陳化對鋼渣及其瀝青混凝土的體積和水穩(wěn)定性能影響研究

秦林清

(山西交通控股集團有限公司 忻州北高速公路分公司，山西 原平 034100)

1 前言

瀝青路面是由瀝青混凝土鋪筑而成。瀝青混凝土是用瀝青膠結(jié)料與礦質(zhì)混合料經(jīng)過充分拌和形成的一種復(fù)合材料。其中礦質(zhì)材料占到瀝青混凝土總量的90%～95%。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。統(tǒng)計表明：2017年中國實際使用瀝青混合料約4.5億t，到2020年混合料用量預(yù)計達到5億t左右，每年消耗砂石等材料30億～40億t。按照現(xiàn)在的消耗速度，優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r僅能維持15年左右。而中國未來將建成更多的道路，因此目前迫切需要尋找到可替代天然集料的筑路材料。

為了緩解道路建設(shè)對天然石料的消耗，目前國內(nèi)外學者主要圍繞兩個方面開展研究工作：① 將低品位石料應(yīng)用到瀝青混凝土中，如片麻巖、花崗巖等；② 開展固體廢棄物在瀝青混凝土中的循環(huán)再生利用研究。利用工業(yè)廢棄物鋼渣制備瀝青混凝土就是其中一個典型的代表。鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的一種固體廢物，其產(chǎn)量為粗鋼產(chǎn)量的12%～20%。主要的礦物相為硅酸二鈣、硅酸三鈣以及硅、鎂、鐵、錳、磷的氧化物形成的固熔體。鋼渣雖然是伴隨煉鋼產(chǎn)生的廢渣，但其具有優(yōu)良的耐磨、抗壓、抗滑等材料性能，滿足規(guī)范對瀝青路面用集料提出的要求。利用鋼渣制備瀝青混凝土，意義重大。一方面充分利用鋼渣這種二次資源，同時有效減少對自然資源的開采，有利于資源的綜合利用；另一方面消除鋼渣長期堆放產(chǎn)生的環(huán)境危害，如水體污染、土壤硬化等，環(huán)保效益顯著。

然而中國目前鋼渣總利用率不超過20%，將其作為路用集料使用的部分更是低于2%。中國鋼渣在道路建設(shè)領(lǐng)域使用率低主要有兩個方面的原因:① 因為鋼渣中含有少量游離氧化鈣(f-CaO)，雖然含量少，但其活性很高，f-CaO遇水會發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化物造成體積膨脹，當膨脹達到一定程度會導(dǎo)致開裂破壞，因而鋼渣存在安定性不良的問題。陳化處理是目前國際上消除鋼渣體積膨脹最簡單有效的方法，陳化可以起到均化、穩(wěn)定鋼渣的作用。此舉主要是消除鋼渣表面的活性成分，得到能夠用于道路建設(shè)的體積穩(wěn)定的鋼渣集料。目前國內(nèi)外雖然針對鋼渣作為路用材料使用開展了大量的研究工作，但存在一個很大的問題，許多學者往往是針對原始鋼渣開展材料性能評估，而探究鋼渣瀝青混凝土的性能時又是基于陳化鋼渣進行的，缺乏針對陳化鋼渣材料性能開展的系統(tǒng)性研究工作;② 考慮到陳化是鋼渣表面活性成分發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程，必然有新的物質(zhì)產(chǎn)生，新產(chǎn)物需經(jīng)歷體積從小到大的生長過程。因此從理論上來說，陳化產(chǎn)物可以一定程度上填充鋼渣表面的空隙，這為減弱鋼渣的瀝青吸收效應(yīng)和改善其導(dǎo)熱性提供了新的思路，但目前針對這方面開展的研究幾乎沒有。該文采用XRD、EPMA、SEM等先進材料測試技術(shù)對陳化鋼渣的材料性能進行表征，揭示鋼渣活性成分的變化，揭示不同陳化時間的鋼渣對瀝青混凝土性能的影響；量化陳化產(chǎn)物對鋼渣表面空隙的填充效果；通過鋼渣瀝青混凝土體積穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性驗證陳化鋼渣材料性能和孔特征的變化。

2 原材料

瀝青采用70#基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標檢測結(jié)果如表1所示。瀝青混合料的集料采用石灰?guī)r和鋼渣復(fù)合集料，其中規(guī)格為0～2.36、4.75～9.5和9.5～16 mm的集料采用石灰?guī)r；規(guī)格為2.36～4.75 mm的集料采用鋼渣，鋼渣集料技術(shù)指標檢測結(jié)果見表2。規(guī)格為4.75～9.5 mm和9.5～16 mm的集料技術(shù)指標是根據(jù)Superpave-13以及AC-13合成級配摻配后進行檢測的，集料的技術(shù)指標檢測結(jié)果見表3。礦粉為石灰石磨細的礦粉，無潮濕結(jié)團現(xiàn)象。

表1 70#基質(zhì)瀝青基本技術(shù)指標

表2 2.36～4.75 mm鋼渣的技術(shù)指標檢測結(jié)果

3 陳化對鋼渣的性能影響

3.1 鋼渣的陳化試驗

結(jié)合目前中國常用集料規(guī)格，確定該文中使用的鋼渣集料粒度范圍為2.36～4.75 mm。陳化簡單來說就是將鋼渣置于外界環(huán)境下，在空氣和水分的共同作用下，鋼渣表面活性成分轉(zhuǎn)化為惰性成分的過程。陳化過程中，為保證活性成分能均勻、充分地發(fā)生反應(yīng)，應(yīng)及時翻拌鋼渣顆粒并對其灑水。每經(jīng)過3個月取一次陳化試樣進行材料表征、孔徑分析和混凝土性能試驗，總陳化時間為12個月，取樣4次。

表3 石灰?guī)r集料的技術(shù)指標檢測結(jié)果

3.2 陳化鋼渣性能表征

為了充分表征陳化作用對鋼渣表面活性成分的調(diào)控效果，采用轉(zhuǎn)耙X射線衍射儀(XRD)對不同鋼渣試樣表面物相進行表征，基于表征結(jié)果，確定可有效控制鋼渣表面活性成分的最短陳化時間；采用JXA-8230型電子探針(EPMA)表征活性成分可控鋼渣試樣的元素分布情況；采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)對不同鋼渣試樣表面形貌進行觀察。

原始鋼渣、不同陳化時間處理的鋼渣XRD分析結(jié)果如圖1所示。圖1顯示：原始鋼渣主要含有硅酸鹽礦物[(CaO)3SiO2、(CaO)2SiO2]和復(fù)雜的RO固溶體，此外還含有少量的f-CaO。陳化6個月的鋼渣硅酸鹽礦物和f-CaO的主要衍射峰的強度均有所減弱，表明硅酸鹽礦物和f-CaO發(fā)生了變化，同時可以看到產(chǎn)生了碳酸鈣(CaCO3)和碳酸氫鈣[Ca(OH)2]兩種新的物相。根據(jù)陳化反應(yīng)的機制可以解釋這一現(xiàn)象。陳化簡單來說就是將鋼渣置于室外自然環(huán)境下，讓其與大氣、水分充分作用達到調(diào)節(jié)表面活性成分的目的。鋼渣中的硅酸鹽礦物和f-CaO的具體轉(zhuǎn)變過程為：硅酸鹽礦物和f-CaO首先與空氣中的水接觸，形成Ca(OH)2，隨后Ca(OH)2吸收空氣中的二氧化碳氣體轉(zhuǎn)化為CaCO3。

圖1 多種鋼渣試樣的XRD分析結(jié)果

由圖1可知：陳化9個月鋼渣試樣中硅酸鹽礦物的主要衍射峰強度進一步減弱，而f-CaO的衍射峰已經(jīng)很難探測到。說明f-CaO反應(yīng)完全，而硅酸鹽礦物仍在進一步發(fā)生反應(yīng)。分析原因：① 鋼渣中含有的f-CaO量少，硅酸鹽礦物的含量大；② f-CaO的活性比硅酸鹽礦物高得多，提前完成物相的轉(zhuǎn)變過程。陳化12個月的鋼渣中Ca(OH)2的衍射峰消失了，這說明不再有硅酸鹽礦物參與反應(yīng)，意味著陳化反應(yīng)的完成。但從圖譜可以看出硅酸鹽礦物相并沒有完全反應(yīng)，根據(jù)峰的強度來判斷，仍殘留相當數(shù)量的硅酸鹽礦物。這說明有物質(zhì)阻礙了鋼渣中硅酸鹽礦物的進一步反應(yīng)。下面通過表征陳化12個月的鋼渣元素分布情況來解釋這一問題。

用于元素分布測試的試件制備過程如圖2所示，首先將陳化了12個月的鋼渣顆粒(2.36～4.75 mm)用切割設(shè)備切開，將切割面打磨光滑；再確定用于電子探針掃描的區(qū)域，確定原則是保證掃描區(qū)同時含有陳化產(chǎn)物層和未陳化的原始鋼渣區(qū)域。

圖2 鋼渣試件制備過程

掃面區(qū)域的背散射電子圖像如圖3所示，原始鋼渣主要顯示出兩種顏色的區(qū)域：灰色和灰白色(黑色是由于樣品觀察面不平整引起的，并非物質(zhì)本身的原因)。根據(jù)元素面掃描結(jié)果來看，灰白色區(qū)域主要是金屬元素形成的復(fù)雜固溶體(FeO-MgO-MnO-Al2O3)，而灰色則主要是硅酸鹽礦物。陳化產(chǎn)物層元素表征結(jié)果顯示其鈣元素非常密集，而硅元素濃度很低，這與陳化反應(yīng)機制是一致的，說明陳化反應(yīng)在鋼渣表面形成了一層CaCO3。緊挨陳化產(chǎn)物層，硅元素和金屬元素的濃度都很大，因而并不能簡單地認為是復(fù)雜的金屬固溶體阻礙了陳化反應(yīng)的進一步進行，致密的陳化產(chǎn)物層同時也起了貢獻作用，阻隔了鋼渣內(nèi)部物質(zhì)與水分的進一步接觸。

圖3 掃描區(qū)域的EPMA圖像

為了進一步直觀表現(xiàn)鋼渣表面活性物質(zhì)的變化，對鋼渣表面進行了微觀形貌觀察。SEM結(jié)果如圖4所示，圖4(a)表明鋼渣為多孔材料，表面紋理粗糙，理論上來說粗糙的表面形貌有利于與瀝青的黏附，但出于對鋼渣體積膨脹的擔憂，鋼渣不能直接使用。圖4(b)為陳化10 d的鋼渣試樣表面微觀形貌，可以明顯觀察到立方晶系結(jié)構(gòu)的晶體顆粒，這是CaCO3晶體的典型特征。圖4(c)顯示鋼渣陳化還產(chǎn)生了絮狀結(jié)構(gòu)的C-S-H凝膠和棒狀結(jié)構(gòu)的鈣礬石，這些物質(zhì)的產(chǎn)生主要和硅酸鹽礦物有關(guān)，由此也證明陳化反應(yīng)并不單單是f-CaO水化和碳化的過程，硅酸鹽礦物也參與了反應(yīng)。圖4(b)顯示生成的晶體顆粒起到了填充孔隙的效果，但即便是陳化12個月直到反應(yīng)終止，鋼渣表面仍殘留部分孔隙[圖4(d)]。這說明生成的產(chǎn)物數(shù)量有限，不足以填充孔徑較大的孔，另外產(chǎn)物顆粒間的空隙又會產(chǎn)生新的孔結(jié)構(gòu)。因而需要進一步量化陳化作用對鋼渣表面孔隙的影響。

圖4 SEM圖像

通過對陳化鋼渣材料性能的表征，可以確定以下幾點：陳化產(chǎn)物層以及鋼渣內(nèi)部復(fù)雜的金屬固溶體阻礙了鋼渣內(nèi)部硅酸鹽礦物的進一步反應(yīng)；陳化12個月的鋼渣表面檢測不到Ca(OH)2，說明陳化反應(yīng)終止，12個月是比較適合的陳化時間；陳化產(chǎn)物起到填充鋼渣表面孔隙的作用，但陳化產(chǎn)物數(shù)量有限，直至陳化反應(yīng)終止，仍有部分孔隙沒有被填充。

4 瀝青混凝土路用性能研究

4.1 瀝青混凝土的設(shè)計

研究采用Superpave方法和Marshall方法分別設(shè)計6種類型的鋼渣瀝青混凝土，不同設(shè)計方法中的6種瀝青混凝土中僅使用的鋼渣不同(未陳化處理、陳化3、6、9、12、15個月)。Superpave-13鋼渣瀝青混凝土最大公稱粒徑為12.5 mm，設(shè)計當量單軸荷載系數(shù)(ESALs)為300萬～1 000萬次，設(shè)計環(huán)境溫度為41～43 ℃。Superpave-13合成級配曲線如圖5所示，其中石灰?guī)r集料(0～2.36、4.75～9.5和9.5～16 mm)的體積摻量分別為30%、21%和23%；鋼渣的體積摻量為22%；礦粉的體積摻量為4%，按照Superpave理論確定最佳瀝青用量并驗證瀝青混凝土的體積性能。AC-13鋼渣瀝青混凝土的級配曲線如圖6所示，結(jié)合級配優(yōu)化方法，最終確定混合料中石灰?guī)r集料(0～2.36、4.75～9.5和9.5～16 mm)的體積摻量分別為25%、13%和24%；鋼渣的體積摻量為33%，礦粉的體積摻量為4%，選用油石比為4.8%制備鋼渣瀝青混凝土。

圖5 Superpave-13鋼渣瀝青混合料的合成級配曲線

圖6 AC-13鋼渣瀝青混合料的合成級配曲線

4.2 陳化鋼渣瀝青混凝土體積性能研究

針對Superpave-13鋼渣瀝青混凝土的體積性能，試驗提出了一種評價鋼渣瀝青混凝土體積穩(wěn)定性的新方法：① 旋轉(zhuǎn)壓實儀壓實的試樣仍放在模具中，將模具底部、模具與試件間的縫隙加以密封，使水分只能從試件表面滲入內(nèi)部，這更符合路面真實的情況；② 將測試試件置于60 ℃水浴中，用電子圖像采集裝置記錄試件表面每天的變化；③ 由圖像軟件確定開裂部分面積占表面總面積的百分比。

鋼渣瀝青混凝土的拌和溫度控制在165 ℃。采用TROXLER 4140-B旋轉(zhuǎn)壓實儀成型試件，瀝青混合料壓實溫度不低于155 ℃。Superpave理論針對不同的路面設(shè)計條件，對初始旋轉(zhuǎn)次數(shù)(Nini)、設(shè)計旋轉(zhuǎn)次數(shù)(Ndes)和最大旋轉(zhuǎn)次數(shù)(Nmax)制定了相應(yīng)的標準。該文中設(shè)計當量單軸荷載系數(shù)(ESALs)為300萬～1 000萬次，設(shè)計環(huán)境溫度為41～43 ℃，根據(jù)Superpave的要求，Nini、Ndes、Nmax分別為8、113、181次?？紤]到6種瀝青混凝土僅有鋼渣集料的區(qū)別，因此采用鋼渣類別來區(qū)分混合料類型。含鋼渣集料的瀝青混凝土最佳瀝青用量和體積性能指標如表4所示。由表4可以看出：設(shè)計出的6種含有鋼渣的瀝青混凝土體積性能指標優(yōu)良，均滿足規(guī)范要求。雖然鋼渣集料的體積摻量只有20%左右，但完全陳化的鋼渣集料相比未陳化的鋼渣集料對瀝青的吸收效應(yīng)下降，節(jié)省了0.1%的瀝青用量。因為瀝青混凝土每年的消耗量巨大，節(jié)省0.1%的瀝青用量仍可帶來顯著的經(jīng)濟效益。經(jīng)短期(3個月)陳化處理的鋼渣仍表現(xiàn)出明顯的瀝青吸收效應(yīng)；當陳化時間超過9個月，陳化反應(yīng)對減弱鋼渣吸收瀝青的影響不再明顯，這與陳化鋼渣孔特征分析結(jié)果一致。

鋼渣瀝青混凝土的體積穩(wěn)定性試驗結(jié)果如圖7所示。

表4 Superpave-13鋼渣瀝青混凝土最佳瀝青

注：Gmm@N表示在相應(yīng)旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)下，瀝青混合料的壓實度。

圖7 Superpave-13鋼渣瀝青混凝土的體積穩(wěn)定性試驗結(jié)果

由圖7可以看出：隨著陳化時間的延長，鋼渣瀝青混凝土試件表面開裂比例逐漸降低。由此說明陳化反應(yīng)有效地消除了鋼渣表面的體積活性成分。利用陳化12個月的鋼渣集料制備的瀝青混凝土試件表面開裂率為0.1%左右，可以忽略，且陳化15個月后，表面開裂率相比陳化12個月鋼渣瀝青混凝土的表面開裂率幾乎沒有下降，相比采用原始鋼渣集料制備的瀝青混凝土，穩(wěn)定性提高了30倍以上。結(jié)果表明陳化處理12個月是比較合理的時間。

基于上述結(jié)果可知：通過對鋼渣瀝青混凝土的設(shè)計和體積穩(wěn)定性的分析驗證了陳化有效調(diào)控了鋼渣表面的活性成分，同時陳化產(chǎn)物一定程度上起到了填充鋼渣表面孔隙的作用，從而達到降低鋼渣對瀝青吸收的目的。

4.3 陳化鋼渣瀝青混凝土水穩(wěn)定性研究

水穩(wěn)定性是表征瀝青混凝土中黏附于集料表面的瀝青在受到水侵蝕作用后抵抗剝落的能力，該文采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗復(fù)合評價鋼渣瀝青混凝土的水穩(wěn)定性。試驗采用凍融劈裂試驗和馬歇爾穩(wěn)定度試驗復(fù)合評價Superpave-13和AC-13兩種鋼渣瀝青混凝土的水穩(wěn)定性。Superpave-13鋼渣瀝青混凝土水穩(wěn)定性測試樣品由旋轉(zhuǎn)壓實儀按照Superpave設(shè)計法制備初始樣品，然后用鉆芯機鉆取符合兩種水穩(wěn)定性測試要求的芯樣。AC-13鋼渣瀝青混凝土水穩(wěn)定性測試樣品由馬歇爾試驗方法制備得到。

Superpave-13鋼渣瀝青混凝土水穩(wěn)定性檢測結(jié)果如表5所示。

表5 Superpave-13鋼渣瀝青混凝土水穩(wěn)定性檢測結(jié)果

注：RMS為浸水殘留穩(wěn)定度強度比；TSR為劈裂抗拉強度比。下同。

從表5可以看出：6種Superpave-13鋼渣瀝青混凝土浸水殘留穩(wěn)定度強度比(RMS)均大于80%，劈裂抗拉強度比(TSR)均大于75%，完全滿足規(guī)范要求。隨著鋼渣陳化時間的增長，Superpave-13瀝青混凝土的RMS和TSR值逐漸增加。AC-13鋼渣瀝青混凝土水穩(wěn)定性檢測結(jié)果如表6所示。和Superpave-13鋼渣瀝青混凝土一樣，6種AC-13鋼渣瀝青混凝土RMS均大于80%，TSR均大于75%，符合規(guī)范要求。陳化時間明顯提高了鋼渣瀝青混凝土的水穩(wěn)定性。

表6 AC-13鋼渣瀝青混凝土水穩(wěn)定性檢測結(jié)果

鋼渣瀝青混凝土擁有良好水穩(wěn)定性的主要原因是鋼渣表面粗糙多孔，這種紋理構(gòu)造增強了其與瀝青間的黏結(jié)性能。此外鋼渣中所含的Ca2+、Mg2+、Fe2+、Al3+、Mn2+等堿金屬陽離子可以與瀝青中的瀝青酸等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成的瀝青酸鹽進一步增加了鋼渣瀝青混凝土的黏結(jié)性能。此外，鋼渣瀝青混凝土的水穩(wěn)定性隨著鋼渣陳化時間的增加而增加，表明鋼渣經(jīng)過陳化后產(chǎn)生的穩(wěn)定硅酸鹽化合物(CaCO3，等)提高了瀝青混凝土抗水侵蝕的能力。而隨著陳化時間的增長，浸水殘留穩(wěn)定度強度比和劈裂抗拉強度比增長逐漸變緩，表明陳化反應(yīng)趨于停止，陳化物質(zhì)產(chǎn)量趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

基于瀝青路面應(yīng)用的需求以及鋼渣的性能特征，研究了不同陳化時間對鋼渣材料性能的影響；量化陳化產(chǎn)物對鋼渣表面空隙的填充效果；通過鋼渣瀝青混凝土相關(guān)體積指標和性能驗證陳化鋼渣材料性能和孔特征的變化。研究結(jié)果表明：

(1) 陳化產(chǎn)物層以及鋼渣內(nèi)部復(fù)雜的金屬固溶體可以阻礙鋼渣內(nèi)部硅酸鹽礦物的進一步反應(yīng)，試驗結(jié)果表明12個月是比較適合的陳化時間。

(2) 陳化能夠有效調(diào)控鋼渣表面的活性成分，同時陳化產(chǎn)物一定程度上起到了填充鋼渣表面孔隙的作用，從而達到降低鋼渣對瀝青吸收效應(yīng)的目的。

(3) 隨著鋼渣陳化時間的增長，瀝青混凝土的浸水殘留穩(wěn)定度強度比和劈裂抗拉強度比逐漸增加，陳化產(chǎn)物提高了鋼渣瀝青混凝土的水穩(wěn)定性。