鋼渣填料瀝青膠漿性能研究

符 浩，姚立陽，馬先偉，呂大為，歐一文

(河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

鋼渣作為固體廢棄物排放量巨大，其回收利用率不足25%，與日本、歐美等發(fā)達(dá)國家80%以上的高利用率相比有很大的提升空間。同時(shí)，我國常見的瀝青路面中用的優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r材料日益匱乏，供不應(yīng)求導(dǎo)致材料成本增加，亟需找到相應(yīng)的替代材料[1-3]。科學(xué)認(rèn)識與處理鋼渣，把其用作道路工程材料可同時(shí)解決鋼渣廢棄物堆放與優(yōu)質(zhì)道路材料資源匱乏問題。

堿性鋼渣具有良好的棱角性與力學(xué)性能，可替代瀝青混合料中粗、細(xì)集料，眾多學(xué)者為此開展了相應(yīng)研究。曾國偉采用鋼渣替換AC-13級配中粒徑2.36 mm以上的石灰石粗骨料[4]；Hassan以AC-20級配為基礎(chǔ)，用鋼渣顆粒作為細(xì)集料替代石灰石進(jìn)行研究[5]；沈凡與謝君對鋼渣混凝土的路用性能進(jìn)行了相應(yīng)研究[6-7]。

大多研究者側(cè)重于把鋼渣作為集料進(jìn)行研究，將磨細(xì)的鋼渣粉作為礦粉填料進(jìn)行研究少有提及；一個(gè)重要原因是以往鋼渣的易磨性差，通過機(jī)械活化提高鋼渣膠凝性的經(jīng)濟(jì)成本增加，限制了鋼渣的綜合利用，導(dǎo)致其在填料方面的運(yùn)用成本增加[8]。目前，對鋼渣易磨性進(jìn)行的研究取得了一定進(jìn)展，蔣亮發(fā)現(xiàn)改質(zhì)后鋼渣的易磨性顯著提升，經(jīng)二次粉磨之后,粒度分布由原來的100 μm量級進(jìn)化到10 μm量級以內(nèi)，變化巨大[9]。

隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，使鋼渣粉作為填料運(yùn)用在道路上的可能性大大提高，鋼渣粉作為堿性集料與瀝青中的酸性物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后，會增強(qiáng)膠漿的黏結(jié)性，因此，有必要對鋼渣作為填料運(yùn)用于道路工程中開展更多研究。鋼渣瀝青膠漿的研究很少，對其分析時(shí)重點(diǎn)參考其他瀝青膠漿的研究成果與方案。研究者多從DSR、BBR及布氏黏度試驗(yàn)方案中選擇若干個(gè)，采用不同類型瀝青及水泥、消石灰、赤泥及不同性質(zhì)的礦粉，改變實(shí)驗(yàn)溫度與粉膠比，研究瀝青膠漿的高溫、低溫等流變性能[10-16]。部分研究者在常規(guī)瀝青三大指標(biāo)及其他實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上研究了膠漿的流變性能[17-18]。

不同材料組合下合適的粉膠比差別也會很大。許新權(quán)建議合適的粉膠比范圍為1.0～1.3[10]，而李曙斌建議合適粉膠比范圍為0.8～1.0[12]。本文以河鋼集團(tuán)舞鋼公司生產(chǎn)的鋼渣作為研究對象，分析鋼渣瀝青膠漿性能，并以普通的石灰石礦粉瀝青膠漿作為對照組。

1 試驗(yàn)方案

1.1 瀝青膠漿制備

借鑒已有研究成果，發(fā)現(xiàn)礦粉與瀝青的比值為0.6～1.6時(shí)形成的瀝青膠漿性能較好，眾多研究者也是在此范圍內(nèi)開展相應(yīng)研究。粉膠比過大，膠漿的低溫性能變差，本文選擇0.6、0.8、1.0、1.2、1.4五種粉膠比，對石灰石填料瀝青膠漿與鋼渣填料瀝青膠漿展開對比研究。

為了消除填料顆粒粒徑對瀝青膠漿性能的影響，試驗(yàn)中所用鋼渣粉放置一年以上，鋼渣填料通過磨耗試驗(yàn)機(jī)磨耗后再通過0.075 mm方孔篩篩分得到，實(shí)驗(yàn)用石灰石填料也通過0.075 mm方孔篩篩分得到。具體方法如下：

(1)填料放入105 ℃烘箱中恒溫4 h，除去水分，保持干燥；(2)將一定質(zhì)量的瀝青加熱到150 ℃，保持溫度不變，稱量好的填料加入到瀝青中，不斷用小鐵勺人工攪拌，為了保證瀝青膠漿的均勻性，填料分2～3次加入；(3)填料完全加入到瀝青后繼續(xù)攪拌10 min，趁熱制備試驗(yàn)所需的試樣。

1.2 瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)

瀝青及其膠漿的針入度、延度、軟化點(diǎn)三大指標(biāo)試驗(yàn)應(yīng)用很廣，為了減少人為因素影響，盡量減少試件移動(dòng)中溫度的影響。針入度選擇了15 ℃、25 ℃、30 ℃三種溫度，隨后在這三種溫度下求解針入度指數(shù)并評價(jià)膠漿的感溫性能；延度試驗(yàn)選擇了5 ℃、15 ℃、25 ℃三種溫度，分析膠漿在低溫及常溫下的抗開裂能力。軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)按照試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行，尋找膠漿變軟時(shí)滴落到底板上的溫度，依此來評價(jià)其高溫性能。

1.3 布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)

黏度試驗(yàn)采用美國Brookfield DV-II型旋轉(zhuǎn)黏度儀，溫度選取時(shí)，參考許新權(quán)[11]，最終在110 ℃、135 ℃、175 ℃三種溫度進(jìn)行布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)。

將制備好的瀝青膠漿試樣在烘箱中加熱到軟化點(diǎn)以上(100 ℃左右)保溫30～60 min備用，合適的轉(zhuǎn)子和盛樣筒放在己控溫至試驗(yàn)溫度的烘箱中保溫，維持1.5 h；調(diào)平儀器，儀器設(shè)置到試驗(yàn)要求的溫度，預(yù)熱5 min后取出膠漿試樣，適當(dāng)攪拌后加入盛樣筒。盛樣筒和轉(zhuǎn)子安裝完畢后保溫15～30 min后開始測試。每隔60 s讀1次數(shù)，取3次讀數(shù)的平均值作為測定值。

2 原材料性能

2.1 鋼渣基本性能介紹

鋼渣的含水量為0.62%，比表面積為410 m2/kg，其主要化學(xué)成分如表1所示。鋼渣為堿性集料，能與弱酸性瀝青發(fā)生化學(xué)結(jié)合，提高膠漿黏結(jié)力，磨耗后的鋼渣再通過0.075 mm篩孔篩分得到鋼渣粉。

表1 鋼渣主要成分 %

2.2 石灰石礦粉基本性能介紹

礦粉來自石灰石磨細(xì)后的粉狀顆粒，取樣來自施工現(xiàn)場，按照相應(yīng)規(guī)程測得技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 石灰石礦粉技術(shù)指標(biāo)

2.3 瀝青基本性能介紹

瀝青采樣地點(diǎn)為中亞路橋公司三工區(qū)夏李西拌和站，規(guī)格為70號A級，進(jìn)行常規(guī)的瀝青針入度、延度、軟化點(diǎn)三大指標(biāo)試驗(yàn)及布氏黏度試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度如前所述，結(jié)果見表3。

表3 基質(zhì)瀝青基本性能

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在對膠漿性能分析時(shí)，圖中圖例“SHJ”代表石灰石填料瀝青膠漿，“GZJ”代表鋼渣填料瀝青膠漿，fa代表粉膠比。軟化點(diǎn)僅直接顯示溫度，針入度、延度及黏度都顯示了三個(gè)溫度下的膠漿數(shù)值，計(jì)算得到針入度指數(shù)、黏溫指數(shù)來評價(jià)膠漿的感溫性能。

3.1 延度結(jié)果分析

低溫下瀝青膠漿材料呈玻璃態(tài)且比較脆，受力后容易開裂。延度試驗(yàn)通過測定試件在一定條件下拉伸至斷裂的長度，間接反映了瀝青膠漿低溫下抵抗開裂的能力，其數(shù)值越大說明材料抗拉及抗開裂性能越好。鋼渣瀝青膠漿與石灰石瀝青膠漿在5 ℃、15 ℃、25 ℃三種溫度下延度隨粉膠比的變化規(guī)律，如圖1所示。

圖1 兩種瀝青膠漿延度隨粉膠比變化規(guī)律

圖2 兩種瀝青膠漿軟化點(diǎn)隨粉膠比變化規(guī)律

首先，兩種瀝青膠漿在三種溫度下的延度均小于基質(zhì)瀝青，所有粉膠比下的鋼渣瀝青膠漿的延度小于石灰瀝青膠漿，說明填料的加入降低了瀝青的低溫流變性能，鋼渣替代石灰石填料后膠漿的低溫變形性能會進(jìn)一步降低。其次，在5 ℃、15 ℃較低溫度下，鋼渣瀝青膠漿比石灰瀝青膠漿減小的延度值，大部分在5 cm以內(nèi)，個(gè)別值略大，但都在10 cm以內(nèi)；溫度升高至常溫下的25 ℃，兩種膠漿延度差值明顯大于5 ℃、15 ℃的情況，大部分差值在10 cm以上。分析試件斷裂形狀時(shí)發(fā)現(xiàn)，較高溫度和較低粉膠比時(shí)，試件中間部位為均勻拉長的細(xì)絲，斷裂呈典型的黏性破壞；大粉膠比與低溫時(shí)，膠漿斷裂形式由黏性破壞轉(zhuǎn)化為脆性斷裂。粉膠比為0.6～1.0時(shí)，延度值基本呈線性減小趨勢，粉膠比為1.0～1.2時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，延度值減小趨勢加快，粉膠比1.4時(shí)延度值降低到很小。瀝青膠漿的粉膠比增加，其低溫流變性能與抗開裂能力明顯變差，選擇粉膠比時(shí)，鋼渣填料瀝青膠漿不宜大于1.0。

3.2 軟化點(diǎn)測試分析

瀝青膠漿的軟化點(diǎn)隨粉膠比的變化規(guī)律，如圖2所示。從圖2與表3可以看出：兩種膠漿的軟化點(diǎn)均高于基質(zhì)瀝青，說明石灰石礦粉及鋼渣粉的添加改善了瀝青的高溫性能。鋼渣瀝青膠漿與石灰瀝青膠漿的軟化點(diǎn)差別與粉膠比關(guān)聯(lián)很大。粉膠比為0.6～0.8時(shí)，鋼渣瀝青膠漿的軟化點(diǎn)略小于石灰石瀝青膠漿，差值在1 ℃內(nèi)，粉膠比1.0以上時(shí)，鋼渣瀝青膠漿的軟化點(diǎn)都高于石灰石瀝青膠漿，差值在2 ℃內(nèi)。軟化點(diǎn)均隨粉膠比增大而增大，但是在不同粉膠比下的增大趨勢不同；粉膠比0.6～0.8時(shí)增長幅度較小，近似線性增長；粉膠比0.8～1.2時(shí)增幅有所提升，粉膠比1.2～1.4時(shí)，迅速增長。膠漿與集料形成的瀝青混合料應(yīng)具有一定的高溫穩(wěn)定性，膠漿的軟化點(diǎn)數(shù)值較大比較合適，增速應(yīng)大于線性增長階段，故膠漿比應(yīng)大于0.8。

3.3 針入度及針入度指數(shù)結(jié)果分析

針入度試驗(yàn)間接反映了瀝青的黏稠狀態(tài)，為了使結(jié)果更準(zhǔn)確，除了嚴(yán)格采取平行試驗(yàn)外，本文在25 ℃試驗(yàn)基礎(chǔ)上又增加了15 ℃、30 ℃ 兩種溫度下的針入度數(shù)值如圖3所示，依此計(jì)算出不同粉膠比的針入度指數(shù)，如圖4所示。。

圖3 兩種瀝青膠漿針入度隨粉膠比變化規(guī)律

圖4 兩種瀝青膠漿針入度指數(shù)粉膠比變化規(guī)律

從圖3、圖4可以看出：兩種瀝青膠漿的針入度均隨粉膠比增大呈逐漸降低趨勢，說明隨著粉膠比的增加膠漿的稠度增加，同一溫度下鋼渣瀝青膠漿的針入度明顯大于石灰瀝青膠漿，說明鋼渣瀝青膠漿的高溫性能優(yōu)于石灰石瀝青膠漿。在較低粉膠比下，隨著粉膠比增加，膠漿的針入度線性降低，與任俐璇的試驗(yàn)結(jié)果接近[18]，但是隨著粉膠比持續(xù)增大，在1.0～1.2時(shí)針入度會出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，針入度降低的趨勢增加。結(jié)合軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果，從瀝青膠漿黏稠度和高溫穩(wěn)定性分析，采用的鋼渣瀝青膠漿粉膠比應(yīng)在1.0以上。

由15 ℃、25 ℃、30 ℃三種溫度的針入度數(shù)值計(jì)算得到針入度指數(shù)，其數(shù)值越大，瀝青膠漿性能越接近于固體狀的集料，其流動(dòng)性及黏附性差；針入度指數(shù)越小，膠漿性能越接近于流體呈現(xiàn)黏流態(tài)，黏結(jié)力大幅度降低，抗變形能力也會逐漸喪失；在中間范圍內(nèi)時(shí)膠漿呈現(xiàn)高彈態(tài)，其高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性才能得到有效保證。計(jì)算得到基質(zhì)瀝青膠漿的針入度指數(shù)為0.37，屬于熔凝膠瀝青，本次試驗(yàn)中添加石灰石或者鋼渣填料后，形成的膠漿針入度數(shù)值均大于5而小于10，因此數(shù)值越小認(rèn)為感溫性越好。

分析表明，鋼渣瀝青膠漿的針入度指數(shù)均大于石灰石瀝青膠漿。隨著粉膠比增加，二者的針入度指數(shù)逐漸增大，但是增大趨勢不同。在較小粉膠比時(shí)二者基本呈現(xiàn)線性緩慢增加趨勢，隨后出現(xiàn)拐點(diǎn)，超過拐點(diǎn)后，增速迅速增加；石灰石瀝青膠漿與鋼渣瀝青膠漿的拐點(diǎn)分別出現(xiàn)在粉膠比為1.2與1.0時(shí)，其原因是多余的填料導(dǎo)致的過大粉膠比，引發(fā)與瀝青未結(jié)合的填料出現(xiàn)“團(tuán)聚”現(xiàn)象，膠漿性能更類似于固體集料，變硬變脆。從針入度指數(shù)觀察可知，鋼渣瀝青膠漿的粉膠比應(yīng)小于1.2。

3.4 黏度試驗(yàn)結(jié)果分析

兩種膠漿的布氏黏度均隨粉膠比的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，如圖5～圖7所示，但是這種趨勢在175 ℃高溫時(shí)不明顯，在溫度110 ℃、135 ℃較為明顯。分析圖7也可以看出，在175 ℃時(shí)幾種粉膠比的鋼渣瀝青膠漿與石灰石瀝青膠漿布氏黏度差別很小。究其原因是高溫下膠漿的性能以黏流態(tài)為主，此時(shí)略微增大的粉膠比對膠漿性能影響不大。分析發(fā)現(xiàn)，不論是在何種溫度與粉膠比下，鋼渣瀝青膠漿的布氏黏度都大于石灰石瀝青膠漿，說明鋼渣瀝青膠漿的硬度偏大，稠度偏大。隨著粉膠比由0.6均勻地增加到1.4，膠漿布氏黏度增加幅度不同，低粉膠比時(shí)，基本上線性緩慢增加，在0.8～1.0時(shí)有明顯拐點(diǎn)，隨后布氏黏度增加明顯；拐點(diǎn)出現(xiàn)在0.8或者1.0附近。

圖5 兩種瀝青膠漿布氏黏度隨粉膠比變化規(guī)律

圖6 石灰瀝青膠漿布氏黏度隨溫度變化規(guī)律

圖7 鋼渣瀝青膠漿布氏黏度隨溫度變化規(guī)律

圖8 兩種瀝青黏溫指數(shù)隨粉膠比變化規(guī)律

圖6、圖7中不同粉膠比下不同溫度的兩種膠漿其變化趨勢幾乎一樣，說明鋼渣瀝青膠漿與石灰瀝青膠漿呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。黏溫曲線大致呈現(xiàn)冪函數(shù)的形式，與許新權(quán)等人的結(jié)論一致。選擇黏溫指數(shù)VTS進(jìn)一步分析膠漿的感溫性能。考慮到175 ℃時(shí)膠漿呈現(xiàn)黏流態(tài)，選擇110 ℃、135 ℃兩種溫度的布氏黏度值。采用Walther與Saal推薦的經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

式中：T為攝氏溫度( ℃)，TK為開氏溫度(K),TK=T+273.13。

η為瀝青膠漿黏度，單位是Pa·s,由于采用布氏黏度儀，讀數(shù)單位是mPa·s，η×103數(shù)值就是黏度儀顯現(xiàn)的數(shù)字，η1,η2分別為溫度TK1，TK2對應(yīng)的黏度(mPa·s)，本文采用110+273.13與135+273.13兩個(gè)數(shù)值，計(jì)算得到黏溫指數(shù)隨粉膠比變化規(guī)律如圖8所示，計(jì)算得到的黏溫指數(shù)往往是負(fù)值，這是因?yàn)槟z漿黏度與溫度是負(fù)相關(guān)，對應(yīng)計(jì)算得到黏度的兩次對數(shù)與溫度一次對數(shù)之間也是負(fù)相關(guān)，最終顯現(xiàn)的黏溫指數(shù)實(shí)際取絕對值。

由圖8可知：兩種瀝青膠漿的黏溫指數(shù)隨著粉膠比增大均呈現(xiàn)減小趨勢，這是因?yàn)樽鳛槭沂蜾撛鄣牡V粉對瀝青起體積增強(qiáng)和物化增強(qiáng)作用，得到的膠漿性能與基質(zhì)瀝青(對應(yīng)的黏溫指數(shù)為3.54)相比有一定程度的改善。針入度試驗(yàn)也反映了膠漿的感溫性能，其數(shù)值隨著粉膠比增大而逐漸增大，但是其數(shù)值越大說明感溫性越小，黏溫指數(shù)的絕對值越小其感溫性越小，粉膠比的增加降低了瀝青較為敏感的感溫性能。

黏溫指數(shù)雖然隨著粉膠比增大而減小，但是減小趨勢不同，在粉膠比0.6～1.0時(shí)，黏溫指數(shù)有較大幅度減小，粉膠比1.0以上時(shí)，這種減小趨勢明顯下降，粉膠比1.2與1.4時(shí)差別不大，充分說明：粉膠比大于1.2后，通過增大粉膠比來改善膠漿感溫性能的效果不顯著，考慮到粉膠比0.6～1.0時(shí)黏溫指數(shù)的下降趨勢較明顯，建議采用的粉膠比范圍為1.0～1.2。

4 結(jié)語

采用常規(guī)瀝青三大指標(biāo)與布氏黏度試驗(yàn)對0.6、0.8、1.0、1.2、1.4五種粉膠比的鋼渣填料瀝青膠漿進(jìn)行稠度、延展性能、高溫性能及黏度分析，對照石灰石填料瀝青膠漿，得到相應(yīng)結(jié)論。

(1)鋼渣瀝青膠漿的延展性能均小于石灰石瀝青膠漿，隨著粉膠比增大，膠漿的延展性能逐漸降低，粉膠比在0.6～1.0時(shí)，均勻線性減小，在1.0～1.2時(shí)減小趨勢加快，粉膠比1.4時(shí)延度值極小。

(2)二者的軟化點(diǎn)差值與粉膠比關(guān)聯(lián)很大，當(dāng)粉膠比0.6～0.8時(shí)，鋼渣瀝青膠漿的軟化點(diǎn)略小于石灰瀝青膠漿，在1 ℃以內(nèi)，當(dāng)粉膠比1.0～1.4時(shí)，鋼渣瀝青膠漿的軟化點(diǎn)略大于石灰瀝青膠漿，在2 ℃以內(nèi)。軟化點(diǎn)隨粉膠比增大其增速不同；當(dāng)粉膠比0.6～0.8時(shí)，近似線性緩慢增長，粉膠比0.8～1.2時(shí)增速加快，當(dāng)粉膠比1.2～1.4時(shí)，增速明顯加快。

(3)由于鋼渣本身的硬度大，同一溫度下鋼渣瀝青膠漿的針入度明顯大于石灰石瀝青膠漿，當(dāng)粉膠比在0.6～1.0時(shí)，針入度隨粉膠比增大近似線性增加，當(dāng)粉膠比1.0～1.2時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，針入度降低的趨勢增加。

(4)鋼渣瀝青膠漿的針入度指數(shù)均大于石灰石瀝青膠漿。隨著粉膠比增加，二者的針入度指數(shù)逐漸增大，但是增大趨勢不同。較小粉膠比下線性緩慢增加，隨后迅速增加，增速拐點(diǎn)出現(xiàn)在1.0～1.2。

(5)鋼渣瀝青膠漿布氏黏度均大于石灰瀝青膠漿，黏度隨粉膠比增大而增加，以粉膠比1.0為分界點(diǎn)，增速先慢后快，175 ℃下膠漿呈現(xiàn)黏流態(tài)，二者差別不大。

(6)黏溫曲線呈現(xiàn)冪函數(shù)形式，在110 ℃、135 ℃時(shí)計(jì)算得到的黏溫指數(shù)隨粉膠比增大呈現(xiàn)的減小趨勢以粉膠比1.0為分界點(diǎn)，減速前快后慢。

(7)鋼渣替代石灰石礦粉填料后，瀝青膠漿的高溫性能有所提升，低溫性能與感溫性能有所下降，建議合適的鋼渣瀝青膠漿粉膠比為1.0。