細(xì)集料對鋼渣瀝青混合料粘附性的影響研究*

葉　勇　周新星　劉全濤

(廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心1)　廣州　510100)　(武漢理工大學(xué)硅酸鹽中心2)　武漢　430070)

細(xì)集料對鋼渣瀝青混合料粘附性的影響研究*

葉勇1)周新星2)劉全濤2)

(廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心1)廣州510100)(武漢理工大學(xué)硅酸鹽中心2)武漢430070)

摘要：細(xì)集料是瀝青混合料的主要組成材料，對混合料的粘附性能影響極大.采用三維景深顯微鏡、掃描電鏡和分子模擬技術(shù)分析細(xì)集料微觀形貌對鋼渣瀝青混合料粘附性能的影響；提出了一套以微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)的瀝青混合料粘附性的評價方法.結(jié)果表明，粗糙度和分形維數(shù)與混合料粘附性呈正比，細(xì)集料的粗糙度、接觸角和界面粘附能夠很好地描述鋼渣瀝青混合料的粘附性.

關(guān)鍵詞：細(xì)集料；鋼渣；瀝青混合料；粘附性

0引言

鋼渣是煉鋼過程中排出的廢渣，可分為轉(zhuǎn)爐渣、平爐渣和電爐渣，是冶金行業(yè)的主要固體廢棄物.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2014年我國鋼渣累積堆存近10億噸，綜合利用率僅10%[1].如何高效地對鋼渣進(jìn)行綠色發(fā)展和資源化的循環(huán)利用已成為國內(nèi)外重點(diǎn)關(guān)注的問題.鋼渣可作為一種特殊集料類型應(yīng)用于瀝青混合料；同時也可粉磨成鋼渣微粉代替水泥.鋼渣瀝青混合料是由粗集料、細(xì)集料、填料和瀝青組成的一種復(fù)合材料.這些組成由于性能各異，可形成結(jié)構(gòu)不同的瀝青混合料，使瀝青混合料表現(xiàn)出不同的特性.集料作為瀝青混合料的主要組成部分，其表面構(gòu)造和棱角性對鋼渣瀝青混合料粘附性的貢獻(xiàn)突出，特別是細(xì)集料的貢獻(xiàn)更大.細(xì)集料在瀝青混合料中不僅起著骨架形成作用，還起著孔隙填充作用[2].因此，非常有必要對細(xì)集料對鋼渣瀝青混合料粘附性的影響進(jìn)行研究.國內(nèi)外眾多研究表明，瀝青混合料的粘附性評價指標(biāo)主要包括：接觸角、粘附力、粘附功、表面能、吸附量和穩(wěn)定度[3-4]；而粘附失效機(jī)制則主要包括：粘聚失效和粘附失效[5].粘聚失效是指瀝青混合料中瀝青內(nèi)部發(fā)生的破壞失效，較易發(fā)生在瀝青性能發(fā)生嚴(yán)重惡化的混合料中，如紫外老化混合料；粘附失效是指瀝青混合料中瀝青和集料之間的破壞失效，較易發(fā)生在瀝青-集料界面粘附力弱的混合料中，如水損害瀝青混合料，集料表面含泥量較多的瀝青混合料.目前有關(guān)細(xì)集料對瀝青混合料的影響研究主要集中在細(xì)集料的幾何特性和混合料的力學(xué)性能.韓海峰等[6]借助棱角性評價了細(xì)集料對瀝青混合料水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性等基本性能的影響，認(rèn)為棱角性不能單獨(dú)作為評價細(xì)集料對瀝青混合料性能影響的指標(biāo).陳璟和王大慶等[7-9]基于AC-13混合料研究了細(xì)集料幾何特性對混合料路用性能的影響.粘附性的研究則主要集中在瀝青-集料、瀝青-礦料、膠漿-集料界面粘附性的研究[10-13]，未能就細(xì)集料的組成和表面形貌對瀝青混合料粘附性的影響進(jìn)行研究.針對上述情況，本文采用三維景深顯微鏡、掃描電鏡和分子模擬技術(shù)相結(jié)合，對細(xì)集料微觀形貌分析系統(tǒng)，定量表征細(xì)集料組成和微觀結(jié)構(gòu)對瀝青混合料粘附性的影響，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法探討細(xì)集料微觀結(jié)構(gòu)各指標(biāo)與鋼渣瀝青混合料粘附性的相關(guān)程度和相關(guān)函數(shù).

1原材料與實(shí)驗(yàn)

粗集料(4.75～16 mm)選用鋼渣；細(xì)集料(0～4.75 mm)分別采用1#鋼渣、2#玄武巖和3#石灰?guī)r3種不同細(xì)集料；瀝青為SBS改性瀝青(PG76-22)，25 ℃針入度為56 0.1 mm，軟化點(diǎn)為82 ℃.為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性，級配設(shè)計(jì)均采用AC-13C，具體見表1.油石比為5.4%.細(xì)集料棱角性測試參照T0344-2000，瀝青飽和度實(shí)驗(yàn)參照J(rèn)TG F40-2004，馬歇爾穩(wěn)定度測試參照T0709-2011.

表1　AC-13C級配組成

由于在瀝青混合料中對粘附性起主導(dǎo)作用的是細(xì)集料與瀝青之間的粘附，因此研究細(xì)集料對鋼渣瀝青混合料粘附性的影響需要分別構(gòu)建瀝青-鋼渣、瀝青-玄武巖和瀝青-石灰?guī)r模型.本文通過Layer層狀功能構(gòu)造瀝青-集料模型，瀝青的分子模型參照Zhou[14]，鋼渣集料選用CaO·SiO2，玄武巖選用SiO2，石灰?guī)r選用CaCO3.先利用正則系綜(NVT)速度標(biāo)定方法運(yùn)行100ps以平衡體系能量的劇烈波動，再利用分子動力學(xué)能量分析模塊計(jì)算各體系能量，最后根據(jù)界面粘附能定義計(jì)算界面粘附能.

2結(jié)果與討論

2.1細(xì)集料棱角性對混合料粘附性的影響

細(xì)集料棱角性是指小于2.36 mm集料的未壓實(shí)空隙率.一般認(rèn)為細(xì)集料棱角性越大，破碎面就越多，細(xì)集料表面就越粗糙，粘附性越強(qiáng).見表2，1#鋼渣、2#玄武巖、3#石灰?guī)r其棱角性分別為51%，48%和43%；3種不同細(xì)集料組成的瀝青混合料其瀝青飽和度分別為49%，56%和58%，表明1#鋼渣細(xì)集料對瀝青的吸附能力最好，瀝青混合料的粘附性最強(qiáng)；其次是2#玄武巖細(xì)集料，由其組成的瀝青混合料粘附性劣于鋼渣瀝青混合料；3#石灰?guī)r細(xì)集料對瀝青的吸附能力最差，由石灰?guī)r細(xì)集料組成的瀝青混合料其粘附性最弱.由上述結(jié)果可知，細(xì)集料棱角性越好由其組成的瀝青混合料粘附性也越好，兩者之間存在一定的正比例關(guān)系.

表2　細(xì)集料棱角性和混合料中瀝青飽和度　%

2.2細(xì)集料微觀形貌對混合料粘附性的影響

細(xì)集料微觀形貌(見圖1)的表征主要包括粗糙度參數(shù)和分形參數(shù).眾多的表征參數(shù)中借助三維表面形貌3D等高圖描述細(xì)集料微觀形貌具有更為直觀的可信度.由圖1可知，鋼渣細(xì)集料表面粗糙度較大，最大值達(dá)到374 μm；玄武巖細(xì)集料表面粗糙度其次，最大值達(dá)到282 μm；石灰?guī)r細(xì)集料表面粗糙度最小，最大值才263 μm.利用儀器自帶軟件功能和MATLAB計(jì)算細(xì)集料分析維數(shù)，結(jié)果表明：1#鋼渣細(xì)集料、2#玄武巖細(xì)集料、3#石灰?guī)r細(xì)集料平均分形維數(shù)分別為1.9，1.6和1.5，取樣間距為1 000.其中分形維數(shù)D采用結(jié)構(gòu)函數(shù)法計(jì)算.

(1)

式中：α為采用最小二乘法擬合輪廓線與取樣長度兩種之間曲線的斜率.

圖1　細(xì)集料微觀形貌

瀝青混合料的粘附性的表征方法包括接觸角、粘附功、微觀形貌等，其中微觀形貌(見圖2)具有形象、直觀等特點(diǎn)，是一種較為便捷的粘附性表征手段.由圖2可知，1#鋼渣細(xì)集料組成的鋼渣瀝青混合料表面瀝青較多，集料表面大多被瀝青所包裹，粘附性較好；2#玄武巖細(xì)集料組成的鋼渣瀝青混合料表面瀝青呈團(tuán)狀，集料表面瀝青含量其次，粘附性較1#鋼渣瀝青混合料粘附性稍差；3#石灰?guī)r細(xì)集料組成的鋼渣瀝青混合料表面基本由片狀集料組成，瀝青含量很少，粘附性較差.結(jié)合細(xì)集料粗糙度和分形參數(shù)可知，粗糙度越大，分形維數(shù)越大，鋼渣瀝青混合料的粘附性越好；粗糙度和分形維數(shù)與混合料粘附性呈正比.

圖2　混合料微觀形貌

2.3細(xì)集料接觸角對混合料粘附性的影響

接觸角是指氣體-液體的切線與液體-固體交界線之間的夾角，可用來評價物質(zhì)粘附性的好壞.選用鋼渣、玄武巖、石灰?guī)r3種細(xì)集料磨平后的表面與蒸餾水做接觸角實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3.石灰?guī)r與蒸餾水的接觸角最大(56°)，其次是玄武巖與水的接觸角(53°)，鋼渣與水的接觸角最小(39°)，表明鋼渣細(xì)集料的粘附性最好，玄武巖細(xì)集料的粘附性其次，石灰?guī)r細(xì)集料的粘附性最差.馬歇爾穩(wěn)定度是指瀝青混合料在規(guī)定溫度和濕度條件下抵抗外加壓力的能力，單位為kN.由表3可知，1#，2#，3#鋼渣瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度依次減弱，對比接觸角和馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，細(xì)集料接觸角與鋼渣瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度存在反比例關(guān)系，接觸角越大，馬歇爾穩(wěn)定度越小.

表3　細(xì)集料接觸角和混合料馬歇爾穩(wěn)定度

2.4細(xì)集料-瀝青分子模型對鋼渣瀝青混合料粘附性的影響

分子模擬技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)軟件模擬實(shí)驗(yàn)，研究材料在特定溫度和壓力條件下性能變化的方法.圖3分別列示了瀝青-鋼渣分子模型、瀝青-玄武巖分子模型和瀝青-石灰?guī)r分子模型.在分子模型中，上面層為瀝青模型，中間層為瀝青-集料界面，下面層為集料模型.利用分子模擬技術(shù)研究瀝青混合料的粘附性具有動態(tài)、直觀、定量化的特點(diǎn).

圖3　分子模型

界面粘附能是用來衡量瀝青與集料表面的相互作用力，是評價粘附性的重要參數(shù)之一，見表4.通過計(jì)算3種不同集料與瀝青界面粘附能分析細(xì)集料對鋼渣瀝青混合料粘附性的影響.瀝青-集料界面粘附能計(jì)算公式如下.

(2)

式中：E瀝青為瀝青表面能；E表面為集料表面能；E總為瀝青-集料混合體系總內(nèi)能.由表4可知，瀝青和鋼渣界面粘附能最大，為83 972.797 kJ·mol-1；瀝青和玄武巖界面粘附能其次，為-17 689.070 kJ·mol-1；瀝青和石灰?guī)r界面粘附能最小，為-18 666.517 kJ·mol-1.界面粘附能結(jié)果表明，不同細(xì)集料與瀝青粘附能相差較大，細(xì)集料對鋼渣瀝青混合料界面粘附能具有重要影響，特別是在細(xì)集料與粗集料不同的瀝青混合料體系當(dāng)中.

表4　瀝青-集料界面粘附能　kJ·mol-1

2.5細(xì)集料粘附性的相關(guān)性檢驗(yàn)

相關(guān)性檢驗(yàn)是用來驗(yàn)證2個或2個以上相互關(guān)聯(lián)指標(biāo)之間的相關(guān)性.變量之間可以存在線性相關(guān)，也可以存在非線性相關(guān)，還可以存在隱性相關(guān)(即存在弱相關(guān)或不存在相關(guān)性).表5為粘附性參數(shù)的相關(guān)性檢驗(yàn).由表5可知，棱角性與瀝青飽和度、粗糙度、分形維數(shù)、接觸角、穩(wěn)定度、粘附性存在非線性相關(guān)；瀝青飽和度與粗糙度、分形維數(shù)、接觸角、穩(wěn)定度、粘附性存在線性相關(guān)；粗糙度與分形維數(shù)、接觸角、穩(wěn)定度、粘附性也存在線性相關(guān)；分形維數(shù)與接觸角、穩(wěn)定度存在線性相關(guān)，與粘附性存在非線性相關(guān)；接觸角與穩(wěn)定度、粘附性存在線性相關(guān)；穩(wěn)定度與粘附性同樣存在線性相關(guān)；且各相關(guān)性檢驗(yàn)中相關(guān)性指數(shù)R2≥95%.同時，相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果表明，粘附性參數(shù)可以用瀝青飽和度、粗糙度、接觸角、穩(wěn)定度等線性表示，細(xì)集料的部分參數(shù)可以很好地描述瀝青混合料的粘附性，且具有很強(qiáng)的科學(xué)依據(jù).

表5　粘附性參數(shù)的相關(guān)性檢驗(yàn)

3結(jié)論

采用三維景深顯微鏡、掃描電鏡和分子模擬等技術(shù)相結(jié)合的方法對細(xì)集料的組成和微觀形貌進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論.

1) 細(xì)集料棱角性越好，混合料粘附性越強(qiáng)，棱角性與混合料粘附性呈正比，與瀝青飽和度呈反比；粗糙度越大，分形維數(shù)越大，鋼渣瀝青混合料的粘附性越好；粗糙度和分形維數(shù)與混合料粘附性呈正比；接觸角越大，馬歇爾穩(wěn)定度越小，接觸角與混合料粘附性呈反比.

2) 不同細(xì)集料與瀝青粘附能相差較大，細(xì)集料對鋼渣瀝青混合料界面粘附能具有重要影響，特別是在細(xì)集料與粗集料不同的瀝青混合料體系當(dāng)中.

3) 粘附性參數(shù)可以用瀝青飽和度、粗糙度、接觸角、穩(wěn)定度線性表示，細(xì)集料的部分參數(shù)可以很好地描述瀝青混合料的粘附性，且具有很強(qiáng)的科學(xué)依據(jù).

參 考 文 獻(xiàn)

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Effect of Fine Aggregates on the Adhesive Properties of Steel Slag Based Asphalt Mixtures

YE Yong1)ZHOU Xinxing2)LIU Quantao3)

(GuangdongNanyueTransportationJieyang-HuilaiHighwayManagementCenter,Jieyang515325,China)1)(StateKeyLaboratoryofSilicateMaterialsforArchitectures,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)2)

Abstract：Fine aggregates are the major components of asphalt mixtures, which are very important to the adhesive properties of mixtures. Three-dimensional field microscope, scanning electron microscope and molecular simulation are used to evaluate the effects of morphology of fine aggregates on the adhesive properties of steel slag asphalt mixtures. Moreover, a microstructure based method is proposed to evaluate the adhesive property of the mixtures. It is found that the bigger the roughness and fractal dimension are, the better the adhesive properties of mixtures is. The roughness, contact angle and interface adhesive energy can well and scientifically describe the difference of the adhesive properties of asphalt mixtures.

Key words：fine aggregates; steel slag; asphalt mixtures; adhesive properties

收稿日期：2016-04-01

中圖法分類號：TU528.42

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.006

葉勇(1973- )：男，碩士，高級工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)楣饭こ碳夹g(shù)

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51508433)