鋼渣粉瀝青膠漿流變特性及其混合料路用性能研究

摘要：文章通過(guò)電鏡掃描（SEM）、X射線熒光分析（XRF）、紅外光譜試驗(yàn)分析鋼渣粉、石灰?guī)r礦粉的微觀特性，并開(kāi)展鋼渣粉瀝青膠漿流變特性研究和鋼渣粉瀝青混合料路用性能試驗(yàn)，得出結(jié)論如下：鋼渣粉相比石灰?guī)r礦粉微觀形貌具備更豐富的紋理特征，有利于提升粘附性能，改善瀝青膠漿的性能，鋼渣粉摻入瀝青后以物理共融為主，有少量的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生；粉膠比增大，有利于鋼渣粉瀝青膠漿的高溫性能，但低溫性能有先增大后減小的過(guò)程；鋼渣粉替代率在75%時(shí)，高低溫流變特性綜合較佳，100%鋼渣粉替代率下瀝青膠漿低溫性能有所降低；鋼渣粉瀝青混合料路用性能試驗(yàn)表明75%鋼渣粉替代率是較佳水平，驗(yàn)證了瀝青膠漿試驗(yàn)結(jié)果的正確性。

關(guān)鍵詞：道路工程；鋼渣粉；微觀；瀝青膠漿流變性能；瀝青混合料路用性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.217

0 引言

鋼渣是在煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的固廢物，我國(guó)每年有大量的鋼渣未被利用，其堆放所產(chǎn)生的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)不可忽視。目前，道路工程領(lǐng)域多將鋼渣粗集料用于瀝青混合料，并對(duì)此開(kāi)展了大量的研究工作，鋼渣瀝青混合料路用性能可達(dá)到普通瀝青混合料水平，已經(jīng)有很多工程實(shí)踐［1-2］。瀝青混合料多采用石灰?guī)r礦粉、水泥等堿性填料以增加礦料比表面積，從而改善瀝青混合料的路用性能。膠漿理論體系認(rèn)為粉膠比對(duì)瀝青混合料性能起到關(guān)鍵作用，因此瀝青混合料路用性能的提升不可忽視膠漿因素［3］。國(guó)內(nèi)的研究多關(guān)注鋼渣粗集料代替普通集料制備瀝青混合料，以提升瀝青混合料性能，但膠漿體系對(duì)瀝青混合料性能提升的貢獻(xiàn)率明顯高于粗集料。基于此，鋼渣粉作為一種堿性強(qiáng)、強(qiáng)度高、耐磨性好的優(yōu)質(zhì)礦料，本身是一種優(yōu)質(zhì)填料，具有提升瀝青膠漿性能的潛在價(jià)值。國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼渣粉代替石灰?guī)r礦粉作為瀝青混合料填料有初步研究，并得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。劉澔［4］通過(guò)研究認(rèn)為鋼渣粉特殊表面特性能夠改善瀝青混合料的路用性能和耐久性。陳益文［5］對(duì)鋼渣粉瀝青膠漿開(kāi)展流變性能研究，并基于SEM試驗(yàn)分析了鋼渣粉和石灰?guī)r礦粉微觀表面特性，得出鋼渣粉粘附性好于石灰?guī)r礦粉的結(jié)論。李繼文［6］通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了不同鋼渣粉代替石灰?guī)r礦粉的替代率下瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，認(rèn)為替代率應(yīng)lt;75%。孫家瑛等［7］對(duì)鋼渣粉瀝青混合料的路用性能開(kāi)展研究，并得出鋼渣粉的適宜摻量為瀝青混合料質(zhì)量的4.5%的結(jié)論。上述研究結(jié)果表明鋼渣粉具備獨(dú)特的表面特性，能夠提升瀝青膠漿的性能，從而改善瀝青混合料路用性能和耐久性，但摻量不宜過(guò)多。

因此，本文通過(guò)電鏡掃描（SEM）、X射線衍射（XRD）、紅外光譜等試驗(yàn)，試圖從微觀角度深入揭示鋼渣微粉替代石灰?guī)r礦粉提升瀝青膠漿性能的機(jī)理。同時(shí)，開(kāi)展不同粉膠比下鋼渣粉替代石灰?guī)r礦粉的瀝青膠漿流變性能試驗(yàn)研究，并對(duì)鋼渣粉瀝青混合料開(kāi)展路用性能試驗(yàn)研究，驗(yàn)證鋼渣粉瀝青膠漿研究結(jié)果的可靠性，為鋼渣粉在瀝青路面的應(yīng)用提供一定的參考作用。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

采用70#A級(jí)瀝青作為基質(zhì)瀝青，制備鋼渣粉瀝青膠漿、石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿以及鋼渣粉/石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿。70#瀝青、鋼渣粉、礦粉基本技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1、表2。

1.2 試驗(yàn)方案

填料與瀝青的質(zhì)量比值即為粉膠比。設(shè)置4個(gè)粉膠比水平，分別為0.6、0.8、1.0、1. 鋼渣粉替代石灰?guī)r礦粉按照替代率設(shè)置5個(gè)水平，即0、25%、50%、75%、100%。開(kāi)展微觀試驗(yàn)、瀝青膠漿流變?cè)囼?yàn)、瀝青混合料路用性能試驗(yàn)，具體試驗(yàn)如下：

（1）微觀試驗(yàn)。采用SEM3100型掃描電子顯微鏡對(duì)鋼渣粉、石灰?guī)r礦粉開(kāi)展SEM試驗(yàn)，觀察鋼渣粉、石灰?guī)r礦粉表面微觀特性。與此同時(shí)，采用X射線熒光分析（XRF）測(cè)試鋼渣粉、石灰?guī)r礦粉的化學(xué)組成。對(duì)基質(zhì)瀝青、鋼渣粉瀝青膠漿、石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿開(kāi)展紅外光譜試驗(yàn)，分析鋼渣粉、石灰?guī)r礦粉摻入瀝青后化學(xué)組成和官能團(tuán)的變化。

（2）瀝青膠漿試驗(yàn)。開(kāi)展鋼渣粉瀝青膠漿高低溫流變性能試驗(yàn)，高溫流變?cè)囼?yàn)選擇兩個(gè)溫度，分別為58 ℃和64 ℃，儀器產(chǎn)家為美國(guó)TA公司，設(shè)備型號(hào)為DHR-2。采用BBR試驗(yàn)進(jìn)行鋼渣粉瀝青膠漿低溫流變性能研究，采取兩個(gè)試驗(yàn)溫度，分別為-6 ℃和-12 ℃。

（3）瀝青混合料路用性能試驗(yàn)。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）開(kāi)展鋼渣粉瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)和水穩(wěn)定性試驗(yàn)。車(chē)轍試驗(yàn)的溫度為60 ℃，低溫小梁彎曲試驗(yàn)溫度為-10 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 微觀分析

如圖1所示為石灰?guī)r礦粉鋼渣粉的SEM試驗(yàn)結(jié)果。從圖1可知，鋼渣粉表面紋理更為豐富，比表面積更大，具備更多的孔洞，有利于鋼渣粉與瀝青的粘結(jié)，從而提升瀝青膠漿的各項(xiàng)性能。在顆粒組成方面，石灰?guī)r礦粉表面相對(duì)光滑，而鋼渣粉表面附著許多小顆粒，這些較小的顆粒可增強(qiáng)瀝青與鋼渣粉的粘附性。

如圖2所示為紅外光譜分析結(jié)果。由圖2可知：鋼渣粉瀝青膠漿的吸收峰介于鋼渣粉與基質(zhì)瀝青之間，從大部分吸收峰可明顯看出是鋼渣粉吸收峰與基質(zhì)瀝青吸收峰的正負(fù)疊加。這表明當(dāng)鋼渣粉摻入瀝青后，主要產(chǎn)生物理共融，但并非完全物理共融，也有部分的化學(xué)反應(yīng)，體現(xiàn)在3 500～4 000 cm-1有微弱的新吸收峰，這是由胺和酰胺N-H鍵、SiO-H鍵伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的。

如表3所示為填料X射線分析結(jié)果。從表3可知：石灰?guī)r礦粉和鋼渣粉的主要成分均為CaO，但這兩者有區(qū)別。礦粉中的CaO主要是以CaCO3的形式存在，目前已經(jīng)有文獻(xiàn)證明CaCO3無(wú)助于提高瀝青與集料的粘附性。值得注意的是，鋼渣粉還含有一定量的SiO2和Al2O3，在一定條件下會(huì)與CaO發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Ca（OH） 同樣會(huì)提升鋼渣粉與瀝青的粘附性能，從而改善鋼渣粉瀝青膠漿的性能。

2.2 瀝青膠漿流變特性

2.2.1 高溫流變特性

鋼渣粉瀝青膠漿高溫流變性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3～6。由圖3～6得出結(jié)論如下：

（1）在兩個(gè)溫度水平（58 ℃、64 ℃）下，隨著鋼渣粉替代率的上升，鋼渣粉瀝青膠漿的車(chē)轍因子均增大，這與前文所獲得的鋼渣粉摻入瀝青后的化學(xué)官能團(tuán)變化以及鋼渣粉本身微觀形貌特性結(jié)論一致，即鋼渣粉有利于提升瀝青膠漿的黏性，從而改善瀝青膠漿的性能。

（2）隨著粉膠比的增大，5個(gè)鋼渣粉替代水平的瀝青膠漿車(chē)轍因子均增大，表明對(duì)于鋼渣粉瀝青膠漿而言，粉膠比增大有利于其高溫性能。

（3）隨著鋼渣粉替代率的上升，不同粉膠比下鋼渣粉瀝青膠漿的相位角呈現(xiàn)較為復(fù)雜的規(guī)律，但總體而言相位角相差較小，表明鋼渣粉對(duì)于瀝青膠漿的粘彈性有一定的影響，但目前規(guī)律較為復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究。

2.2.2 低溫流變特性

鋼渣粉瀝青膠漿低溫流變性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7～10。由圖7～10得出結(jié)論如下：

（1）兩個(gè)溫度水平（-6 ℃、-12 ℃）下，鋼渣粉瀝青膠漿的低溫性能均呈現(xiàn)較為明顯的規(guī)律：隨著鋼渣粉替代率的增加，低溫性能先增大，在75%替代率時(shí)達(dá)到最高，而后在100%替代率時(shí)低溫性能有所下降。該規(guī)律對(duì)于兩個(gè)指標(biāo)（蠕變勁度模量、蠕變速率）均成立。

（2）隨著粉膠比增大，鋼渣粉瀝青膠漿與石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿的低溫性能指標(biāo)均有所下降。

（3）根據(jù)前文鋼渣粉微觀特性試驗(yàn)的分析結(jié)果，鋼渣粉與瀝青發(fā)生了輕微化學(xué)反應(yīng)，且由于鋼渣粉相比石灰?guī)r礦粉表面將會(huì)吸收更多的瀝青輕質(zhì)組分，因此在共同因素作用下，導(dǎo)致較高的粉膠比以及較高的鋼渣粉替代率下的鋼渣粉瀝青膠漿低溫性能出現(xiàn)下降。

2.3 瀝青混合料路用性能

2.3.1 級(jí)配及油石比

按照AC-13C型瀝青混合料級(jí)配要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，粗集料為輝綠巖，細(xì)集料為石灰?guī)r，填料采用鋼渣粉/石灰?guī)r礦粉復(fù)摻，按照鋼渣粉替換率分為5個(gè)水平：0、25%、50%、75%、100%。所設(shè)計(jì)級(jí)配曲線見(jiàn)圖1 油石比選擇4.5%。

2.3.2 路用性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照前文級(jí)配及油石比，制作馬歇爾試件、高溫車(chē)轍試件、低溫小梁彎曲試驗(yàn)試件，開(kāi)展相應(yīng)的瀝青混合料路用性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖12～14。由圖12～14可知：

（1）隨著鋼渣粉替代率上升，高溫性能（即動(dòng)穩(wěn)定度）逐漸上升，且呈現(xiàn)較好的線性變化規(guī)律，但低溫性能（即破壞彎曲勁度模量）先減小后增大，在75%時(shí)達(dá)到最佳，與前文的微觀試驗(yàn)結(jié)果、膠漿試驗(yàn)結(jié)果一致。

（2）鋼渣粉瀝青混合料的水穩(wěn)定性能與其鋼渣粉替代率有關(guān)，隨著替代率上升，水穩(wěn)定性能指標(biāo)逐漸提高，且該規(guī)律同時(shí)適用于浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比，這兩個(gè)指標(biāo)在評(píng)價(jià)鋼渣粉瀝青混合料水穩(wěn)定性能時(shí)具有一致性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)鋼渣粉、石灰?guī)r礦粉開(kāi)展微觀形貌分析，將鋼渣粉替代石灰?guī)r礦粉作為填料，開(kāi)展不同粉膠比、不同鋼渣粉替代率下的瀝青膠漿流變特性、瀝青混合料路用性能試驗(yàn)及分析，得出結(jié)論如下：

（1）鋼渣粉與石灰?guī)r礦粉不同，其化學(xué)活性成分較多，將其摻入瀝青后，與瀝青發(fā)生了輕微的化學(xué)反應(yīng)，且鋼渣粉表面具有更加豐富的微觀構(gòu)造，有利于瀝青膠漿及瀝青混合料的路用性能。

（2）無(wú)論是石灰?guī)r礦粉還是鋼渣粉，隨著粉膠比的增大，瀝青膠漿的高溫性能有所改善而低溫性能受到了削弱，綜合考慮下，鋼渣粉瀝青膠漿的粉膠比并非越大越好。

（3）隨著鋼渣粉替代率的提高，鋼渣粉瀝青膠漿的高溫性能不斷改善而低溫性能在75%時(shí)達(dá)到最佳，而后在100%替代率下低溫性能下降。鋼渣粉瀝青混合料路用性能試驗(yàn)證明鋼渣粉瀝青膠漿高低溫流變性能試驗(yàn)結(jié)果的正確性，鋼渣粉代替石灰?guī)r礦粉的替代率宜控制在75%左右。

參考文獻(xiàn)

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［7］孫家瑛，蔣華欽.鋼渣微粉特性及其用于瀝青混合料的試驗(yàn)研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（4）：576-579.

收稿日期：2023-10-16

作者簡(jiǎn)介：黃柏云（1992—），工程師，主要從事道路工程研究工作。