鋼渣粉性能表征及其對(duì)瀝青混凝土水穩(wěn)定性能的影響研究*

李鴻軻 梁 鐸 肖志峰 陳美祝 趙 煒

(內(nèi)蒙古高等級(jí)公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司1) 呼和浩特 010050)(武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2) 武漢 430070)

0 引 言

鋼渣是煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，中國(guó)每年產(chǎn)生超過(guò)1億噸的鋼渣，但有效利用率不到30%[1].鋼渣的堆積不僅會(huì)占用大量的土地，而且會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[2-3].鋼渣由于具有高堿度、豐富的棱角和良好的耐磨性等特點(diǎn)，可以提高瀝青路面的抗水損害能力和防滑性能，已被廣泛應(yīng)用于瀝青路面的建設(shè)中[4].然而，大多數(shù)研究集中于鋼渣作為骨料在瀝青路面中的應(yīng)用，對(duì)將鋼渣用作礦物填料的可行性的研究較少.

水損害是瀝青路面服役過(guò)程中最常見(jiàn)的破壞形式之一.瀝青是一種酸性物質(zhì)，與堿性骨料如石灰石和玄武巖具有良好的黏附性，但與酸性骨料如花崗巖和砂巖的黏附性較差[5].傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)抗剝落劑，如熟石灰、水泥等，已被廣泛證明可改善瀝青與集料的黏附性，從而提高瀝青混凝土的水穩(wěn)定性[6].鋼渣是一種高堿性材料，包含大量在煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的CaO，具備作為無(wú)機(jī)抗剝離劑應(yīng)用于瀝青混合料中的潛力.

研究將鋼渣作為填料應(yīng)用于瀝青混合料中，不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼渣的資源化利用，減少對(duì)天然資源的消耗，還可作為無(wú)機(jī)抗剝落劑，提高瀝青路面抗水損害能力，實(shí)現(xiàn)其高值化利用.

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

瀝青選用70#基質(zhì)瀝青，基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1.鋼渣粉(steel slag powder，SSP)是實(shí)驗(yàn)室自行制備的，具體的制備方法是將包鋼生產(chǎn)的2.36～4.75 mm粒徑范圍的鋼渣進(jìn)行水洗除去表面粉塵，烘干后在行星球磨機(jī)中球磨0.5 h得到.石灰石礦粉(limestone filler，LF)作為最常用的礦物填料在本文中選用作為對(duì)照組，表2為兩種填料的基本性能指標(biāo).鋼渣粉的表觀相對(duì)密度達(dá)到了3.735 g/cm3，遠(yuǎn)高于石灰石礦粉，這是由于鋼渣粉中含有煉鋼過(guò)程中殘留的鐵.鋼渣粉的比表面積也比礦粉大70.42%，這意味著鋼渣粉與瀝青的接觸面積更大，鋼渣粉與瀝青的黏結(jié)作用更強(qiáng).此外，兩種填料的親水系數(shù)均小于1，說(shuō)明其都具備作為優(yōu)質(zhì)填料的可能性.粗細(xì)集料均采用花崗巖，其基本性能見(jiàn)表3.

表1 70#瀝青基本性能指標(biāo)

表2 鋼渣粉和石灰石礦粉的基本性能指標(biāo)

表3 花崗巖集料基本性能指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

填料的性質(zhì)差異會(huì)對(duì)瀝青膠漿產(chǎn)生較大影響，本文采用某公司生產(chǎn)的JSM-IT300掃描電子顯微鏡(SEM)來(lái)表征兩種填料的微觀形貌，采用某公司生產(chǎn)的Zetium型X射線(xiàn)熒光(XRF)來(lái)分析兩種填料的化學(xué)成分，采用某公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度分析儀對(duì)兩種填料的粒徑分布進(jìn)行測(cè)量.本文采用AC-16型級(jí)配，填料用量為4.5%，將鋼渣粉以不同替代量(0%，25%，50%，75%和100%)替代石灰石粉摻入瀝青混合料中制備馬歇爾試件，為了確保馬歇爾試件具有相同的體積性能，替代量是通過(guò)考慮兩種填料密度差異的體積比來(lái)計(jì)量的.

選取馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)和凍融劈裂實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)[7]進(jìn)行.浸水馬歇爾試驗(yàn)是將馬歇爾試件分兩組：一組作為對(duì)照組，在60 ℃水浴中水浸0.5 h后測(cè)試其馬歇爾穩(wěn)定度S1；另一組作為實(shí)驗(yàn)組在60 ℃水浴中水浸48 h后測(cè)試其馬歇爾穩(wěn)定度S2；根據(jù)式(1)計(jì)算得到的殘留穩(wěn)定度MS0作為評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的指標(biāo).

MS0=S2/S1×100%

(1)

凍融劈裂試驗(yàn)是將馬歇爾試件分成兩組，對(duì)照組直接置于25 ℃水浴中浸泡2 h后測(cè)試劈裂強(qiáng)度R1；實(shí)驗(yàn)組經(jīng)真空飽水后在常溫水中浸泡20 min，再在-18 ℃的冰箱中冷凍16 h，然后在60 ℃水浴中放置24 h完成一次凍融循環(huán)，再放到25 ℃水中浸泡2 h后測(cè)試其劈裂強(qiáng)度R2；根據(jù)式(2)計(jì)算得到殘留強(qiáng)度比，即為瀝青混凝土的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比TSR.

TSR=R2/R1×100%

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌

鋼渣粉與石灰石粉的表觀形貌見(jiàn)圖1.由圖1可知，兩種填料具有不同的粒徑分布、顆粒形貌和表面紋理.鋼渣粉具有較為復(fù)雜的表面紋理，其表面紋理更為粗糙，表面具有明顯的棱角和孔洞，研究表明，填料的幾何不規(guī)則性與較高的表面活性(即填料顆粒吸附瀝青的能力較高)有關(guān).復(fù)雜的表面紋理可能導(dǎo)致集料表面裹覆瀝青膠漿的增加，這可能會(huì)影響混合物的抗剝離性[8].鋼渣粉粗糙的表明紋理會(huì)吸附更多瀝青，提高瀝青膠漿的勁度，從而改善瀝青與集料的黏附性.礦粉表面較為光滑，形狀也較為規(guī)則，具有明顯的棱角，表面也沒(méi)有明顯的孔洞.

圖1 鋼渣粉與石灰石礦粉的掃描電鏡圖像

2.2 粒度分布

鋼渣粉和石灰石礦粉的粒度分布和粒度參數(shù)分別見(jiàn)圖2和表4.規(guī)范規(guī)定填料在0.6 mm篩孔尺寸下的通過(guò)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要小于100%，測(cè)試結(jié)果表明，鋼渣粉和石灰石礦粉的粒度分布均符合規(guī)范要求.石灰石礦粉的粒度分布較為均勻，其80%的粒徑分布在1.4～41 μm.鋼渣粉的粒徑分布較為分散，在某幾個(gè)粒徑范圍內(nèi)具有較多的粉料，這可以解釋為鋼渣粉包含更多雜質(zhì)和一部分鐵質(zhì)，并且鐵具有高密度和耐磨性的特性，從而導(dǎo)致較大的粒徑分散.鋼渣粉中細(xì)料的比例也比石灰石粉高，這與研磨過(guò)程及研磨時(shí)長(zhǎng)有關(guān).鋼渣粉的比表面積遠(yuǎn)大于石灰石粉，達(dá)到2.42 m2/g，這與掃描電鏡圖像規(guī)律是吻合的，鋼渣粉粗糙的表面紋理和孔洞意味著比表面積越大，其與瀝青的黏附面積更大，黏附性也越好.

圖2 鋼渣粉和石灰石粉的粒度分布

表4 鋼渣粉和石灰石粉的粒度參數(shù)

2.3 化學(xué)組成

填料的礦物組成對(duì)其與瀝青間的反應(yīng)及對(duì)酸性集料表面的改性作用具有重要的影響，表5為兩種填料的主要化學(xué)成分分析結(jié)果.由表5可知，鋼渣粉中含有大量的Fe2O3,MgO和MnO成分，這些成分主要是煉鋼過(guò)程中的殘留物，其中Fe2O3高達(dá)26.376%，這也解釋了鋼渣粉密度大的原因.生石灰(主要成分CaO)和熟石灰(主要成分Ca(OH)2)廣泛應(yīng)用瀝青路面中用作抗剝落劑，主要是因?yàn)樗鼈兒写罅康腃aO或Ca(OH)2成分，這些成分具有相當(dāng)?shù)幕钚裕鼈兛梢耘c瀝青中的有機(jī)酸發(fā)生反應(yīng)，生成能起到表面活性劑作用的鈣鹽，從而提高瀝青與酸性集料的黏附性.石灰石粉的CaO含量高于鋼渣粉，但石灰石粉的主要礦物相為CaCO3，相關(guān)文獻(xiàn)均證明，CaCO3對(duì)提高瀝青與集料的黏附性是無(wú)效的[9-11].

表5 鋼渣粉和石灰石礦粉的主要化學(xué)成分

2.4 水穩(wěn)定性能

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，每組混合料制備了四個(gè)重復(fù)樣品進(jìn)行測(cè)試.100%SSP組的最佳瀝青含量為5.0%，其他組的最佳瀝青含量為4.9%，最佳油石比的變化說(shuō)明鋼渣粉具有一定的吸油性.表6為殘留穩(wěn)定度(MSR)和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比(TSR).表6列出馬歇爾試件的體積特性，例如,平均空隙率(VV)和礦物間隙率(VMA).結(jié)果表明:根據(jù)體積比摻入鋼渣粉對(duì)成型后的馬歇爾試件體積性能基本無(wú)影響，這保證了混合料水穩(wěn)定性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

表6 不同替代量下鋼渣粉瀝青混合料體積性能及水穩(wěn)定性

2.4.1馬歇爾穩(wěn)定度

圖3為不同替代量鋼渣粉瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度.

圖3 不同替代量鋼渣粉瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度

僅就浸水0.5 h的對(duì)照組而言，隨著鋼渣粉替代量的增加，馬歇爾穩(wěn)定度也隨之提高.100%替代量的混合料穩(wěn)定度比純石灰石粉組高9.39%.而對(duì)于浸水48 h的實(shí)驗(yàn)組，由圖3a)可知，鋼渣粉的摻入對(duì)穩(wěn)定度有一個(gè)較大的提升.但隨著鋼渣粉替代量的增加，對(duì)照組中穩(wěn)定度增長(zhǎng)的趨勢(shì)并未在實(shí)驗(yàn)組中出現(xiàn)，穩(wěn)定度基本保持一致.這也導(dǎo)致了殘留穩(wěn)定度隨著鋼渣粉替代量的增加而下降，推測(cè)可能是鋼渣粉中含有的f-CaO與水反應(yīng)體積膨脹破壞了混合料的體積穩(wěn)定性，抵消了鋼渣粉對(duì)混合料水穩(wěn)定性的增強(qiáng)作用[12-13].另?yè)?jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，鐵及其氧化物會(huì)對(duì)瀝青與集料的黏附性產(chǎn)生不良影響，這也可以解釋殘留穩(wěn)定度的降低[14-15].但鋼渣粉100%替代石灰石粉后試件殘留穩(wěn)定度為85.45%，仍高于純石灰石粉組的83.27%，說(shuō)明鋼渣粉的摻入對(duì)提高殘留穩(wěn)定度還是有促進(jìn)作用的，其中當(dāng)鋼渣粉的替代量為石灰石粉總量的25%時(shí)提升效果最好，試件殘留穩(wěn)定度為93.31%，比石灰石粉對(duì)照組高了12.06%.

2.4.2凍融劈裂殘留強(qiáng)度比

圖4為凍融劈裂實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，該結(jié)果與馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律性基本一致.未凍融組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:鋼渣粉都能提高馬歇爾試件的間接拉伸強(qiáng)度，且間接拉伸強(qiáng)度隨鋼渣粉替代量增加而增長(zhǎng).凍融循環(huán)處理后，摻入鋼渣粉的馬歇爾試件的間接拉伸強(qiáng)度有明顯提升，但隨鋼渣粉替代量的增加提升幅度不大，導(dǎo)致殘留強(qiáng)度比的逐漸降低.由25%替代量下試件79.24%的殘留強(qiáng)度比降至100%替代量下77.30%的殘留強(qiáng)度比，但相對(duì)礦粉對(duì)照組76.46的殘留強(qiáng)度比仍有提升.鋼渣粉25%替代礦粉仍然具有最好的提升效果，但提升幅度只有3.6%，說(shuō)明鋼渣粉應(yīng)對(duì)更為苛刻的凍融循環(huán)處理后對(duì)水穩(wěn)定性的提升效果有限.另也有可能是凍融循環(huán)試驗(yàn)中要求馬歇爾試件具有較大空隙率，這導(dǎo)致鋼渣粉中f-CaO與水反應(yīng)更充分，加劇破壞了試件的體積穩(wěn)定性.

圖4 不同替代量鋼渣粉瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比

3 結(jié) 論

1) 鋼渣粉具有較為復(fù)雜的表面形貌，其表面紋理更為粗糙，表面具有明顯的棱角和孔洞，這會(huì)使鋼渣粉吸附更多瀝青，提高瀝青膠漿的勁度；其細(xì)度也較石灰石礦粉小，比表面積更大，與瀝青接觸面積更大，黏附性也越好；化學(xué)組成分析結(jié)果表明:鋼渣粉中含有大量的CaO成分，是一種高堿度礦渣填料，能改善酸性集料表面狀態(tài)，提高瀝青與集料的黏附性.粗糙的表面形貌和高堿度有助于改善瀝青與集料之間的黏附性，從而提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性.

2) 瀝青混合料浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)和凍融劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋼渣粉的摻入對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能有明顯提升，但隨鋼渣粉替代量增加，水穩(wěn)定性能呈降低趨勢(shì)，但鋼渣粉100%替代石灰石礦粉后試件的水穩(wěn)定性仍高于純石灰石粉組.僅本次實(shí)驗(yàn)而言，鋼渣粉替代石灰石粉總量的25%對(duì)水穩(wěn)定性能的提升效果最好.