鋼渣粉性能表征及其對瀝青膠漿低溫流變性能影響研究

彭 柳

(武漢中和工程技術(shù)有限公司,湖北 武漢 430080)

瀝青混凝土是用瀝青膠結(jié)料與礦質(zhì)混合料經(jīng)過充分拌合形成的一種復(fù)合材料。其中礦質(zhì)材料占到瀝青混凝土總量的90-95%[1]。因此瀝青路面建設(shè)需要消耗大量的天然礦質(zhì)原材料,如石灰石、玄武巖等[2]。為了緩解道路建設(shè)對天然石料的消耗,目前國內(nèi)外學(xué)者將工業(yè)廢棄物鋼渣替代天然集料用于制備瀝青混凝土。鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的一種固體廢棄物,其產(chǎn)量約為粗鋼產(chǎn)量的8%-15%[3]。它主要包括金屬爐料中各元素被氧化后生成的氧化物,被侵蝕的爐襯料、補爐材料以及金屬爐料帶入的雜質(zhì)和為了調(diào)整鋼渣性質(zhì)而特意加入的造渣材料[3]。起初人們并未意識到鋼渣的潛在利用價值,而是將其當作廢棄物隨意堆放,大量鋼渣長期堆放不僅造成了嚴重的水體污染、土壤硬化等環(huán)境危害,也對鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)與發(fā)展造成了巨大壓力,有悖于可持續(xù)發(fā)展的理念。

但目前鋼渣主要作為集料應(yīng)用在瀝青混凝土中,對于將鋼渣粉替代石灰石粉作為礦粉的應(yīng)用還未見報道。本文研究了鋼渣粉和石灰石粉的各項材料特性,并比較了鋼渣粉和石灰石粉膠漿在低溫下的流變性能差異。

1 試驗方案

1.1 原材料

本試驗采用90#基質(zhì)瀝青,其25℃針入度、軟化點、延度和粘度分別為92.0(0.1mm)、45.8℃、120.5cm和0.365Pa·s。鋼渣粉由武鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣碾磨而成,粒徑小于0.075mm。表1列出了石灰石粉和鋼渣粉的基本性能指標,鋼渣粉密度比石灰石粉的密度大25.21%,這主要是因為鋼渣中含有部分單質(zhì)鐵以及鐵的氧化物；此外鋼渣粉的比表面積為1.95m2/g,比石灰石粉的比表面積大26.15%,這與鋼渣多孔的結(jié)構(gòu)有關(guān),孔隙可以吸收瀝青,增強鋼渣粉與瀝青的粘結(jié)作用。

表1 兩種礦粉基本技術(shù)指標

1.2 試樣制備

為了獲得不同類型的瀝青膠漿,首先將400g 90#基質(zhì)瀝青加入容器中,并放置于油浴鍋加熱至150℃,隨后將400g礦粉和鋼渣粉分別加入樣品容器中。同時在整個混合過程中高速剪切機將保持1500rpm(轉(zhuǎn)/分鐘)的剪切速率,并持續(xù)3分鐘,以確保填料在純?yōu)r青中的均勻分布。

2 試驗結(jié)果

2.1 原材料性能表征

2.1.1 元素分布

元素分布采用荷蘭PANalytical.B.V公司的Axios advanced X射線熒光光譜儀(XRF)。兩種礦粉的元素分布如表2所示,從中可以雖然兩者元素含量差異明顯,但元素分布仍具有一些共性：均含有鈣、硅、鋁、磷和鎂元素,其中鈣元素含量最多。鋼渣粉中除了上述元素,還含有相當一部分的鐵元素和磷元素,這主要是由煉鋼過程中鐵礦石的殘渣產(chǎn)生的。高含量的鈣元素使石灰石粉和瀝青之間產(chǎn)生了較好的粘結(jié)性能。

表2 XRF檢測結(jié)果

2.1.2 熱穩(wěn)定性

熱穩(wěn)定性采用德國NETZSCH公司的STA449C掃描差示量熱儀(TG-DSC)。圖1和圖2分別是石灰石粉和鋼渣粉的TG-DSC檢測結(jié)果,兩者在100℃時均出現(xiàn)了一個吸熱峰,這是由于礦粉中的水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的。圖1同時還顯示石灰石粉的第二個吸熱峰出現(xiàn)在821.7℃,同時質(zhì)量出現(xiàn)了較大的損失,這是由于高溫下石灰石粉中的碳酸鈣分解產(chǎn)生的,最終損失的質(zhì)量與XRF結(jié)果中石灰石粉的燒失量基本一致。圖2鋼渣粉吸熱曲線的第二個吸熱峰出現(xiàn)在711.7℃,這是脫去羥基的熱效應(yīng)過程,此時熱重曲線也存在一個明顯的下降趨勢。由于熱拌瀝青混凝土溫度范圍主要在200℃以下,在此區(qū)間內(nèi)石灰石粉基本沒有質(zhì)量損失,而鋼渣粉損失了很小的質(zhì)量,石灰石粉較鋼渣粉表現(xiàn)出更好的熱穩(wěn)定性,這主要與鋼渣粉原材料成分復(fù)雜有關(guān)。

圖1 石灰石粉的TG-DSC曲線

圖2 鋼渣粉的TG-DSC曲線

2.2 膠漿低溫流變性能研究

瀝青低溫流變性能試驗所測得的蠕變勁度模量S(t)和蠕變曲線斜率m作為性能評價指標。蠕變勁度模量S(t)表征瀝青膠漿的柔性,S(t)值越小則膠漿的低溫抗開裂性能越好；蠕變曲線斜率m表征瀝青膠漿的松弛性能,m值越大則膠漿的應(yīng)力釋放速度越快,松弛能力越強,低溫抗裂性能越好[4]。

AH-90瀝青、石灰粉改性瀝青和鋼渣粉改性瀝青的S分別為145.0MPa、708.5MPa和671.7MPa,m值分別為0.143、0.345和0.347,表明礦粉的加入增大了瀝青的蠕變勁度模量,使得瀝青逐漸變脆,但礦粉的加入增強了瀝青釋放應(yīng)力的能力。此外鋼渣粉膠漿的S為708.5MPa,較石灰石粉膠漿低5.18%；同時鋼渣粉膠漿的m值為0.347,較石灰石粉膠漿高0.50%,表現(xiàn)出更好的低溫抗開裂性能,提高了瀝青膠漿的低溫流變性能。

3 結(jié)論

(1)鋼渣粉密度比石灰石粉的密度大25.21%,這主要是因為鋼渣中含有部分單質(zhì)鐵以及鐵的氧化物；此外鋼渣粉的比表面積為1.95m2/g,比石灰石粉的比表面積大26.15%,這與鋼渣多孔的結(jié)構(gòu)有關(guān),孔隙可以吸收瀝青,增強鋼渣粉與瀝青的粘結(jié)作用。

(2)鋼渣粉和石灰石粉均含有鈣、硅、鋁、磷和鎂元素,其中鈣元素含量最多。鋼渣粉中除了上述元素,還含有相當一部分的鐵元素。

(3)礦粉的加入同時增大了瀝青的蠕變勁度模量和蠕變曲線斜率,鋼渣粉膠漿的S較石灰石粉膠漿低5.18%,而m值較石灰石粉膠漿高0.50%,表現(xiàn)出更好的低溫抗開裂性能,提高了瀝青膠漿的低溫流變性能。

[1]馮艷瑾.鋼渣細料與鋼渣粉在SMA-13瀝青混合料中的應(yīng)用研究[J].江西建材,2017(21):90-93．

[2]謝君.鋼渣瀝青混凝土的制備、性能與應(yīng)用研究[D].武漢理工大學(xué),2013．

[3]邱小明,吳金保.利用超細鋼渣粉制備高性能混凝土的試驗研究[J].江西建材,2002(1):13-15．

[4]朱春陽,楊毅,劉學(xué)建.不同標號瀝青的彎曲梁流變試驗對比分析研究[J].中外公路,2007,27(4):289-291．