鋼渣和鎂渣對(duì)沿海環(huán)境下瀝青-集料粘附性的影響研究

于翔飛，呂鵬程，王冬，卞思源，王瑞興

（1.中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710000；2.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；3.江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211899）

0 引言

在沿海地區(qū)，由于海水鹽霧環(huán)境和氯化物的侵蝕，水損害已成為瀝青路面的主要損壞類型之一，并且還會(huì)導(dǎo)致其它路面病害問(wèn)題的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響瀝青路面的使用壽命[1]。

動(dòng)水壓力造成的瀝青-集料界面粘附性下降是瀝青混合料水損害的主要原因。在瀝青或?yàn)r青混合料中摻入抗剝落劑以改善瀝青與集料的粘附性，是提高瀝青混合料抗水損害性能的一種常用措施[2-3]。目前市場(chǎng)上的抗剝落劑主要有3類[4]：（1）無(wú)機(jī)類。以水泥、消石灰為典型代表，優(yōu)點(diǎn)是成本低、效果好，但在混合料中分散不夠均勻；（2）金屬皂化物。以皂腳鐵較常見，應(yīng)用方便，但極易使瀝青產(chǎn)生離析，已被逐漸淘汰；（3）高分子類。以胺類和非胺類2種聚合物抗剝落劑為主，尤其是熱穩(wěn)定性良好的非胺類抗剝落劑，在國(guó)內(nèi)外工程建設(shè)中應(yīng)用較多。但是高分子類抗剝落劑也存在成本高、制備工藝繁瑣，依賴進(jìn)口等問(wèn)題。

相較而言，無(wú)機(jī)類抗剝落劑在實(shí)際應(yīng)用中更加簡(jiǎn)便、成本也更低，其對(duì)于瀝青混合料粘附性和瀝青-集料界面性能的影響也得到了廣泛的研究。張宏超和孫立軍[5]通過(guò)模擬瀝青老化試驗(yàn)，證明了抗剝落劑有利于提高瀝青抗水損害能力。王延海[6]對(duì)無(wú)機(jī)類、胺類和非胺類3種抗剝落劑進(jìn)行了穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，結(jié)果顯示，無(wú)機(jī)類抗剝落劑的改善效果優(yōu)于高分子類。

瀝青呈弱酸性，而水泥、消石灰等無(wú)機(jī)類抗剝落劑呈強(qiáng)堿性，其在界面處發(fā)生的理化反應(yīng)是影響瀝青-集料界面性能的重要因素。Huang和ROBERTSON[7]研究了瀝青-集料界面上的流變行為，發(fā)現(xiàn)集料表面會(huì)吸附瀝青，并且發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)。虞將苗和周文理[8]研究了微觀尺度下瀝青與集料的粘附作用，發(fā)現(xiàn)化學(xué)作用對(duì)瀝青-集料界面粘附性影響顯著，進(jìn)一步論證了無(wú)機(jī)類抗剝落劑在瀝青混合料性能改善過(guò)程中的作用機(jī)理。

綜上可知，無(wú)機(jī)堿性物質(zhì)有利于提高瀝青-集料的粘附性和界面性能。而鋼渣作為一種強(qiáng)堿類的固體廢棄物，目前相關(guān)研究主要集中在其作為集料成型瀝青混凝土[9-10]，對(duì)其磨細(xì)微粉與路面瀝青相容性的研究甚少。李松等[11]研究了鋼渣粉與瀝青的粘結(jié)性，證明了鋼渣微粉有應(yīng)用于瀝青混合料體系的潛力。而鎂渣及其磨細(xì)微粉作為路用材料國(guó)內(nèi)尚未見報(bào)道。

鑒于此，本研究利用鋼渣和鎂渣這2種固廢材料作為瀝青混合料的抗剝落劑，通過(guò)模擬沿海環(huán)境研究瀝青-粗集料體系的粘附性，旨在探究鋼渣、鎂渣作為新型無(wú)機(jī)類抗剝落劑的可行性，拓寬這2種固廢材料在路面材料領(lǐng)域的應(yīng)用途徑。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）集料

混合料中所用粗集料分別為江蘇產(chǎn)玄武巖和廣東產(chǎn)石灰?guī)r，其技術(shù)性能均符合JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》要求，粒徑為13.2～19.0 mm。

（2）瀝青

SK70?；|(zhì)瀝青，性能符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，其主要技術(shù)性能如表1所示。

表1 SK70?；|(zhì)瀝青的主要技術(shù)性能

（3）瀝青抗剝落劑

①消石灰：上海某公司生產(chǎn)，其主要技術(shù)性能如表2所示；②水泥：江蘇某公司生產(chǎn)的P·Ⅰ52.5水泥，其性能符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求；③非胺類抗剝落劑：DS-1型，山東某公司生產(chǎn)，其主要技術(shù)性能如表3所示。

表2 消石灰的主要技術(shù)性能

表3 DS-1型抗剝落劑的主要技術(shù)性能

（4）固體廢棄物

鋼渣微粉：山西某公司；鎂渣微粉：安徽某公司，鋼渣微粉和鎂渣微粉的主要化學(xué)成分如表4所示，粒徑分布如圖1所示。

表4 鋼渣微粉和鎂渣微粉的主要化學(xué)成分%

圖1 鋼渣微粉和鎂渣微粉的粒徑分布

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試樣制備方法

選取符合粒徑要求的集料，洗凈后在120℃恒溫干燥箱中干燥1 h以上，并根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容制備不同的改性瀝青，將集料浸入瀝青中1 min，以便充分裹覆，然后取出，使其在空氣中自然凝固15 min以上，即可制得試驗(yàn)所需試樣。

1.2.2 酸、堿性集料的粘附性試驗(yàn)

參照J(rèn)TG E20—2011，進(jìn)行3 min的水煮法試驗(yàn)，分別研究無(wú)機(jī)類抗剝落劑和非胺類抗剝落劑對(duì)玄武巖（酸性）集料和石灰?guī)r（堿性）集料粘附性的影響，以驗(yàn)證無(wú)機(jī)類抗剝落劑的改善效果，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定后續(xù)試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)條件。

1.2.3 高鹽高濕環(huán)境下瀝青-集料的粘附性試驗(yàn)

（1）將鋼渣、鎂渣微粉作為抗剝落劑，按5%的摻量加入到70?；|(zhì)瀝青中，充分?jǐn)嚢?，并?duì)集料進(jìn)行裹覆，利用水煮法評(píng)價(jià)粘附性。

（2）將用摻加5%鋼渣或鎂渣微粉的瀝青裹覆后的集料在5%NaCl溶液中浸泡3、7 d，設(shè)置空白組，并通過(guò)水煮法試驗(yàn)觀察瀝青膜脫落情況，比較鋼渣和鎂渣微粉對(duì)瀝青粗集料體系抗高鹽、高濕環(huán)境能力的改善效果。

（3）利用自主設(shè)計(jì)的全自動(dòng)干濕循環(huán)加速裝置（見圖2），以試塊在30℃、5%NaCl溶液的鹽霧環(huán)境中噴淋2 h并在30℃下干燥2 h為1次干濕循環(huán)，進(jìn)行24 h的加速試驗(yàn)，定量計(jì)算瀝青膜的脫落量，評(píng)價(jià)鋼渣、鎂渣微粉對(duì)瀝青-集料體系在鹽霧環(huán)境下粘附性的影響。

圖2 全自動(dòng)干濕循環(huán)裝置示意

1.2.4 固廢微粉改善瀝青-集料粘附性的機(jī)理分析

取干燥的鋼渣微粉和鎂渣微粉進(jìn)行溴化鉀壓片；將鋼渣微粉、鎂渣微粉與基質(zhì)瀝青加熱到140℃，分別按質(zhì)量比2∶1充分?jǐn)嚢柚苽錇r青膠漿，進(jìn)行FT-IR光譜分析；同時(shí)設(shè)置基質(zhì)瀝青作為對(duì)照組。

為了研究固廢微粉對(duì)于瀝青-集料界面性能的改善效果，按照水膠比0.25制備水化鋼渣膠漿和水化鎂渣膠漿，并用其對(duì)集料進(jìn)行表面裹覆，然后再將裹覆好的集料浸入基質(zhì)瀝青中1 min后取出，待其自然凝固后，靜置于空氣中，1、7 d后，利用水煮法試驗(yàn)評(píng)價(jià)其粘附性。刮取集料表面的水化產(chǎn)物，采 用XRD進(jìn)行物相分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 集料和抗剝落劑類型對(duì)瀝青-集料粘附性的影響

分別采用酸、堿性集料和不同種類抗剝落劑（水泥、消石灰、非胺類）制備試樣，對(duì)瀝青和集料的粘附性等級(jí)進(jìn)行水煮法評(píng)價(jià)試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 集料和抗剝落劑類型對(duì)瀝青-集料粘附性的影響

由圖3可以看出：（1）無(wú)機(jī)類抗剝落劑和非胺類高分子抗剝落劑均明顯提高了瀝青-集料的粘附性至4～5級(jí)。因?yàn)闉r青略顯酸性，所以在加入抗剝落劑前后，瀝青與堿性集料的粘附性都優(yōu)于瀝青與酸性集料的粘附性。（2）在無(wú)機(jī)類抗剝落劑中，消石灰的效果優(yōu)于水泥，且與DS-1型抗剝落劑相比，消石灰的效果也相差無(wú)幾，表明無(wú)機(jī)類抗剝落劑的改善效果并不遜于非胺類抗剝落劑DS-1。為了更好地體現(xiàn)鋼渣微粉和鎂渣微粉的抗剝落效果，后續(xù)試驗(yàn)選取玄武巖（酸性集料）為試驗(yàn)集料。

2.2 固廢微粉對(duì)高鹽高濕環(huán)境下瀝青-集料粘附性的影響

采用摻加5%鋼渣或鎂渣微粉的瀝青對(duì)酸性集料進(jìn)行裹覆（改性瀝青組）；同時(shí)，因?yàn)闉r青-集料粘附性的失效主要是由于界面性能的下降，所以用固廢微粉對(duì)集料進(jìn)行裹覆（表面處理組）。又由于固廢微粉的水化較慢[12]，嘗試采用提前水化（即用水使微粉水化，漿體干燥后再裹覆瀝青）的方式處理微粉，激發(fā)其膠凝性質(zhì)后再對(duì)集料表面進(jìn)行裹覆，然后浸入基質(zhì)瀝青中制得試樣，分別靜置1、7 d（分別為靜置1 d、靜置7 d組）后，利用水煮法試驗(yàn)，觀察其對(duì)界面粘附性的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 固廢微粉對(duì)高鹽高濕環(huán)境瀝青-集料粘附性的影響

由圖4可見，由于固廢微粉的水化速率較低，膠凝物質(zhì)生成慢，不論是摻加到瀝青中還是在集料表面處理，成型后進(jìn)行水煮法試驗(yàn)，其粘附性都只能達(dá)到3～4級(jí)。而采用提前水化的固廢微粉裹覆集料后，瀝青與集料的粘附性顯著提高；當(dāng)延長(zhǎng)水化時(shí)間后，隨著固廢微粉水化產(chǎn)物的逐漸增加，其與瀝青、集料的粘結(jié)性能也逐漸增強(qiáng)。用摻加鋼渣微粉或鎂渣微粉的瀝青裹覆后的集料水化7 d后，其粘附性均能達(dá)到5級(jí)。

由于固廢微粉的抗剝落效果需要通過(guò)水化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，其對(duì)于瀝青-集料粘附性的改善效果也不斷增強(qiáng)。因此，配制5%NaCl溶液模擬海水進(jìn)行浸水試驗(yàn)，采用水煮法評(píng)價(jià)其粘附性，結(jié)果如圖5所示，試件的外觀如圖6所示。

圖5 海水中浸泡時(shí)間對(duì)固廢改性瀝青-集料粘附性的影響

由圖5可見，浸泡初期，摻加5%鋼渣或5%鎂渣微粉瀝青中的固廢微粉未得到充分水化，其對(duì)粘附性的改善效果并不明顯。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，瀝青中的固廢微粉與環(huán)境水逐漸反應(yīng)，生成膠凝物質(zhì)，瀝青-集料的粘附性不斷提高。浸泡7 d時(shí)，摻加5%鋼渣或5%鎂渣微粉的瀝青與集料的粘附性已達(dá)到5級(jí)，而用摻加鎂渣微粉的瀝青裹覆的集料表面有少許小孔（見圖6），但粘附性也能達(dá)到4級(jí)。試驗(yàn)結(jié)果表明，固廢微粉對(duì)瀝青-集料體系抵抗高鹽、高濕環(huán)境能力有顯著的改善效果，而鋼渣微粉的改善效果優(yōu)于鎂渣微粉。

圖6 海水浸泡7 d后試樣表面形貌

為了進(jìn)一步研究在沿海環(huán)境下固廢微粉對(duì)瀝青-集料體系的影響，用摻5%鋼渣微粉或5%鎂渣微粉的瀝青對(duì)集料進(jìn)行裹覆，水養(yǎng)24 h使其充分水化后，利用全自動(dòng)干濕循環(huán)裝置進(jìn)行24 h的5%NaCl鹽霧干濕循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 瀝青膜層的質(zhì)量剝落率 %

由表5可見：經(jīng)過(guò)24 h的鹽霧干濕循環(huán)，基質(zhì)瀝青成型的瀝青-粗集料試樣，其表面瀝青膜脫落近10%；而摻加鋼渣、鎂渣微粉的瀝青成型的瀝青-粗集料試樣，其表面瀝青膜層的脫落率僅為0.86%和1.48%。由此可見，鋼渣、鎂渣微粉作為抗剝落劑摻入基質(zhì)瀝青中，可有效提高瀝青-集料在鹽霧環(huán)境下的粘附性，延長(zhǎng)服役壽命。

2.3 固廢微粉對(duì)瀝青-集料粘附性影響的機(jī)理分析

2.3.1 紅外光譜分析

瀝青與集料界面的粘附機(jī)理雖然復(fù)雜，但其本質(zhì)依然是物理化學(xué)吸附作用。瀝青中存在羧酸、酸酐、硫氧化物等官能團(tuán)，易與堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，提高粘附性。因此采用FT-IR分析基質(zhì)瀝青分別與鋼渣微粉、鎂渣微粉按質(zhì)量比2∶1混合后所制的固廢膠漿中官能團(tuán)的變化，結(jié)果如圖7所示。

圖7 固廢微粉和固廢微粉改性瀝青膠漿的紅外光譜

由圖7可見，3種瀝青均在2750～3000 cm-1處出現(xiàn)了寬而散的吸收峰，這是羧酸官能團(tuán)的典型特征峰，說(shuō)明鋼渣微粉、鎂渣微粉的摻入并沒有破壞瀝青的酸性基團(tuán)，這是瀝青能與固廢微粉發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生粘附性的前提。1473 cm-1處為C—CH3不對(duì)稱鍵振動(dòng)峰；1380 cm-1處為—CH2—對(duì)稱鍵伸縮振動(dòng)峰[13]，摻入鋼渣微粉后該處的吸收峰增強(qiáng)，而摻入鎂渣微粉后幾乎沒有變化，正對(duì)應(yīng)圖7（a）中鋼渣微粉、鎂渣微粉在此處吸收峰的情況，可見鋼渣微粉瀝青膠漿組分之間產(chǎn)生了相互作用。而鋼渣微粉、鎂渣微粉在750～1200 cm-1處的Si—O鍵伸縮振動(dòng)以及Si—H鍵彎曲振動(dòng)[14]使得摻鋼渣微粉、鎂渣微粉的瀝青膠漿均在此處出現(xiàn)了新的吸收峰，進(jìn)一步表明鋼渣微粉、鎂渣微粉與瀝青之間會(huì)發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)必然會(huì)產(chǎn)生新的化學(xué)鍵，增強(qiáng)瀝青與鋼渣微粉、鎂渣微粉之間的作用力。

2.3.2 XRD分析

去除試樣表面的瀝青層后，對(duì)集料與瀝青層之間的水化物質(zhì)進(jìn)行XRD物相分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 鋼渣微粉和鎂渣微粉水化產(chǎn)物的XRD圖譜

由圖8可見，鋼渣微粉和鎂渣微粉中存在大量的Ca2SiO4和Ca3SiO5等具有水化活性的礦物相。這些礦物相會(huì)不斷與水反應(yīng)并生成具有膠凝特性的C-S-H凝膠[15]，提高瀝青-瀝青和瀝青-集料之間的粘附性。但是，由于固廢微粉中的雜質(zhì)較多，水化速率較低，使其早期對(duì)于粘附性的影響并不明顯。

3 結(jié)論

（1）鋼渣微粉和鎂渣微粉具有作為新型瀝青抗剝落劑應(yīng)用于道路建設(shè)的潛力，其對(duì)瀝青-集料粘附性的改善效果與水泥、消石灰等傳統(tǒng)無(wú)機(jī)類抗剝落劑相當(dāng)，拓寬了這2種固體廢棄物在路面工程相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

（2）摻入5%鋼渣微粉或鎂渣微粉使瀝青-集料體系對(duì)沿海鹽霧環(huán)境的抵御能力得到了大幅提升，其在高鹽高濕環(huán)境下的粘附性均達(dá)到了4～5級(jí)，符合JTG E20—2011要求，在沿海地區(qū)的應(yīng)用前景廣闊。

（3）FT-IR分析表明，鋼渣微粉、鎂渣微粉的摻入使得基質(zhì)瀝青在750～1200 cm-1處出現(xiàn)了新的吸收峰，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新的化學(xué)鍵增強(qiáng)了瀝青與鋼渣微粉、鎂渣微粉之間的作用力，提高了改性 瀝青與集料的粘附性。

（4）XRD分析表明，鋼渣微粉和鎂渣微粉中含有大量具有水化活性的物質(zhì)，其水化產(chǎn)物C-S-H凝膠是水泥混凝土體系中的主要膠凝成分，極大地提高了瀝青與集料之間的粘附性。