鋼渣粉填料的特性及其對瀝青性能的影響

范興茜

摘要：填料的性質直接影響瀝青膠漿的性能，對瀝青混合料的綜合性能起著重要作用。目前，鋼渣粉替代石灰?guī)r礦粉用于瀝青膠漿填料受到研究者的關注，文章對鋼渣粉、石灰?guī)r礦粉開展微觀形貌和化學成分分析，并對鋼渣粉、石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿開展常規(guī)性能和流變性能研究。得出結論如下：鋼渣粉相比石灰?guī)r礦粉，其粉微觀形貌具有更豐富的表面紋理，鋼渣粉瀝青膠漿常規(guī)性能和流變性能均優(yōu)于石灰?guī)r礦粉，并且根據(jù)試驗結果中的ΔG*以及K-B-G*指標表明，鋼渣粉與瀝青的交互作用能力強于石灰?guī)r礦粉。相比石灰?guī)r礦粉，鋼渣粉對瀝青性能提升效果更顯著。

關鍵詞：道路工程；鋼渣粉；物理化學特性；瀝青膠漿；流變特性

中圖分類號：TU57+1? ? ? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）06-0068-04

0 引言

填料的特性對瀝青及瀝青混合料的各項性能有顯著影響。由于填料可以提供更高的比表面積，在瀝青混合料中與瀝青所形成的瀝青膠漿提升了瀝青混合料的強度。近年來，對摻加填料的瀝青膠漿的研究受到廣大研究者的關注［1-3］。理論分析表明，在基質瀝青中摻加填料會改變基質瀝青的流變特性。因此，填料的性質對瀝青膠漿的性能起著至關重要的作用。傳統(tǒng)施工中，瀝青路面一般采用石灰?guī)r磨制的礦粉作為填料。隨著我國公路建設的快速發(fā)展和自然資源的過度消耗，并且石灰?guī)r礦粉在我國的一些地區(qū)并不常見，需要遠距離運輸，為促進瀝青路面的可持續(xù)發(fā)展，近年來研究者將目光投入工業(yè)廢棄物的回收和再利用領域，如煤渣、赤泥、廢玻璃粉及建筑和拆遷廢物的回收和再利用［4-6］。鋼渣是煉鋼過程中伴生的一種堿性工業(yè)固廢，一般占粗鋼產(chǎn)量的10%～15%，已經(jīng)有學者研究其用于改善瀝青膠漿及瀝青混合料性能的作用。孫家瑛等［7］利用鋼渣粉代替礦粉摻入瀝青中形成瀝青膠漿，并對鋼渣粉瀝青膠漿開展研究，認為鋼渣粉具有較高的比表面積，能有效地提升瀝青膠漿的黏附性、水穩(wěn)定性和高溫性能，但對其他性能的提升程度不顯著。李鴻軻等［8］對鋼渣粉瀝青混合料性能開展研究，認為鋼渣粉替代礦粉存在一個最佳替代率，鋼渣粉瀝青混合料水穩(wěn)定性能優(yōu)于礦粉瀝青混合料。上述研究表明，鋼渣粉替代傳統(tǒng)石灰?guī)r礦粉具有較高的可行性，并且相比石灰?guī)r，鋼渣粉對提升瀝青及瀝青混合料黏附性、水穩(wěn)定性方面更具優(yōu)勢。基于此，本文開展不同粉膠比鋼渣瀝青膠漿和石灰?guī)r礦粉膠漿常規(guī)性能和流變特性研究，并對比分析鋼渣粉、石灰?guī)r礦粉的物理特性和化學特性，為瀝青路面工程應用鋼渣粉代替石灰?guī)r礦粉提供技術參考。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

本文實驗采用的鋼渣來自廣西柳州鋼鐵集團有限公司，使用粉碎機對鋼渣進行破碎，并進行篩分，保證生產(chǎn)尺寸小于75 μm。瀝青采用70#A級瀝青，相關技術指標滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F 40—2004），基本技術指標見表1。石灰?guī)r礦粉來自來賓某礦粉生產(chǎn)廠家，相關技術指標滿足我國規(guī)范JTGF 40—2004中的要求。

1.2 試驗方法

1.2.1 填料微觀分析

采用掃描電鏡分析填料的微觀形態(tài)，使用X射線熒光（XRF）光譜檢測填料的化學成分。

1.2.2 瀝青膠漿制備方法

瀝青膠漿的制備方法為在160 ℃的烘箱中加熱70#瀝青直到其完全熔化后，將規(guī)定比例（本文設置的粉膠比為0.6、0.8、1.0、1.2）的填料添加到熔化的瀝青中，粉膠比為填料與瀝青質量之比，并使用高速剪切機以2 000 rpm的轉速和160 ℃的溫度攪拌1 h。接下來，將所得瀝青膠漿放入烘箱中烘烤30 min，排出混合過程中產(chǎn)生的氣泡。

1.2.3 瀝青膠漿常規(guī)性能

針入度、軟化點和高溫布式旋轉黏度是用于評估瀝青性能的常規(guī)參數(shù)。相關試驗過程參考我國規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）中的要求進行。

1.2.4 瀝青膠漿流變性能

采用動態(tài)剪切流變儀（DSR）測試瀝青膠漿的流變特性。流變試驗包括頻率掃描和高溫流變試驗，頻率掃描的試驗參數(shù)如下：溫度為60℃，頻率范圍為0.1～20 Hz，直徑為25 mm的平板，瀝青試樣間隙為1 mm。高溫流變試驗參數(shù)如下：溫度為58 ℃，直徑為25 mm的平板，瀝青試樣間隙為1 mm，加載頻率為1.6 Hz。流變特性獲得參數(shù)主要為復數(shù)剪切模量G*、車轍因子G*/sinδ。

1.2.5 填料與瀝青相互作用參數(shù)

使用2個評價指標評定填料與瀝青的相互作用，包括復數(shù)模量系數(shù)ΔG*及K-B-G*系數(shù)，它們分別來自TAN［9］和Palierne等［10］提出的模型，這2個指標越高，表明填料與礦粉的相互作用能力越強，ΔG*及K-B-G*系數(shù)計算方法如公式（1）和公式（2）所示：

公式（2）中，K-B-G*為瀝青與礦粉交互作用的評價指標，[Gc*]為瀝青膠漿的復數(shù)模量（kPa），[Gm*]為瀝青的復數(shù)模量（kPa）；[Φf]為礦粉的體積分數(shù)。

2 試驗結果及分析

2.1 填料特性分析

鋼渣粉與石灰?guī)r礦粉填料的電鏡掃描照片如圖1所示。從圖1可知，由于粉碎工藝不同，所以鋼渣表面形狀大多不規(guī)則，并且顆粒具有棱角形狀和層狀結構；鋼渣粉的形狀比石灰?guī)r礦粉顆粒的比表面積大，因此摻入瀝青后與瀝青將會產(chǎn)生相互作用性能。相反，石灰?guī)r礦粉晶粒具有相對光滑的紋理，可能會降低其與瀝青的相互作用性能?？傮w而言，鋼渣粉具有粗糙表面的填料顆?？梢愿行У嘏c瀝青相互作用，因為復雜的表面形態(tài)不僅能提供更大的比表面積，而且能夠提高瀝青-填料界面的抗剪性能。

鋼渣粉與石灰?guī)r礦粉的化學組成成分分析結果見表2。從表2可知：石灰?guī)r礦粉的主要化學成分為CaO，其次是SiO2。石灰?guī)r礦粉高CaO含量的特點有利于提高填料和瀝青之間的黏附性。本研究采用的鋼渣粉含有39.17%的CaO和5.18%的MgO，同樣有利于鋼渣粉與瀝青的黏附。因此，鋼渣粉末中MgO和CaO的存在促進了鋼渣粉與瀝青的相互作用。然而，鋼渣粉中檢測到的相對較高的SiO2含量可能會降低瀝青混合料的性能，這是因為SiO2會降低瀝青膠漿與集料的黏附性。SiO2、Al2O3、Ca0、MgO、Fe2O3和Na2O是在大多數(shù)礦物集料中發(fā)現(xiàn)的主要化合物，在鋼渣粉與石灰?guī)r礦粉中均有檢測到這些物質，然而CaO、SiO2 2項關鍵物質的含量不同可能會導致鋼渣粉與石灰?guī)r礦粉與瀝青的相互作用水平的差異。

2.2 瀝青膠漿的常規(guī)性能

瀝青膠漿的常規(guī)性能檢測結果如圖2和表3所示。

（1）無論是石灰?guī)r礦粉還是鋼渣粉，在120 ℃、135 ℃、150 ℃、165 ℃和180 ℃等不同溫度下，瀝青膠漿的布式旋轉黏度隨溫度的升高而明顯降低。但是，鋼渣粉瀝青膠漿的布式旋轉黏度明顯高于石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿，表明使用鋼渣粉填料有助于提高瀝青膠的黏度，但可能會帶來施工方面的困難（高溫黏度較高，不利于壓實瀝青混合料）。

（2）鋼渣粉瀝青膠漿相比石灰?guī)r礦粉膠漿具有更低的針入度和更高的軟化點，表明鋼渣粉瀝青膠漿在常溫下的稠度高于石灰?guī)r礦粉，高溫性能優(yōu)于石灰?guī)r礦粉。

2.3 瀝青膠漿的流變性能

2.3.1 復數(shù)模量G*

鋼渣粉瀝青膠漿和石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿的復數(shù)模量G*和相位角δ測試結果如圖4和圖5所示。

（1）兩種瀝青膠漿的復數(shù)模量G*都有隨著加載頻率增大而增大的趨勢，而相位角δ也有隨之增大的趨勢。瀝青膠漿G*值越高，其在高溫下抵抗變形的能力越強。因此，作為石灰?guī)r礦粉的替代品，鋼渣粉能夠提高瀝青混合料的抗永久變形能力。

（2）當加載頻率較低時，鋼渣粉瀝青膠漿的復數(shù)模量G*高于石灰?guī)r礦粉膠漿，但加載頻率進一步增大時，石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿的復數(shù)模量G*優(yōu)勢較為明顯。上述現(xiàn)象表明，鋼渣粉礦粉瀝青膠漿適合于較低加載頻率的應用場景。與此同時，鋼渣粉瀝青膠漿復數(shù)模量G*對加載頻率的敏感性低于石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿。

（3）鋼渣粉瀝青膠漿的相位角δ在0.1～20 Hz范圍內，均低于石灰?guī)r礦粉，表明石灰?guī)r礦粉瀝青主要是彈性成分居多，而鋼渣粉摻入瀝青后所增加的彈性成分低于石灰?guī)r礦粉。

由圖5可知：隨著粉膠比增大，鋼渣粉瀝青膠漿與石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿復數(shù)模量G*均有所增大，并且鋼渣粉瀝青膠漿的高溫性能逐漸顯示出其優(yōu)勢，但隨著粉膠比進一步增大到1.2時，鋼渣粉瀝青膠漿的復數(shù)模量G*與石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿的差異變小。

2.3.2 車轍因子G*/sinδ

車轍因子試驗結果如圖6所示。從圖6可知：鋼渣粉瀝青膠漿和石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿的車轍因子G*/sinδ隨著粉膠比的增加而增加。Xing等［11］已經(jīng)證明粉膠比與填料類型均會對瀝青膠漿的G*和G*/sinδ產(chǎn)生影響。隨著填料用量的增加，瀝青膠漿由基質瀝青的黏性狀態(tài)逐漸向彈性狀態(tài)轉變，流變特性展現(xiàn)為復數(shù)模量G*的增加和相位角的減小。因此，在填料含量較高的情況下，觀察到的瀝青膠漿和抗車轍性的改善可歸因于G*/sinδ的增加。車轍因子G*/sinδ增大能改善瀝青膠漿的高溫性能。因此，兩種填料均能改善瀝青膠漿的高溫性能，并且隨著粉膠比越高，改善程度越好。

2.3.3 填料與瀝青相互作用評價指標

填料與瀝青相互作用評價指標ΔG*和K-B-G*的試驗結果如圖7所示。由圖7可知：ΔG*隨著粉膠比的增大而增大，表明隨著填料摻量的增加，瀝青與填料的相互作用變得更強，這與ZHANG等［12］的觀點一致。本研究中，鋼渣粉的ΔG*高于石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿，ΔG*越高，填料和瀝青的相互作用能力越強，因此鋼渣粉與基質瀝青的相互作用明顯優(yōu)于石灰?guī)r礦粉。試驗中，K-B-G*的結果進一步證明了這種關系，因為K-B-G*的數(shù)值高反映了填料和瀝青之間強烈的相互作用。如上所述，鋼渣粉瀝青膠漿的ΔG*和K-B-G*超過石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿，因此鋼渣粉表現(xiàn)出與瀝青基質更高的相互作用潛力。由于瀝青-填料體系的相互作用，影響了瀝青膠漿的流變性，更強的相互作用能力帶來更高的瀝青膠漿強度。因此，使用鋼渣粉的瀝青膠漿抵抗永久變形的能力高于石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿。與此同時，鋼渣粉瀝青膠漿和石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿的K-B-G*指標有先增大、后減小的發(fā)展過程，與ΔG*指標變化規(guī)律并不一致。此外，隨著粉膠比增大，鋼渣粉瀝青膠漿與石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿的ΔG*和K-B-G*指標均有先增大、后減小的過程，這一點與前文復數(shù)模量變化規(guī)律一致，再一次證明鋼渣粉瀝青膠漿和石灰?guī)r瀝青膠漿存在最佳粉膠比。限于篇幅，本文未深入研究鋼渣粉與石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿的最佳粉膠比。

3 結論

本文通過微觀試驗、常規(guī)試驗、流變試驗，研究了鋼渣粉、石灰?guī)r礦粉微觀形貌、化學成分及鋼渣粉瀝青膠漿、石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿各項性能。得出結論如下：鋼渣粉相比石灰?guī)r礦粉具有更豐富的表面紋理特性，有利于與瀝青更好地黏附；同時，鋼渣粉相比石灰?guī)r礦粉具有更多的SiO2成分，不利于鋼渣粉瀝青膠漿和鋼渣粉瀝青混合料性能的提升。鋼渣粉瀝青膠漿的常規(guī)性能優(yōu)于石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿，體現(xiàn)在較低的高溫布式旋轉黏度和較高的軟化點及較低的針入度。鋼渣粉瀝青膠漿的流變特性優(yōu)于石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿，體現(xiàn)在復數(shù)模量G*、ΔG*和K-B-G*指標較高。

4 參考文獻

［1］黃敏.不同填料對公路瀝青膠漿性能的影響試驗研究［J］.西部交通科技，2022（11）：97-99.

［2］王澤洲，李淑明，雷杰.填料指標對瀝青膠漿粘結性能的影響研究［J］.石油瀝青，2022，36（2）：12-16，28.

［3］MENG CHEN，BARUGAHARE JAVILLA，WEI HONG，et al.Rheological and interaction analysis of asphalt binder， mastic and mortar［J］.Materials （Basel），2019，12（1）：128.

［4］ANTUNES V， FREIRE A C， QUARESMA L， et al. Evaluation of waste materials as alternative sources of filler in asphalt mixtures［J］. Materials and Structures， 2017， 50： 1-13.

［5］馮明杰. 鋼渣填料對花崗巖瀝青混合料性能增強的機理研究［D］.昆明：昆明理工大學，2022.

［6］姚立陽，高文英.拜耳法赤泥做填料對瀝青混合料性能影響研究［J］.公路工程，2021，46（5）：156-162，196.

［7］孫家瑛，任傳軍.鋼渣微粉對瀝青混合料性能影響研究［J］.公路交通科技，2007（6）：17-19.

［8］李鴻軻，梁鐸，肖志峰，等.鋼渣粉性能表征及其對瀝青混凝土水穩(wěn)定性能的影響研究［J］.武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2020，44（3）：536-540.

［9］TANYIQIU，LIXIAOLIN.Evaluation Indices of Interaction Ability of Asphalt and Aggregate Based on Rheological Characteristics［J］.Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science Edition），2012，27（5）：979-985.

［10］PALIERNE JF.Linear rheology of viscoelastic emulsions with interfacial tension［J］.Rheologica Acta，1990，29（3）：204-214.

［11］BAODONG XING，WEIYU FAN，CHUANYI ZHUANG，et al.Effects of the morphological characteristics of mineral powder fillers on the rheological properties of asphalt mastics at high and medium temperatures［J］.Powder Technology，2019，348：33-42.

［12］ZHANG J， LIU G， ZHU C， et al. Evaluation indices of asphalt-filler interaction ability and the filler critical volume fraction based on the complex modulus［J］. Road Materials and Pavement Design， 2017， 18（6）： 1-15.