬微表處的工作環(huán)境，并用質量損失率Mt來表征微表處混合料的耐磨耗性能。凍融循環(huán)濕輪磨耗試驗結果如圖16所示。

圖16 凍融循環(huán)濕輪磨耗試驗結果

由圖16可以看出，隨著鐵尾礦摻量的增加，微表處混合料在凍融循環(huán)條件下的質量損失率逐漸增大。這表明鐵尾礦的摻入對混合料在凍融條件下的耐磨耗性能有消極影響，降低了混合料的水穩(wěn)定性。造成凍融循環(huán)破壞的主要原因是骨料反復凍脹，其與膠結料的黏附性降低，再結合2.1.1節(jié)黏聚力試驗結果(見表6)，說明鐵尾礦的摻入會加劇黏附性下降，因此混合料質量損失率隨鐵尾礦摻量的增加而增大[23-24]。對于LCA組，當鐵尾礦摻量從0%增至20%(質量分數(shù))時，其質量損失率增速大于SCA組。這是因為鋼渣具有豐富的表面構造與優(yōu)異的耐磨耗性能，在反復凍脹的條件下與瀝青黏附性較強，不易發(fā)生界面破壞造成集料剝落。結合圖16，LCA組在4次凍融循環(huán)作用下最大質量損失率分別為8.92%、9.51%、9.65%、11.71%，SCA組分別為4.98%、5.28%、5.51%、7.46%。LCA組與SCA組在第4次凍融循環(huán)時質量損失率均有較大提升。圖17為經(jīng)過4次凍融循環(huán)后，含有20%鐵尾礦試樣的磨損表面，可以看出，與SCA組相比，LCA組試件表面大量集料剝離脫落且具有相連的凹坑。這表明經(jīng)過4次凍融循環(huán)后，水侵入微表處瀝青與骨料之間的黏結界面，降低了瀝青的黏結力，而骨料中鐵尾礦的摻入加劇了這一現(xiàn)象。由于鋼渣與瀝青的黏附性較強，SCA組試件表面狀態(tài)良好，并無較大集料剝離脫落。

圖17 試樣的磨損表面

對圖中數(shù)據(jù)進行線性擬合分析，擬合結果如圖16中實線所示。可以看出，每組數(shù)據(jù)擬合的R2值都大于0.98，接近于1，表明擬合效果較好。在相同的凍融循環(huán)條件下，SCA組直線斜率明顯小于LCA組，這是由于鋼渣骨料的存在抑制了斜率的上升；在極端凍融環(huán)境下，鋼渣作為混合料粗集料，其優(yōu)異的黏附性可以降低與膠結料剝離的風險，從而提高微表處混合料的耐磨耗性能。鋼渣骨料增強抗凍融能力機理如圖18所示。在反復凍融循環(huán)作用下，集料產(chǎn)生熱脹冷縮效應，反復的膨脹和收縮使得集料與瀝青黏附較弱區(qū)域發(fā)生破壞，水分進入了界面內部。在凍融循環(huán)過程中，進入內部構造的水分進一步對界面造成破壞從而造成內部開裂。因此，若采用表面構造豐富的鋼渣作為集料，增強集料與瀝青的黏結力和黏附性，可以在一定程度上抵御凍融循環(huán)帶來的破壞。