鋼渣微粉表面特性及瀝青膠漿高溫流變性能研究

陳益文

(福建路橋建設(shè)有限公司 福建福州 350000)

0 引言

瀝青與集料相互作用能力的大小影響著瀝青路面的破壞難易程度[1-2]，二者相互作用能力越強(qiáng)，瀝青混合料的整體性能越好[3]，出現(xiàn)水損壞、車轍等破壞的幾率越低。為增加結(jié)合面積，瀝青混合料中常使用填料，如堿性石灰粉加少量水泥或者粉煤灰等，增加相互作用的比表面積。填料與瀝青結(jié)合形成膠漿，以膠漿形式與較粗集料進(jìn)行相互。膠漿理論認(rèn)為，在瀝青混合料中，實(shí)際發(fā)揮黏結(jié)作用的是瀝青膠漿，填料質(zhì)量與瀝青質(zhì)量的比值(粉膠比)及填料的種類直接影響著瀝青膠漿的性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)瀝青混合料的路用性能產(chǎn)生影響[4]。近年來(lái)，對(duì)鋼渣這種工業(yè)廢料的研究表明，其堿性強(qiáng)、強(qiáng)度高、耐磨性均較好，可作為替代普通石料的路面材料，因此近年來(lái)有鋼渣直接作為集料的應(yīng)用研究[5]，也有的嘗試將鋼渣微粉替代礦粉(石灰石粉末，以下簡(jiǎn)稱礦粉)作為填料，研究其影響[5-6]。

本文通過(guò)電鏡掃描(SEM)比較鋼渣微粉與礦粉的微觀形貌區(qū)別，通過(guò)粘附性試驗(yàn)比較鋼渣與石灰?guī)r類集料裹覆性能，通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)研究不同粉膠比以及鋼渣微粉以不同比例替代礦粉(以下簡(jiǎn)稱鋼渣粉替代率)情況下的瀝青膠漿高溫流變性能，分析鋼渣粉對(duì)瀝青膠漿高溫流變性的影響，對(duì)鋼渣粉作為填料應(yīng)用于道路工程進(jìn)行探索。

1 原材料性能與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

本文試驗(yàn)所用的A級(jí)70#基質(zhì)瀝青，基本性能如表1所示。所采用的鋼渣微粉和鋼渣集料均產(chǎn)自福建三鋼集團(tuán)三明分公司，表觀密度為3.281 g/cm3。礦粉產(chǎn)自福建省三明市尤溪縣，礦粉和鋼渣微粉的基本性能如表2～表3所示。

表1 70#瀝青基本性能

表2 礦粉性能

表3 鋼渣微粉

鋼渣微粉化學(xué)礦物相由XRD(X射線衍射)測(cè)定，如圖1所示。鋼渣的物相組成主要以Ca、Mg、Fe的固溶體形式存在，包括硅酸二鈣(Ca2SiO4)、硅酸三鈣(Ca3SiO5)、鈣鎂橄欖石(Ca14Mg2(SiO4)8)、MgO、RO相以及黑鈣鐵礦(Ca2Fe2O5)。其中硅酸二鈣(Ca2SiO4)、硅酸三鈣(Ca3SiO5)、鈣鎂橄欖石(Ca14Mg2(SiO4)8)對(duì)應(yīng)的衍射峰較強(qiáng)，說(shuō)明三者含量較高，為主要礦物相。鋼渣微粉中f-CaO含量根據(jù)EDTA滴定試驗(yàn)，為0.52%。

圖1 鋼渣X射線衍射圖譜

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)鋼渣微粉與相對(duì)比的石灰石礦粉的微觀形貌，采用用Quanta 250型鎢燈絲掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行微觀觀測(cè)。

集料與瀝青的粘附性等級(jí)，是瀝青與集料表面相互作用力大小的表征。鋼渣微粉充當(dāng)?shù)V粉，鋼渣與瀝青的粘附性是首先需考慮的性能。因此，進(jìn)行了鋼渣與石灰石分別與集料粘附性的對(duì)比試驗(yàn)。其中石灰石選用高鈣石灰石和低鈣石灰石。試驗(yàn)時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)煮沸時(shí)間(3 min)、延長(zhǎng)1倍煮沸時(shí)間(6 min)兩種試驗(yàn)條件，其它條件均相同。

高溫流變?cè)囼?yàn)采用美國(guó)TA公司動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行。試驗(yàn)取4個(gè)粉膠比：0.6、0.8、1.0和1.2。試驗(yàn)選定5個(gè)鋼渣粉替代率：0%、25%、50%、75%、100%，研究不同鋼渣粉替代率下瀝青膠漿高溫流變性能變化。高溫流變?cè)囼?yàn)采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀，用溫度掃描試驗(yàn)測(cè)試不同溫度下各瀝青膠漿的高溫流變性能。試驗(yàn)溫度為50℃～80℃，每2℃記錄一次數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量(G*)、車轍因子和相位角(δ)以及對(duì)應(yīng)溫度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀形貌

為更好了解鋼渣形貌特點(diǎn)，本文采用Quanta 250型鎢燈絲掃描電子顯微鏡(SEM)，對(duì)鋼渣微粉和普通礦粉表面進(jìn)行微觀觀測(cè)，結(jié)果如圖2～圖3所示。

(a)鋼渣微粉表面

(b)石灰石礦粉表面

(a)鋼渣微粉表面

(b)石灰石礦粉表面

由圖2～圖3可見(jiàn)，從5000倍放大到10 000倍，鋼渣微粉表面均呈現(xiàn)豐富的孔隙和紋理，表面粗糙；而礦粉明顯不同。在5μm的尺度，鋼渣微粉表面各處之間仍有豐富的網(wǎng)狀連接，布滿孔隙，表面呈凸凹不平的狀態(tài)，被瀝青包裹后，這些空隙均能吸附瀝青，從而與瀝青較緊密地結(jié)合，形成表面相互作用良好的膠體體系[7-8]。相應(yīng)的，在5000倍與10 000倍電鏡之下，礦粉表面表現(xiàn)為少量凸起，沒(méi)有孔隙，各部位呈現(xiàn)較為平整的塊狀，表面缺少微紋理構(gòu)造。因此，在同樣體積下，鋼渣微粉比表面積較礦粉大得多，能夠吸附較多瀝青。

2.2 粘附性

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋼渣、石灰石與瀝青的黏附性均表現(xiàn)良好，如表4所示。

表4 集料與瀝青的黏附性

在與基質(zhì)瀝青粘附性試驗(yàn)中，當(dāng)水煮時(shí)間為3 min時(shí)，鋼渣、高鈣石灰石的黏附性等級(jí)均為4級(jí)，而低鈣石灰石可達(dá)5級(jí)。當(dāng)水煮時(shí)間延長(zhǎng)為6 min時(shí)，鋼渣與低鈣石灰石粘附性保持不變，高鈣石灰石降低為4級(jí)。

在與SBS改性瀝青的粘附性試驗(yàn)中，當(dāng)水煮時(shí)間為3 min時(shí)，各集料的黏附性等級(jí)均為5級(jí)；水煮時(shí)間延長(zhǎng)為6 min時(shí)，鋼渣與低鈣石灰石粘附性保持5級(jí)不變，高鈣石灰石降低為4級(jí)。

因鋼渣與石灰石均呈現(xiàn)較強(qiáng)堿性，能與酸性瀝青之間產(chǎn)生化學(xué)吸附作用；同時(shí)鋼渣具有豐富的表面微紋理，與石灰石相比，在同樣體積下，具有較大比表面積，吸附了較多瀝青。因此，在較嚴(yán)苛的試驗(yàn)條件下，鋼渣與瀝青之間相互作用依舊良好，粘附性強(qiáng)。

2.3 鋼渣瀝青膠漿高溫流變性能研究

不同粉膠比、不同鋼渣微粉(重量)替代率下，瀝青膠漿復(fù)數(shù)模量、車轍因子和相位角變化情況如圖4～圖5所示。圖中F/A代表粉膠比，S/F代表鋼渣粉替代率。

由圖4～圖7可知，無(wú)論哪種粉膠比和鋼渣替代率，均為隨溫度升高，瀝青膠漿復(fù)數(shù)模量減小，相位角增大。摻配鋼渣微粉的膠漿具有和礦粉膠漿類似規(guī)律，復(fù)數(shù)模量和相位角隨溫度變化曲線，接近常見(jiàn)的瀝青結(jié)合料。

(a)復(fù)數(shù)模量-溫度曲線

(b) 相位角-溫度曲線

(a)復(fù)數(shù)模量-溫度曲線

(b)相位角-溫度曲線

(a)復(fù)數(shù)模量-溫度曲線

(b)相位角-溫度曲線

(a)復(fù)數(shù)模量-溫度曲線

(b)相位角-溫度曲線

對(duì)比圖4～圖7中所有(a)圖，可看出無(wú)論粉膠比是0.6還是1.2，對(duì)復(fù)數(shù)模量-溫度曲線來(lái)說(shuō)，基本變化趨勢(shì)是鋼渣微粉替代礦粉的比例越低，瀝青膠漿復(fù)數(shù)模量越大。粉膠比分別為0.6、1.2時(shí)，75%替代率的復(fù)數(shù)模量-溫度曲線稍有紊亂，如果忽略這兩條曲線，復(fù)數(shù)模量變化基本符合上述規(guī)律。為保證質(zhì)量比正確，本試驗(yàn)按重量摻配鋼渣粉，考慮到鋼渣微粉密度比礦粉大，鋼渣微粉在礦粉中的實(shí)際顆粒比例低于同質(zhì)量礦粉，對(duì)礦粉的替換率越高，實(shí)際顆粒占比損失越大。如果鋼渣微粒數(shù)量占比下降速率超過(guò)比表面積的增加速率，將導(dǎo)致未被吸附的自由瀝青增多，從而出現(xiàn)鋼渣替代率越高，復(fù)數(shù)模量越低的現(xiàn)象。

對(duì)于相位角-溫度曲線，如圖4～圖7中(b)圖所示,當(dāng)粉膠比從0.6變化到1.2時(shí)，不同鋼渣微粉替代率下，膠漿相位角隨著溫度的升高顯著增加。溫度升幅相同時(shí)，各替代率下的增加幅度沒(méi)有顯著區(qū)別。在同一溫度下，相同粉膠比時(shí)，不同鋼渣微粉替代率下的各膠漿相位角差別基本在1°左右，最大不超過(guò)2°。在試驗(yàn)所用粉膠比范圍內(nèi)，考慮到溫度掃描試驗(yàn)誤差，其它試驗(yàn)條件相同的情況下，填料是礦粉還是鋼渣微粉，對(duì)相位角影響較??；對(duì)瀝青膠漿相位角影響最顯著的內(nèi)在因素為瀝青性能；而由于瀝青對(duì)溫度的敏感性，溫度就成為重要外在影響因素。

圖8～圖11給出了60℃和70℃時(shí)，不同粉膠比對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)模量和相位角。由圖可知，高溫時(shí)各種鋼渣粉替代率下，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量均隨著粉膠比的增大而變大，說(shuō)明不同鋼渣粉替代率下的填料都起到填充作用，均能改善瀝青膠漿的抗剪切變形能力。圖8和圖10進(jìn)一步直觀地說(shuō)明了復(fù)數(shù)模量隨著鋼渣微粉的替代率的增加而降低的情況。此外還可知，粉膠比在這兩個(gè)溫度下對(duì)相位角的影響不明顯，粉膠比在0.6～1.2區(qū)間變化時(shí)，無(wú)論鋼渣微粉的替代率為多少，相位角都在86.5°～87.8°范圍內(nèi)變動(dòng)，說(shuō)明在普通瀝青混合料采用的粉膠比范圍內(nèi)，粉膠比大小對(duì)相位角影響很小，類似于填料種類的影響。

圖8 60℃時(shí)復(fù)數(shù)模量-粉膠比曲線

圖9 60℃相位角-粉膠比曲線

圖10 70℃時(shí)復(fù)數(shù)模量-粉膠比曲線

圖11 70℃相位角-粉膠比曲線

由圖12、圖13可知，車轍因子隨著粉膠比增加而顯著提高，說(shuō)明填料的加入，可以很好地改善瀝青膠漿抵抗高溫永久變形的能力，從而增強(qiáng)瀝青混合料的高溫抗車轍性能。粉膠比確定時(shí)，無(wú)論鋼渣粉替代率多少，膠漿的車轍因子均隨著溫度的升高逐漸降低，如圖14與圖15中車轍因子-溫度曲線所示。車轍因子-溫度曲線呈現(xiàn)與復(fù)數(shù)模量-溫度曲線相同的變化規(guī)律，即粉膠比分別為0.6、1.2時(shí)，忽略稍有紊亂的75%替代率曲線后，可以發(fā)現(xiàn)，鋼渣微粉替代礦粉的比例越低，車轍因子越大；反之，車轍因子越小。因此，在用鋼渣微粉替代礦粉時(shí)，應(yīng)注意按體積替換，同時(shí)考慮比表面積增加帶來(lái)的瀝青吸附量的影響。

圖12 60℃車轍因子-粉膠比曲線

圖13 70℃車轍因子-粉膠比曲線

圖14 粉膠比0.6時(shí)車轍因子-溫度曲線

圖15 粉膠比1.0時(shí)車轍因子-溫度曲線

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比鋼渣與石灰石微觀形貌與粘附性試驗(yàn)，進(jìn)行鋼渣高溫流變性能試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

(1)同等微觀觀測(cè)尺度下，鋼渣微粉微觀紋理具有豐富的表面凸凹構(gòu)造與孔隙結(jié)構(gòu)，比石灰石礦粉豐富得多。

(2)鋼渣與瀝青的粘附性與石灰?guī)r粘附性相比，標(biāo)準(zhǔn)煮沸時(shí)長(zhǎng)下，二者均具有較好粘附性；延長(zhǎng)煮沸時(shí)長(zhǎng)，鋼渣與瀝青顯示出更好的粘附性。

(3)高溫流變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明，無(wú)論填料是礦粉還是含有鋼渣微粉，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量和車轍因子均隨著溫度的升高而減小，相位角則隨之增大。隨著粉膠比的增加，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量和車轍因子都增大。鋼渣微粉替代礦粉的比例越低，復(fù)數(shù)模量與車轍因子越大。反之，復(fù)數(shù)模量和車轍因子越??；填料類型和粉膠比的大小對(duì)相位角影響很小。在用鋼渣微粉替代礦粉時(shí)，應(yīng)注意按體積替換，同時(shí)考慮鋼渣比表面積增加帶來(lái)的瀝青吸附能力變化的影響。