鋼渣集料表面形貌對瀝青吸收與黏附性能的影響分析

王利波, 呂維前, 王雨露, 李玉生, 苗有才, 磨煉同*

(1.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室, 武漢 430070; 2. 河南安羅高速公路有限公司, 鄭州 475002;3.中交二公局第四工程有限公司, 洛陽 471013)

鋼渣是冶煉鋼鐵時排放的一類副產物。中國每年的鋼渣排放量為近1億t,累計堆存量近18億t[1]。由于鋼渣成分復雜,安定性不良,易磨性差,膠凝活性低,導致資源化利用難度大、利用率低。大量鋼渣堆積占地且污染環境,急需開展鋼渣固廢減量與資源化利用[2]。鋼渣集料具有強度高、硬度大、棱角性豐富、與瀝青黏附性好等優點,具有代替天然集料用于瀝青混凝土路面的優勢[3-4]。然而鋼渣集料內部存在游離氧化鈣和氧化鎂,吸水易出現體積膨脹和開裂,導致體積安定性不良[5-7]。此外,鋼渣集料表面具有較多的孔隙結構,表面凹凸不平,增加了集料的相對比表面積和吸水率,造成鋼渣集料吸水率要大于天然集料。高吸水率的鋼渣集料與瀝青高溫拌和時對瀝青吸收較多,造成鋼渣瀝青混合料實際瀝青用量偏高[8]。鋼渣集料用作瀝青混凝土集料時一般應經過堆放陳化處理以促進游離氧化鈣消解,提高其體積安定性,然而陳化過程中會在鋼渣集料表面形成陳化產物,影響鋼渣集料與瀝青黏附,易造成水損害[9-11]。

與天然集料相比,鋼渣集料有其獨特的表面形貌。袁正兵等[12]利用掃描電子顯微鏡和超景深顯微鏡發現鋼渣集料表面紋理結構復雜,其獨特的表面微觀形貌造成鋼渣集料與瀝青的界面黏附性和吸附力大于玄武巖集料。Zhou等[13]采用3D顯微鏡和掃描電子顯微鏡對鋼渣、玄武巖和安山巖集料表面形貌和其與瀝青黏附性能做了大量研究,定量分析了鋼渣集料表面粗糙度高、凹凸起伏大、接觸角大、與瀝青的黏結性能較強的特點。Shen等[14]、Liu等[15]通過對鋼渣集料與瀝青的黏附力進行測試,發現鋼渣集料獨特的微觀形貌提高了兩者之間的作用力,并通過傅里葉紅外光譜發現鋼渣集料和瀝青的相互作用以物理吸附為主。唐金明[16]開展鋼渣集料熒光顯微分析,發現鋼渣集料的孔徑分布范圍0～400 μm,其中孔徑在40～60 μm的孔數量是最多的,孔的類型多為葫蘆狀,即鋼渣集料內部孔隙結構呈現開口小、內部空腔大的特點,并且發現陳化過程對較大孔徑的孔隙填充效果較低,對較小孔隙的填充效果較好。武建民等[17]通過對鋼渣瀝青混合料抗滑特性研究發現增加鋼渣集料摻量可以使得路面的抗滑性能得到改善。李松等[18]關于鋼渣集料表面形貌和與瀝青的黏結界面進行研究,發現鋼渣集料具有較多的孔隙結構,鋼渣集料由于獨特的表面形貌增強了與瀝青之間的黏結作用,從而提高了鋼渣瀝青混合料的水穩定性。

鋼渣集料特殊的表面形貌與瀝青在高溫拌和時表現出很強的瀝青吸收特性。研究發現,對于吸水率小于1.7%的集料,若采用《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)經驗公式法來求瀝青的吸收系數,計算結果與實際相差不大,但隨著吸水率的增加,經驗公式法將不再適用于高吸水率鋼渣集料[19]。周艷東等[20]、周衛峰等[21]發現對于吸水率變異性較大的鋼渣集料,其有效密度不宜利用規范經驗公式法計算,應通過瀝青浸漬法計算。高振鑫等[22]在對鋼渣瀝青混合料的體積性能研究時,利用瀝青浸漬法分析鋼渣集料的有效密度,發現實測得到的有效相對密度比規范經驗公式法得到的有效相對密度高1.5%。除瀝青浸漬法外,鋼渣集料與瀝青預拌裹附法也可用于直接測量鋼渣集料的有效密度[23]。Yang等[24]與Chen等[25]研究發現鋼渣集料對瀝青中不同組分的選擇性吸收存在時限性,且空隙率高的鋼渣集料對瀝青中的輕質組分吸收較強。盧章天等[26]發現瀝青滲入鋼渣集料微孔是一個先快后慢,并逐漸趨于穩定的過程,并且鋼渣集料瞬時吸收瀝青量可達石灰巖集料的10倍。目前通過水中重法測量鋼渣集料的吸水率來直接評估其瀝青吸收率存在相關性差的問題,其原因是即使在高溫下瀝青的流動性和滲透性均遠小于水的流動性和滲透性,瀝青和水滲入集料表面開口孔隙的能力不在一個數量級,但整體上集料的吸水率越大,其瀝青吸收率也越高。

前期的研究結果表明鋼渣集料具有獨特的微觀形貌特征,而其獨特的微觀形貌又影響了鋼渣集料與瀝青的黏附性和吸收特性。由于較高的吸水率,鋼渣集料有效密度不宜用傳統水中重法進行測量,而采用瀝青浸漬法存在試驗煩瑣問題。鋼渣集料與瀝青預拌裹附法可很好模擬鋼渣集料對瀝青吸收,且水中重法操作簡便。針對鋼渣集料表面多孔、吸水率高、表面陳化裹附粉塵的問題,現利用計算機斷層掃描(computed tomography,CT)定量分析鋼渣集料表面開口孔隙與瀝青滲透深度的關系,建立鋼渣集料與瀝青浸漬或拌和后其有效密度變化關系,提出鋼渣吸水率與瀝青吸收率相關性,同時量化鋼渣集料因長期靜置吸收瀝青導致其有效密度增加幅度。利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)和熒光分析鋼渣集料陳化處理表面形貌以及對集料與瀝青界面黏附性影響,并用滾瓶法試驗評價瀝青與鋼渣集料的黏附力以及瀝青抗剝落能力。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

鋼渣集料主要采用河南信陽鋼渣、河南舞陽鋼渣、山西建龍鋼渣和山西太原鋼渣4個不同產地的熱悶鋼渣骨料。為了與鋼渣集料對比研究,采用了玄武巖、石灰巖和玻璃集料作對比分析。

瀝青采用山東京博SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)改性瀝青,密度1.035 g/cm3,針入度57 (0.1 mm),軟化點69 ℃,5 ℃延度23 cm。所用改性瀝青主要用于與粗集料拌和制備瀝青裹附的集料以及開展基于瀝青浸漬法的集料密度試驗。

1.2 試驗方法

1.2.1 SEM表面形貌分析

采用JSM-6390A掃描電子顯微鏡來觀察鋼渣集料的表面形態特征,分析鋼渣集料表面形貌特點。鋼渣集料SEM表面形貌分析主要采用信陽、舞陽和建龍3種鋼渣集料,同時采用玄武巖集料作為對比分析。所選4種集料粒徑均為4.75～9.5 mm。

1.2.2 熒光顯微分析

采用尼康熒光電子顯微鏡來觀察鋼渣集料和瀝青界面特征,開展熒光顯微分析前需要對鋼渣粗集料與瀝青進行拌和,以得到瀝青裹附的集料顆粒。熒光顯微分析試驗采用信陽、舞陽和建龍3種鋼渣集料,同時采用玄武巖集料作為對比分析。上述4種集料選用4.75～9.5 mm單一粒徑分別與SBS改性瀝青以4%油石比拌和,拌和后將粗集料逐粒分散,冷卻后得到瀝青預拌裹附粗集料。

將裹附瀝青的鋼渣集料放入模具中,向模具中澆注由A、B組分合成的環氧樹脂。把試件放入真空浸漬儀中,利用抽真空的方法除去環氧樹脂中的氣泡。消除氣泡后把試件放入60 ℃烘箱中,養生固化24 h。脫模后需要對試件進行切片,并利用拋光機打磨以去除切片產生的劃痕,最后將制成的薄片放到熒光顯微鏡下分析瀝青和鋼渣集料的黏結界面特征[10]。

1.2.3 CT掃描試驗法

采用Carl Zeiss X-ray Microscopy-510分析鋼渣集料孔隙結構及其對瀝青吸收的影響。所用鋼渣集料為4.75～9.5 mm單一粒徑信陽鋼渣和舞陽鋼渣,同時選用同一粒徑的玄武巖集料作為對比分析。瀝青裹附的鋼渣、玄武巖集料顆粒的制備方法如前所述,采用SBS改性瀝青以4%油石比拌和、分散、冷卻后制得。利用Dragonfly軟件對CT掃描結果進行多尺度、多維度分析鋼渣集料孔隙結構特征以及瀝青在孔隙中的滲透情況。

1.2.4 粗集料密度試驗

為了更好研究鋼渣集料表面特性對表觀密度、毛體積密度、吸水率和瀝青吸收率的影響,分別采用粗集料密度試驗網籃法、瀝青裹附粗集料密度試驗網籃法、粗集料瀝青浸漬法開展粗集料密度與吸水率試驗。其中粗集料密度網籃法按照《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)中 T0304粗集料密度及吸水率試驗(網籃法)進行,所用集料包括信陽鋼渣、舞陽鋼渣、建龍鋼渣、玄武巖、石灰巖和玻璃集料,每種集料選4.75～9.5 mm和9.5～13.2 mm兩種規格,共計12組試驗。玄武巖、石灰巖和玻璃集料均是作為對比分析。均設置平行試驗以減小試驗誤差。

粗集料密度及吸水率試驗網籃法的集料毛體積相對密度γb、表觀相對密度γa和表干相對密度γs以及吸水率wx分別按式(1)～式(4)計算。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:γa為集料的表觀相對密度;γs為集料的表干相對密度;γb為集料的毛體積相對密度;ma為集料的烘干質量,g;mf為集料的表干質量,g;mw為集料的水中質量,g;wx為集料的吸水率,%。

利用《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)中所給出的集料有效密度的經驗公式,采用集料吸水率、表觀相對密度和毛體積相對密度可以計算出集料的有效相對密度,集料的有效相對密度和瀝青吸收系數按式(5)和式(6)計算。

γse=Cγsa+(1-C)γsb

(5)

(6)

式中:γse為粗集料的有效相對密度;C為瀝青吸收系數;γsa為粗集料的表觀相對密度;γsb為粗集料的毛體積相對密度。

采用瀝青裹附粗集料密度試驗網籃法計算鋼渣粗集料密度類似,主要區別就是采用瀝青裹附粗集料代替一般粗集料。如前所述,試驗前需要拌制油石比為4%的粗集料混合料,拌和完成后,將粗集料逐粒分開,冷卻后得到瀝青裹附粗集料。所用集料種類與規格與前述粗集料密度試驗網籃法相同,共6種集料×2規格,均設置平行試驗以減小試驗誤差。

集料與瀝青拌和后,粗集料的有效密度可通過網籃法測量,其主要是利用拌和前粗集料的空氣重M1,瀝青裹附粗集料的水中重M2,瀝青裹附粗集料的空氣重M3,鋼渣粗集料有效密度按式(7)計算。

(7)

式(7)中:γse為粗集料的有效密度;M1為拌和前粗集料的空氣重,g;M2為瀝青裹附粗集料的水中重,g;M3為瀝青裹附粗集料的空氣重,g;γb為瀝青的相對密度。

粗集料對瀝青的吸收率按式(8)計算。

(8)

式(8)中:Pba為瀝青吸收率,%。

為了分析鋼渣集料表面多孔特性對瀝青吸收的時間依賴性,開展0、3、7、14和21 d的瀝青吸收率試驗。

除了前述網籃法試驗,同時開展了基于瀝青浸漬法的鋼渣粗集料密度試驗,其采用的粗集料樣品是完成網籃法實驗操作的同一份鋼渣粗集料樣品,以保證試驗數據可比性。瀝青浸漬法粗集料密度試驗主要步驟如下。

步驟1將鐵棒置于不銹鋼杯中,分別稱取鐵棒和不銹鋼杯的空氣總重m1和水中總重m2,同時測量鋼渣粗集料的空氣重m3。

步驟2將鋼渣粗集料放于不銹鋼杯中,鋼渣集料、杯子和鐵棒都放入165 ℃的烘箱中,加熱4 h后,將預先加熱到165 ℃的SBS改性瀝青倒入不銹鋼杯直至完全浸沒鋼渣粗集料,同時用鐵棒攪拌排出瀝青中的氣泡。

步驟3將盛有瀝青、鋼渣粗集料的不銹鋼杯放入150 ℃烘箱中,每隔30 min取出來攪拌一次,直至無氣泡出現,之后冷卻至室溫。

步驟4測量鋼渣集料、鐵棒、瀝青、不銹鋼杯空氣中總量m4、用網籃法測量瀝青浸漬鋼渣粗集料后水中總重m5。鋼渣粗集料有效密度按式(9)計算。

(9)

式(9)中:m1為鐵棒和杯子的空氣重,g;m2為鐵棒和杯子的水中重,g;m3為鋼渣集料空氣重,g;m4為鋼渣集料、鐵棒、瀝青、不銹鋼杯空氣總質量,g;m5為鋼渣集料、鐵棒、瀝青、不銹鋼杯水中重,g。

同樣的,為了分析鋼渣集料表面多孔特性對瀝青吸收的時間依賴性,將瀝青浸漬鋼渣粗集料樣品分別靜置0、3、7、14和21 d后開展網籃法水中重試驗,通過計算不同時間下的密度,最終計算出瀝青吸收率,以深入了解鋼渣集料表面多孔結構對瀝青吸收特性。

1.2.5 瀝青與集料黏附性滾瓶法

鋼渣集料陳化后表面會形成陳化產物層,表面裹附粉塵,阻礙瀝青與鋼渣集料表面直接黏結,可降低瀝青與集料的黏附性。為了研究鋼渣集料陳化產物層對瀝青黏結性能的影響,采用德國規范EN 12697-11滾瓶法試驗來評價瀝青和集料的黏附力以及瀝青的剝落程度。滾瓶法試驗是在滾動摩擦和水的共同作用下進行,可以很好地模擬水分對瀝青膜的剝離作用。滾瓶法試驗主要步驟如下。

步驟1稱取500 g的裹附瀝青的粗集料,分成3份,每份取150 g。滾瓶前需要將粗集料清洗干凈,之后裝入裝有水的瓶子中,集料和水的體積約500 mL,瓶子密封。

步驟2將樣品瓶放到滾瓶裝置上,轉速控制為40 r/min,溫度為(20±5) ℃,分別滾動6、24、48和72 h取出試樣,采用目測法和Image J圖像處理軟件進一步分析確認瀝青膜剝落情況。為了進一步對比目測法和圖像法可能產生的誤差,開展了基于質量損失法的瀝青膜剝落率計算,其通過滾瓶前后質量損失除以滾瓶前集料裹附的瀝青質量來確定瀝青剝落程度。

2 結果與討論

2.1 SEM表面形貌分析

為了分析不同粗集料的表面形貌,對信陽鋼渣、舞陽鋼渣、建龍鋼渣和玄武巖集料4種不同的集料開展了SEM電子掃描觀察。從圖1試驗結果可以看出,信陽鋼渣集料表面含有較多的陳化產物,并且表面陳化產物又重新堆積形成了新的疏松孔隙結構,建龍鋼渣集料表面的陳化產物次之,而舞陽鋼渣集料表面的陳化產物相對較少。而對于玄武巖集料來說,其表面幾乎不黏附粉塵,并且微孔結構也很少,表面相對較光滑。鋼渣集料表面陳化產物的生成和疏松多孔的結構可直接影響了鋼渣集料吸水率、瀝青吸收率以及與瀝青的黏附性。

圖1 集料表面形貌SEM掃描圖Fig.1 SEM scanning images of aggregate surface morphology

2.2 瀝青-集料界面特性

不同鋼渣集料與瀝青界面的熒光顯微結果見圖2,可清晰觀察鋼渣集料與瀝青的夾層界面結構特征:即鋼渣集料a與瀝青膜c之間存在具有明顯厚度的陳化產物層b。信陽鋼渣集料的陳化產物層厚度在40～110 μm,舞陽鋼渣集料的陳化產物層厚度在10～40 μm,建龍鋼渣集料的陳化產物層厚度在50～70 μm。對于玄武巖集料,熒光顯微分析結果表明沒有出現夾層界面結構,瀝青膜和集料直接接觸。熒光顯微分析進一步證實了鋼渣集料的表面存在陳化產物,其阻礙了鋼渣集料與瀝青膜直接接觸,可影響瀝青與集料黏結性能。

2.3 集料孔隙結構與瀝青滲透分析

為了探究鋼渣集料孔隙特征以及瀝青滲透情況,重點對瀝青裹附的信陽鋼渣、舞陽鋼渣和玄武巖集料開展CT掃描分析,其結果如圖3所示。可以發現,瀝青膜裹附在集料的表面,形成一個封閉的空腔。為了進一步分析鋼渣集料孔隙特點以及瀝青滲透情況,對同一集料開展二維截面分析,在二維截面圖中,黃色代表瀝青,紅色代表集料,集料內部的黑色區域代表鋼渣內部的孔隙。通過對比信陽鋼渣、舞陽鋼渣和玄武巖集料,可以清晰地看到在信陽鋼渣集料的內部存在較多的孔隙結構,其表面紋理粗糙,凹凸起伏大,而舞陽鋼渣集料內部孔隙相對較少,表面凹凸起伏較小。玄武巖集料內部基本不存在微孔結構,表面相對較光滑。通過CT切割的正方體模型,計算得到信陽鋼渣集料孔隙率在9.50%～16.25%,平均孔隙率為13.48%。而舞陽鋼渣集料的孔隙率為2.15%～2.95%,平均孔隙率為2.87%,玄武巖集料的孔隙率為0.01%～0.71%,平均孔隙率為0.23%。通過圖像觀察和孔隙率計算均表明信陽鋼渣集料內部孔隙率較高,舞陽鋼渣集料內部孔隙數目相對較少,而玄武巖集料內部基本不存在孔隙結構。瀝青膜裹附在鋼渣集料表面,并且部分瀝青已經通過鋼渣集料表面的開口空隙進入鋼渣集料的內部結構當中,而玄武巖集料表面的瀝青僅僅是附著于集料表面,沒有進入玄武巖集料的內部。

圖3 集料CT掃描結構圖Fig.3 CT scanning images of aggregates

為了進一步驗證鋼渣集料表面開口孔隙與瀝青的滲透情況,采用切割正方體模型的方法,在集料邊界上不同部位截取邊長為0.3 mm的正方體,如圖4所示。可明顯地看到瀝青膜裹附于鋼渣集料表面,并且部分瀝青通過鋼渣集料表面的開口孔隙進入鋼渣集料內部,而鋼渣集料內部閉合孔隙瀝青難以滲入。玄武巖集料表面因開口孔隙少,瀝青只是附著于表面,被吸收量相對于鋼渣集料不明顯。

黃色部分為瀝青,藍色部分為孔隙,黑色部分為外界的空氣圖4 集料表面與瀝青黏結結構CT掃描圖Fig.4 CT scan images of aggregates surface and asphalt bonding structure

利用灰度調節法進一步分析了瀝青在不同集料表面的分布特點,結果如圖5所示,發現信陽鋼渣和舞陽鋼渣集料的表面微孔和瀝青是相互交錯的,瀝青已經部分滲透在孔隙中,信陽鋼渣集料表面的瀝青分布最接近于珊瑚狀,舞陽鋼渣集料表面瀝青相對于信陽鋼渣集料較少,而玄武巖集料表面的瀝青分布只是一層薄片,幾乎沒有珊瑚狀的延深結構,進一步證實了鋼渣集料表面微孔多,凹凸起伏大的特點,瀝青通過鋼渣集料表面的開口孔隙可滲入內部。

圖5 瀝青在集料表面開口孔隙的滲透情況Fig.5 Asphalt penetration in the open pores of aggregate surface

通過在鋼渣集料內部切割出正方體模型,用來深入分析集料內部的孔隙分布特點,其結果如圖6所示。通過調節灰度閾值范圍將鋼渣集料實體剔除,得到相應的孔隙結構,可以更加直觀地觀察集料內部孔隙的分布特點。圖6結果表明信陽鋼渣集料內部孔隙相對較多,舞陽鋼渣集料次之。由于玄武巖集料內部孔隙極少,顯示度不足,故沒有在圖6中給出相應圖片。在上述集料內部孔隙沒有發現瀝青,進一步證明瀝青滲透能力有限,僅限于滲入表面開口孔隙。

藍色部分為內部的孔隙結構,灰色部分為鋼渣集料實體圖6 集料內部結構CT掃描圖Fig.6 Internal structure of aggregates by CT scanning

為了進一步探究瀝青在鋼渣集料表面分布的實際情況,通過CT掃描的圖像分析鋼渣集料表面開口孔隙的孔徑和深度與瀝青浸入深度的關系,如圖7～圖9所示。對于葫蘆狀孔隙,瀝青主要填充于開口處,占據葫蘆狀孔隙的上半部分空間。當鋼渣集料開口孔隙為柱形時,瀝青部分填充于孔隙開口處,而余下內部孔隙沒有被瀝青所填充。對于V形開口孔隙,瀝青幾乎占據了全部V形開口深度。上述結果表明集料表面孔隙的開口形狀對瀝青滲入影響大。

圖7 鋼渣集料葫蘆狀開口孔隙二維截面CT掃描圖Fig.7 CT scanning images of 2D section of steel slag aggregate gourd shaped open pores

圖8 鋼渣集料柱狀開口孔隙二維截面CT掃描圖Fig.8 CT scanning images of 2D section of steel slag aggregate cylindrical open pores

圖9 鋼渣集料V形開口孔隙二維截面CT掃描圖Fig.9 CT scanning images of 2D section of steel slag aggregate V-shaped open pores

通過軟件實測不同孔隙開口大小和瀝青浸入深度的關系,得到信陽鋼渣和舞陽鋼渣集料的開口孔徑和瀝青滲透深度的關系曲線,結果如圖10所示。兩種鋼渣集料都呈現開口孔徑越大,瀝青浸入的深度也就越深的關系,即開口孔徑和瀝青浸入深度呈正相關。為了探究開口深度和瀝青滲透深度的關系,用相似的方法檢測發現瀝青浸入深度與開口孔隙深度無明顯的關系,結果如圖11所示。CT掃描試驗結果表明鋼渣集料表面開口孔隙對瀝青吸收較為有限,且與開口形狀和大小存在較強依賴性,通過線性擬合發現瀝青滲透深度約為開口孔徑的0.6倍。由于瀝青黏度遠大于水,其難以完全滲入并填充鋼渣集料表面開口孔隙,余下孔隙一方面可以提供多余空間吸納高溫時瀝青膨脹而避免產生的瀝青路面泛油問題,另一方面若余下孔隙中殘留有水汽,被瀝青膜包裹的孔隙水汽可產生水損害和凍脹破壞,造成瀝青膜剝落。

圖10 鋼渣集料表面開口孔徑和瀝青滲透深度關系圖Fig.10 Relation between asphalt penetration depth and opening aperture of steel slag aggregate

圖11 鋼渣集料表面開孔深度和瀝青滲透深度關系圖Fig.11 Relation between asphalt penetration depth and open pore depth of steel slag aggregate

上述試驗結果表明鋼渣集料表面多孔結構對瀝青只是部分吸收與填充,而瀝青吸收和滲入的程度又直接影響鋼渣集料的實際有效密度和瀝青混凝土的體積性能。從耐久性設計考慮,配合比設計應適當增加瀝青用量以提高鋼渣集料表面瀝青膜厚和降低孔隙率以有利于提升鋼渣瀝青混凝土使用耐久性。

2.4 瀝青吸收特性研究

2.4.1 鋼渣集料的有效密度

為了深入研究鋼渣集料表面特性對鋼渣集料有效密度與瀝青吸收率的影響,分別采用粗集料密度試驗網籃法和瀝青裹附粗集料密度試驗網籃法開展粗集料密度與吸水率試驗。所用集料包括信陽鋼渣、舞陽鋼渣、建龍鋼渣、玄武巖、石灰巖和玻璃集料,每種集料選4.75～9.5 mm和9.5～13.2 mm兩種規格,共計12組試驗。玄武巖、石灰巖和玻璃集料均是作為對比分析。試驗均采用平行試驗以減小試驗誤差,相關試驗結果如表1所示。瀝青浸漬法測量集料的有效相對密度結果如表2所示。試驗結果表明除太原鋼渣以外的鋼渣集料,其它鋼渣集料吸水率均大于天然集料,并且吸水率均大于1.65%,其中信陽鋼渣集料的吸水率最大,建龍鋼渣集料次之,舞陽鋼渣集料的吸水率最小。對于玻璃集料來說,其吸水率為0,沒有水分浸入到內部。通過試驗數據可以發現,瀝青預拌裹附法和瀝青浸漬法實測集料的有效密度是介于毛體積相對密度和表觀相對密度之間,與實際規律相符。

表1 基于網籃法和瀝青預拌裹附法的不同粗集料有效密度試驗結果Table 1 Test results of effective density of different coarse aggregates based on basket method and asphalt pre-coated aggregate method

表2 基于網籃法和瀝青浸漬法的不同粗集料有效密度試驗結果Table 2 Test results of effective density of different coarse aggregates based on basket method and asphalt immersion method

上述兩種分別采用純粗集料和裹附瀝青膜的粗集料進行有效密度試驗,通過對兩種試驗方法對比分析可了解集料與瀝青拌和后其是否會因為吸收瀝青而導致有效密度發生改變,進而會影響到其瀝青混合料的最大理論密度和體積性能計算。圖12中擬合結果表明二者存在很好的線性相關性,整體上不同集料與瀝青拌和后有效密度比純集料有效密度減小0.5%～0.8%,其中吸水率為0的玻璃集料前后不變,天然集料有效密度約減小0.5%,而鋼渣集料有效密度約減小0.8%,整體上,集料有效密度與吸水率相關性大。

圖12 傳統粗集料網籃法和瀝青預拌裹附集料網籃法有效密度的相關性Fig.12 Relationship between effective density of traditional coarse aggregate basket method and asphalt pre-coated aggregate basket method

同樣的,可以得到瀝青浸漬法測量鋼渣集料的有效密度和純集料有效密度之間的關系,結果見圖13。試驗結果表明瀝青浸漬法實測鋼渣集料的有效密度與傳統網籃法也具有很強的線性相關性,相關系數0.988 7。采用瀝青浸漬法測量得到的鋼渣集料有效密度比水中重法得到的鋼渣集料有效密度小0.13%,二者試驗結果很接近。瀝青浸漬法采用高溫保溫,降低瀝青黏度的方式,其可加速瀝青滲入鋼渣集料表面孔隙,而瀝青預拌裹附法采用鋼渣集料與瀝青預拌和以在集料表面形成瀝青膜的方式,其更好的模擬了鋼渣瀝青混合料拌和和冷卻過程對瀝青的吸收,使得測得的鋼渣集料有效密度結果更具有代表性。理論上瀝青黏度遠大于水的黏度,使得前者對集料表面微孔的滲透性遠小于后者,因此相比較而言瀝青預拌裹附法試驗結果比瀝青浸漬法更準確,且操作簡便。

圖13 傳統粗集料網籃法和瀝青浸漬法有效密度的關系Fig.13 Relationship between effective density of traditional coarse aggregate basket method and asphalt immersion method

2.4.2 瀝青吸收率

鋼渣集料具有多孔結構的特點,部分瀝青在與集料拌和時會滲入開口孔隙當中而被鋼渣集料所吸收。利用瀝青預拌裹附法可實測鋼渣集料吸收瀝青量,并與水中重法測量鋼渣集料吸水率做比較以建立吸水率和瀝青吸收率相關性。圖14中試驗結果發現鋼渣集料的吸水率和瀝青吸收率存在很好的線性關系,鋼渣集料的吸水率越大,相應的瀝青吸收率就越大,所有集料擬合線性斜率約為0.39,表明當鋼渣集料吸水率為2%時,其對應的瀝青吸收率約為0.8%,進一步佐證了鋼渣集料表面開口孔隙只是被瀝青部分填充,水分能滲入的孔隙,瀝青難以完全滲入。

圖14 粗集料吸水率與瀝青預拌裹附集料實測瀝青吸收率的關系Fig.14 Relationship between water absorption of coarse aggregate and asphalt absorption by asphalt pre-coated aggregate method

圖15為瀝青浸漬法實測鋼渣集料瀝青吸收率與吸水率的關系圖。試驗結果表明瀝青浸漬法實測鋼渣瀝青吸收率與吸水率有很好的線性相關性,擬合線性斜率約為0.5。采用瀝青浸漬法時瀝青吸收率略高于瀝青預拌裹附法,其原因是鋼渣集料在高溫瀝青中浸漬時更有利于瀝青滲入孔隙中。

圖15 集料吸水率與瀝青浸漬法實測瀝青吸收率的關系圖Fig.15 Relationship between aggregate water absorption and asphalt absorption by asphalt immersion method

2.4.3 靜置時間對瀝青吸收率的影響

為了分析鋼渣集料與瀝青拌和好后靜置過程中是否存在瀝青長期被吸收問題,將同一樣品分別靜置1、3、7、14和21 d后開展了有效密度與瀝青吸收率試驗。為方便試驗分析,以1 d數據為基準進行歸一化整理,得到圖16柱形圖和圖17趨勢圖。試驗結果表明鋼渣集料對瀝青的吸收是長期過程,初始瀝青吸收率增加較快,最后趨于平緩。在初始階段鋼渣集料對瀝青的吸收多集中填充于表面孔隙,隨著時間的延長逐漸滲入到內部,并趨于穩定。同樣的采用瀝青浸漬法得到瀝青吸收率隨時間變化關系見圖18和圖19。可以發現與瀝青預拌裹附法相似的結論,即瀝青的吸收率隨著時間的增加呈現先快后慢最后趨于平緩的趨勢。

集料類型中,A～L同表1;1、3、7、14和21為靜置時間1、3、7、14、21 d圖16 瀝青預拌裹附法歸一化分析瀝青吸收率與時間的關系Fig.16 Relationship between asphalt absorption rate and time based on asphalt pre-coated aggregate method and normalized analysis

圖17 瀝青預拌裹附法分析瀝青吸收率與時間的變化趨勢Fig.17 Trend of asphalt absorption over time by asphalt pre-coated aggregate method

集料類型中,A～F同表1;1、3、7、14和21為靜置時間1、3、7、14、21 d圖18 瀝青浸漬法歸一化分析瀝青吸收率與時間的關系Fig.18 Relationship between asphalt absorption and time based on asphalt immersion method and normalized analysis

圖19 瀝青浸漬法分析瀝青吸收率與時間的變化趨勢Fig.19 Trend of between asphalt absorption over time by asphalt immersion method

2.4.4 靜置時間對有效密度的影響

圖20和圖21給出了鋼渣集料裹附瀝青后的有效密度與時間的變化關系。以1 d數據為基準進行歸一化分析,結果表明鋼渣集料在長期靜置過程中可持續吸收瀝青,其有效密度在初始階段增加幅度較大,并隨著時間延長最終趨于穩定,整體上,鋼渣集料因長其靜置吸收瀝青導致其有效密度增加幅度小于0.5%。瀝青浸漬法的試驗結果如圖22和圖23所示,其規律性與瀝青預拌裹附法相似,鋼渣集料有效密度都是隨著時間的增加而增加,且增加幅度遠大于瀝青預拌裹附法,其原因是鋼渣集料在高溫瀝青浸漬過程中有助于瀝青被表面開口孔隙吸收,從而造成瀝青吸收加快和增加,使得鋼渣集料的有效密度增幅較大。

集料類型中,A～F同表1;1、3、7、14、21為靜置時間1、3、7、14、21 d圖20 瀝青預拌裹附法歸一化分析集料有效密度與時間的關系Fig.20 Relationship between aggregate effective density and time based on asphalt pre-coated aggregate method and normalization analysis

圖21 瀝青預拌裹附法分析集料有效密度與時間的變化趨勢Fig.21 Trend of aggregate effective density over time based on asphalt pre-coated aggregate method

集料類型中,A～F同表1;1、3、7、14和21為靜置時間1、3、7、14、21 d圖22 瀝青浸漬法歸一化分析集料有效密度與時間的關系Fig.22 Relationship between aggregate effective density and time based on asphalt immersion method and normalization analysis

圖23 瀝青浸漬法分析集料有效密度與時間的變化趨勢Fig.23 Trend of aggregate effective density based on asphalt immersion method

2.4.5 集料與瀝青黏附性

鋼渣集料陳化后表面會形成陳化產物層,阻礙瀝青與鋼渣集料表面直接黏結,可降低瀝青與集料的黏附性。為了研究鋼渣陳化產物層對瀝青黏結性能的影響,采用德國規范EN 12697-11滾瓶法試驗來評價瀝青和集料的黏附力以及瀝青的剝落程度。

滾瓶法試驗是在滾動摩擦和水的共同作用下進行的,很好地模擬了水分對瀝青膜的剝離作用。為了對比分析,采用玻璃、玄武巖和石灰巖集料作為參考,選用建龍鋼渣、信陽鋼渣和舞陽鋼渣集料開展72 h滾瓶試驗,結果如圖24和圖25所示。玻璃集料與瀝青的黏附力最小,滾瓶72 h后,玻璃集料的瀝青膜殘留率最小,石灰巖集料的瀝青膜殘留率最大,而玄武巖集料次之。整體上天然集料表面的瀝青膜殘留較鋼渣集料大。在3種鋼渣集料中,舞陽鋼渣集料殘留率最大,建龍鋼渣集料次之,信陽鋼渣集料最小。試驗結果證實了在水的沖刷和顆粒之間的滾動摩擦共同作用下,天然集料的抗瀝青剝落性能是強于鋼渣集料。鋼渣集料表面瀝青抗剝離性能與陳化產物層強度與致密性有關,表面陳化產物強度不足,裹附粉塵多,瀝青膜殘留率就越小,對鋼渣集料與瀝青黏附性影響越大。

圖24 滾瓶法試驗72 h結果Fig.24 Results of 72 h rolling bottle test

圖25 滾瓶法試驗目測法和質量法分析瀝青膜殘留率Fig.25 Rolling bottle test visual method and mass method for measuring asphalt film residue rate

圖26給出了目測法瀝青殘留量和質量法瀝青殘留率的關系。通過圖26可以發現,目測法和質量法測量的瀝青殘留率具有較好的線性相關,其中目測法主觀性大,其結果整體略大于質量法,二者結合可更好地表征集料與瀝青的黏附性能。由于玄武巖、石灰巖和鋼渣集料在常溫25 ℃試驗結果差異性較小,而實際高溫動水作用更易造成瀝青剝離,因此后期試驗宜增加高溫60 ℃滾瓶法試驗。

圖26 滾瓶法試驗目測法和質量損失法分析瀝青膜殘留率的相關性Fig.26 Correlation between visual measurement and mass loss measurement of asphalt film residue rate by rolling bottle method

3 結論

(1)鋼渣集料表面存在獨特的多孔結構和陳化產物層,而陳化產物層阻礙瀝青與鋼渣集料直接黏結,在界面處形成夾層結構,同時表面陳化產物強度不足,裹附粉塵多,在動水摩擦作用下易導致瀝青膜剝落。

(2)鋼渣集料表面多孔結構對瀝青只是部分吸收與填充,且與開口孔隙形狀和大小存在較強依賴性。受瀝青黏度大制約,瀝青滲透深度約為開口孔徑的0.6倍,難以完全滲入并填充鋼渣集料表面開口孔隙,余下孔隙可影響鋼渣瀝青混合料體積性能和水穩定性。

(3)瀝青預拌裹附法和瀝青浸漬法測量鋼渣集料有效相對密度與規范經驗公式法計算得到的密度呈很好的線性相關性。與規范經驗公式法相比,瀝青預拌裹附法測得密度約小0.8%,而瀝青浸漬法測得密度約小0.13%。鋼渣集料的吸水率和瀝青吸收率具有很好的線性相關性,線性斜率約為0.39。瀝青預拌裹附法更好的模擬了鋼渣瀝青混合料拌和和冷卻過程對瀝青的吸收,其測得的鋼渣集料有效密度結果更具有代表性,且操作簡便。

(4)鋼渣集料與瀝青拌和或浸漬后靜置過程中存在瀝青長期被吸收問題,初始瀝青吸收增加較快,最后趨于平緩和穩定。與瀝青拌和后,長期靜置吸收瀝青導致鋼渣集料有效密度增加幅度小于0.5%,上述結果可用于指導鋼渣瀝青混合料孔隙率設計與優化。