鋼渣集料表面形貌對(duì)瀝青吸收與黏附性能的影響分析

王利波, 呂維前, 王雨露, 李玉生, 苗有才, 磨煉同*

(1.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430070; 2. 河南安羅高速公路有限公司, 鄭州 475002;3.中交二公局第四工程有限公司, 洛陽(yáng) 471013)

鋼渣是冶煉鋼鐵時(shí)排放的一類(lèi)副產(chǎn)物。中國(guó)每年的鋼渣排放量為近1億t,累計(jì)堆存量近18億t[1]。由于鋼渣成分復(fù)雜,安定性不良,易磨性差,膠凝活性低,導(dǎo)致資源化利用難度大、利用率低。大量鋼渣堆積占地且污染環(huán)境,急需開(kāi)展鋼渣固廢減量與資源化利用[2]。鋼渣集料具有強(qiáng)度高、硬度大、棱角性豐富、與瀝青黏附性好等優(yōu)點(diǎn),具有代替天然集料用于瀝青混凝土路面的優(yōu)勢(shì)[3-4]。然而鋼渣集料內(nèi)部存在游離氧化鈣和氧化鎂,吸水易出現(xiàn)體積膨脹和開(kāi)裂,導(dǎo)致體積安定性不良[5-7]。此外,鋼渣集料表面具有較多的孔隙結(jié)構(gòu),表面凹凸不平,增加了集料的相對(duì)比表面積和吸水率,造成鋼渣集料吸水率要大于天然集料。高吸水率的鋼渣集料與瀝青高溫拌和時(shí)對(duì)瀝青吸收較多,造成鋼渣瀝青混合料實(shí)際瀝青用量偏高[8]。鋼渣集料用作瀝青混凝土集料時(shí)一般應(yīng)經(jīng)過(guò)堆放陳化處理以促進(jìn)游離氧化鈣消解,提高其體積安定性,然而陳化過(guò)程中會(huì)在鋼渣集料表面形成陳化產(chǎn)物,影響鋼渣集料與瀝青黏附,易造成水損害[9-11]。

與天然集料相比,鋼渣集料有其獨(dú)特的表面形貌。袁正兵等[12]利用掃描電子顯微鏡和超景深顯微鏡發(fā)現(xiàn)鋼渣集料表面紋理結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其獨(dú)特的表面微觀形貌造成鋼渣集料與瀝青的界面黏附性和吸附力大于玄武巖集料。Zhou等[13]采用3D顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)鋼渣、玄武巖和安山巖集料表面形貌和其與瀝青黏附性能做了大量研究,定量分析了鋼渣集料表面粗糙度高、凹凸起伏大、接觸角大、與瀝青的黏結(jié)性能較強(qiáng)的特點(diǎn)。Shen等[14]、Liu等[15]通過(guò)對(duì)鋼渣集料與瀝青的黏附力進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)鋼渣集料獨(dú)特的微觀形貌提高了兩者之間的作用力,并通過(guò)傅里葉紅外光譜發(fā)現(xiàn)鋼渣集料和瀝青的相互作用以物理吸附為主。唐金明[16]開(kāi)展鋼渣集料熒光顯微分析,發(fā)現(xiàn)鋼渣集料的孔徑分布范圍0～400 μm,其中孔徑在40～60 μm的孔數(shù)量是最多的,孔的類(lèi)型多為葫蘆狀,即鋼渣集料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)開(kāi)口小、內(nèi)部空腔大的特點(diǎn),并且發(fā)現(xiàn)陳化過(guò)程對(duì)較大孔徑的孔隙填充效果較低,對(duì)較小孔隙的填充效果較好。武建民等[17]通過(guò)對(duì)鋼渣瀝青混合料抗滑特性研究發(fā)現(xiàn)增加鋼渣集料摻量可以使得路面的抗滑性能得到改善。李松等[18]關(guān)于鋼渣集料表面形貌和與瀝青的黏結(jié)界面進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)鋼渣集料具有較多的孔隙結(jié)構(gòu),鋼渣集料由于獨(dú)特的表面形貌增強(qiáng)了與瀝青之間的黏結(jié)作用,從而提高了鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

鋼渣集料特殊的表面形貌與瀝青在高溫拌和時(shí)表現(xiàn)出很強(qiáng)的瀝青吸收特性。研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于吸水率小于1.7%的集料,若采用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)經(jīng)驗(yàn)公式法來(lái)求瀝青的吸收系數(shù),計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相差不大,但隨著吸水率的增加,經(jīng)驗(yàn)公式法將不再適用于高吸水率鋼渣集料[19]。周艷東等[20]、周衛(wèi)峰等[21]發(fā)現(xiàn)對(duì)于吸水率變異性較大的鋼渣集料,其有效密度不宜利用規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算,應(yīng)通過(guò)瀝青浸漬法計(jì)算。高振鑫等[22]在對(duì)鋼渣瀝青混合料的體積性能研究時(shí),利用瀝青浸漬法分析鋼渣集料的有效密度,發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)得到的有效相對(duì)密度比規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式法得到的有效相對(duì)密度高1.5%。除瀝青浸漬法外,鋼渣集料與瀝青預(yù)拌裹附法也可用于直接測(cè)量鋼渣集料的有效密度[23]。Yang等[24]與Chen等[25]研究發(fā)現(xiàn)鋼渣集料對(duì)瀝青中不同組分的選擇性吸收存在時(shí)限性,且空隙率高的鋼渣集料對(duì)瀝青中的輕質(zhì)組分吸收較強(qiáng)。盧章天等[26]發(fā)現(xiàn)瀝青滲入鋼渣集料微孔是一個(gè)先快后慢,并逐漸趨于穩(wěn)定的過(guò)程,并且鋼渣集料瞬時(shí)吸收瀝青量可達(dá)石灰?guī)r集料的10倍。目前通過(guò)水中重法測(cè)量鋼渣集料的吸水率來(lái)直接評(píng)估其瀝青吸收率存在相關(guān)性差的問(wèn)題,其原因是即使在高溫下瀝青的流動(dòng)性和滲透性均遠(yuǎn)小于水的流動(dòng)性和滲透性,瀝青和水滲入集料表面開(kāi)口孔隙的能力不在一個(gè)數(shù)量級(jí),但整體上集料的吸水率越大,其瀝青吸收率也越高。

前期的研究結(jié)果表明鋼渣集料具有獨(dú)特的微觀形貌特征,而其獨(dú)特的微觀形貌又影響了鋼渣集料與瀝青的黏附性和吸收特性。由于較高的吸水率,鋼渣集料有效密度不宜用傳統(tǒng)水中重法進(jìn)行測(cè)量,而采用瀝青浸漬法存在試驗(yàn)煩瑣問(wèn)題。鋼渣集料與瀝青預(yù)拌裹附法可很好模擬鋼渣集料對(duì)瀝青吸收,且水中重法操作簡(jiǎn)便。針對(duì)鋼渣集料表面多孔、吸水率高、表面陳化裹附粉塵的問(wèn)題,現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography,CT)定量分析鋼渣集料表面開(kāi)口孔隙與瀝青滲透深度的關(guān)系,建立鋼渣集料與瀝青浸漬或拌和后其有效密度變化關(guān)系,提出鋼渣吸水率與瀝青吸收率相關(guān)性,同時(shí)量化鋼渣集料因長(zhǎng)期靜置吸收瀝青導(dǎo)致其有效密度增加幅度。利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)和熒光分析鋼渣集料陳化處理表面形貌以及對(duì)集料與瀝青界面黏附性影響,并用滾瓶法試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青與鋼渣集料的黏附力以及瀝青抗剝落能力。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

鋼渣集料主要采用河南信陽(yáng)鋼渣、河南舞陽(yáng)鋼渣、山西建龍鋼渣和山西太原鋼渣4個(gè)不同產(chǎn)地的熱悶鋼渣骨料。為了與鋼渣集料對(duì)比研究,采用了玄武巖、石灰?guī)r和玻璃集料作對(duì)比分析。

瀝青采用山東京博SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)改性瀝青,密度1.035 g/cm3,針入度57 (0.1 mm),軟化點(diǎn)69 ℃,5 ℃延度23 cm。所用改性瀝青主要用于與粗集料拌和制備瀝青裹附的集料以及開(kāi)展基于瀝青浸漬法的集料密度試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 SEM表面形貌分析

采用JSM-6390A掃描電子顯微鏡來(lái)觀察鋼渣集料的表面形態(tài)特征,分析鋼渣集料表面形貌特點(diǎn)。鋼渣集料SEM表面形貌分析主要采用信陽(yáng)、舞陽(yáng)和建龍3種鋼渣集料,同時(shí)采用玄武巖集料作為對(duì)比分析。所選4種集料粒徑均為4.75～9.5 mm。

1.2.2 熒光顯微分析

采用尼康熒光電子顯微鏡來(lái)觀察鋼渣集料和瀝青界面特征,開(kāi)展熒光顯微分析前需要對(duì)鋼渣粗集料與瀝青進(jìn)行拌和,以得到瀝青裹附的集料顆粒。熒光顯微分析試驗(yàn)采用信陽(yáng)、舞陽(yáng)和建龍3種鋼渣集料,同時(shí)采用玄武巖集料作為對(duì)比分析。上述4種集料選用4.75～9.5 mm單一粒徑分別與SBS改性瀝青以4%油石比拌和,拌和后將粗集料逐粒分散,冷卻后得到瀝青預(yù)拌裹附粗集料。

將裹附瀝青的鋼渣集料放入模具中,向模具中澆注由A、B組分合成的環(huán)氧樹(shù)脂。把試件放入真空浸漬儀中,利用抽真空的方法除去環(huán)氧樹(shù)脂中的氣泡。消除氣泡后把試件放入60 ℃烘箱中,養(yǎng)生固化24 h。脫模后需要對(duì)試件進(jìn)行切片,并利用拋光機(jī)打磨以去除切片產(chǎn)生的劃痕,最后將制成的薄片放到熒光顯微鏡下分析瀝青和鋼渣集料的黏結(jié)界面特征[10]。

1.2.3 CT掃描試驗(yàn)法

采用Carl Zeiss X-ray Microscopy-510分析鋼渣集料孔隙結(jié)構(gòu)及其對(duì)瀝青吸收的影響。所用鋼渣集料為4.75～9.5 mm單一粒徑信陽(yáng)鋼渣和舞陽(yáng)鋼渣,同時(shí)選用同一粒徑的玄武巖集料作為對(duì)比分析。瀝青裹附的鋼渣、玄武巖集料顆粒的制備方法如前所述,采用SBS改性瀝青以4%油石比拌和、分散、冷卻后制得。利用Dragonfly軟件對(duì)CT掃描結(jié)果進(jìn)行多尺度、多維度分析鋼渣集料孔隙結(jié)構(gòu)特征以及瀝青在孔隙中的滲透情況。

1.2.4 粗集料密度試驗(yàn)

為了更好研究鋼渣集料表面特性對(duì)表觀密度、毛體積密度、吸水率和瀝青吸收率的影響,分別采用粗集料密度試驗(yàn)網(wǎng)籃法、瀝青裹附粗集料密度試驗(yàn)網(wǎng)籃法、粗集料瀝青浸漬法開(kāi)展粗集料密度與吸水率試驗(yàn)。其中粗集料密度網(wǎng)籃法按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)中 T0304粗集料密度及吸水率試驗(yàn)(網(wǎng)籃法)進(jìn)行,所用集料包括信陽(yáng)鋼渣、舞陽(yáng)鋼渣、建龍鋼渣、玄武巖、石灰?guī)r和玻璃集料,每種集料選4.75～9.5 mm和9.5～13.2 mm兩種規(guī)格,共計(jì)12組試驗(yàn)。玄武巖、石灰?guī)r和玻璃集料均是作為對(duì)比分析。均設(shè)置平行試驗(yàn)以減小試驗(yàn)誤差。

粗集料密度及吸水率試驗(yàn)網(wǎng)籃法的集料毛體積相對(duì)密度γb、表觀相對(duì)密度γa和表干相對(duì)密度γs以及吸水率wx分別按式(1)～式(4)計(jì)算。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:γa為集料的表觀相對(duì)密度;γs為集料的表干相對(duì)密度;γb為集料的毛體積相對(duì)密度;ma為集料的烘干質(zhì)量,g;mf為集料的表干質(zhì)量,g;mw為集料的水中質(zhì)量,g;wx為集料的吸水率,%。

利用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中所給出的集料有效密度的經(jīng)驗(yàn)公式,采用集料吸水率、表觀相對(duì)密度和毛體積相對(duì)密度可以計(jì)算出集料的有效相對(duì)密度,集料的有效相對(duì)密度和瀝青吸收系數(shù)按式(5)和式(6)計(jì)算。

γse=Cγsa+(1-C)γsb

(5)

(6)

式中:γse為粗集料的有效相對(duì)密度;C為瀝青吸收系數(shù);γsa為粗集料的表觀相對(duì)密度;γsb為粗集料的毛體積相對(duì)密度。

采用瀝青裹附粗集料密度試驗(yàn)網(wǎng)籃法計(jì)算鋼渣粗集料密度類(lèi)似,主要區(qū)別就是采用瀝青裹附粗集料代替一般粗集料。如前所述,試驗(yàn)前需要拌制油石比為4%的粗集料混合料,拌和完成后,將粗集料逐粒分開(kāi),冷卻后得到瀝青裹附粗集料。所用集料種類(lèi)與規(guī)格與前述粗集料密度試驗(yàn)網(wǎng)籃法相同,共6種集料×2規(guī)格,均設(shè)置平行試驗(yàn)以減小試驗(yàn)誤差。

集料與瀝青拌和后,粗集料的有效密度可通過(guò)網(wǎng)籃法測(cè)量,其主要是利用拌和前粗集料的空氣重M1,瀝青裹附粗集料的水中重M2,瀝青裹附粗集料的空氣重M3,鋼渣粗集料有效密度按式(7)計(jì)算。

(7)

式(7)中:γse為粗集料的有效密度;M1為拌和前粗集料的空氣重,g;M2為瀝青裹附粗集料的水中重,g;M3為瀝青裹附粗集料的空氣重,g;γb為瀝青的相對(duì)密度。

粗集料對(duì)瀝青的吸收率按式(8)計(jì)算。

(8)

式(8)中:Pba為瀝青吸收率,%。

為了分析鋼渣集料表面多孔特性對(duì)瀝青吸收的時(shí)間依賴性,開(kāi)展0、3、7、14和21 d的瀝青吸收率試驗(yàn)。

除了前述網(wǎng)籃法試驗(yàn),同時(shí)開(kāi)展了基于瀝青浸漬法的鋼渣粗集料密度試驗(yàn),其采用的粗集料樣品是完成網(wǎng)籃法實(shí)驗(yàn)操作的同一份鋼渣粗集料樣品,以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)可比性。瀝青浸漬法粗集料密度試驗(yàn)主要步驟如下。

步驟1將鐵棒置于不銹鋼杯中,分別稱(chēng)取鐵棒和不銹鋼杯的空氣總重m1和水中總重m2,同時(shí)測(cè)量鋼渣粗集料的空氣重m3。

步驟2將鋼渣粗集料放于不銹鋼杯中,鋼渣集料、杯子和鐵棒都放入165 ℃的烘箱中,加熱4 h后,將預(yù)先加熱到165 ℃的SBS改性瀝青倒入不銹鋼杯直至完全浸沒(méi)鋼渣粗集料,同時(shí)用鐵棒攪拌排出瀝青中的氣泡。

步驟3將盛有瀝青、鋼渣粗集料的不銹鋼杯放入150 ℃烘箱中,每隔30 min取出來(lái)攪拌一次,直至無(wú)氣泡出現(xiàn),之后冷卻至室溫。

步驟4測(cè)量鋼渣集料、鐵棒、瀝青、不銹鋼杯空氣中總量m4、用網(wǎng)籃法測(cè)量瀝青浸漬鋼渣粗集料后水中總重m5。鋼渣粗集料有效密度按式(9)計(jì)算。

(9)

式(9)中:m1為鐵棒和杯子的空氣重,g;m2為鐵棒和杯子的水中重,g;m3為鋼渣集料空氣重,g;m4為鋼渣集料、鐵棒、瀝青、不銹鋼杯空氣總質(zhì)量,g;m5為鋼渣集料、鐵棒、瀝青、不銹鋼杯水中重,g。

同樣的,為了分析鋼渣集料表面多孔特性對(duì)瀝青吸收的時(shí)間依賴性,將瀝青浸漬鋼渣粗集料樣品分別靜置0、3、7、14和21 d后開(kāi)展網(wǎng)籃法水中重試驗(yàn),通過(guò)計(jì)算不同時(shí)間下的密度,最終計(jì)算出瀝青吸收率,以深入了解鋼渣集料表面多孔結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青吸收特性。

1.2.5 瀝青與集料黏附性滾瓶法

鋼渣集料陳化后表面會(huì)形成陳化產(chǎn)物層,表面裹附粉塵,阻礙瀝青與鋼渣集料表面直接黏結(jié),可降低瀝青與集料的黏附性。為了研究鋼渣集料陳化產(chǎn)物層對(duì)瀝青黏結(jié)性能的影響,采用德國(guó)規(guī)范EN 12697-11滾瓶法試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青和集料的黏附力以及瀝青的剝落程度。滾瓶法試驗(yàn)是在滾動(dòng)摩擦和水的共同作用下進(jìn)行,可以很好地模擬水分對(duì)瀝青膜的剝離作用。滾瓶法試驗(yàn)主要步驟如下。

步驟1稱(chēng)取500 g的裹附瀝青的粗集料,分成3份,每份取150 g。滾瓶前需要將粗集料清洗干凈,之后裝入裝有水的瓶子中,集料和水的體積約500 mL,瓶子密封。

步驟2將樣品瓶放到滾瓶裝置上,轉(zhuǎn)速控制為40 r/min,溫度為(20±5) ℃,分別滾動(dòng)6、24、48和72 h取出試樣,采用目測(cè)法和Image J圖像處理軟件進(jìn)一步分析確認(rèn)瀝青膜剝落情況。為了進(jìn)一步對(duì)比目測(cè)法和圖像法可能產(chǎn)生的誤差,開(kāi)展了基于質(zhì)量損失法的瀝青膜剝落率計(jì)算,其通過(guò)滾瓶前后質(zhì)量損失除以滾瓶前集料裹附的瀝青質(zhì)量來(lái)確定瀝青剝落程度。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM表面形貌分析

為了分析不同粗集料的表面形貌,對(duì)信陽(yáng)鋼渣、舞陽(yáng)鋼渣、建龍鋼渣和玄武巖集料4種不同的集料開(kāi)展了SEM電子掃描觀察。從圖1試驗(yàn)結(jié)果可以看出,信陽(yáng)鋼渣集料表面含有較多的陳化產(chǎn)物,并且表面陳化產(chǎn)物又重新堆積形成了新的疏松孔隙結(jié)構(gòu),建龍鋼渣集料表面的陳化產(chǎn)物次之,而舞陽(yáng)鋼渣集料表面的陳化產(chǎn)物相對(duì)較少。而對(duì)于玄武巖集料來(lái)說(shuō),其表面幾乎不黏附粉塵,并且微孔結(jié)構(gòu)也很少,表面相對(duì)較光滑。鋼渣集料表面陳化產(chǎn)物的生成和疏松多孔的結(jié)構(gòu)可直接影響了鋼渣集料吸水率、瀝青吸收率以及與瀝青的黏附性。

圖1 集料表面形貌SEM掃描圖Fig.1 SEM scanning images of aggregate surface morphology

2.2 瀝青-集料界面特性

不同鋼渣集料與瀝青界面的熒光顯微結(jié)果見(jiàn)圖2,可清晰觀察鋼渣集料與瀝青的夾層界面結(jié)構(gòu)特征:即鋼渣集料a與瀝青膜c之間存在具有明顯厚度的陳化產(chǎn)物層b。信陽(yáng)鋼渣集料的陳化產(chǎn)物層厚度在40～110 μm,舞陽(yáng)鋼渣集料的陳化產(chǎn)物層厚度在10～40 μm,建龍鋼渣集料的陳化產(chǎn)物層厚度在50～70 μm。對(duì)于玄武巖集料,熒光顯微分析結(jié)果表明沒(méi)有出現(xiàn)夾層界面結(jié)構(gòu),瀝青膜和集料直接接觸。熒光顯微分析進(jìn)一步證實(shí)了鋼渣集料的表面存在陳化產(chǎn)物,其阻礙了鋼渣集料與瀝青膜直接接觸,可影響瀝青與集料黏結(jié)性能。

2.3 集料孔隙結(jié)構(gòu)與瀝青滲透分析

為了探究鋼渣集料孔隙特征以及瀝青滲透情況,重點(diǎn)對(duì)瀝青裹附的信陽(yáng)鋼渣、舞陽(yáng)鋼渣和玄武巖集料開(kāi)展CT掃描分析,其結(jié)果如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn),瀝青膜裹附在集料的表面,形成一個(gè)封閉的空腔。為了進(jìn)一步分析鋼渣集料孔隙特點(diǎn)以及瀝青滲透情況,對(duì)同一集料開(kāi)展二維截面分析,在二維截面圖中,黃色代表瀝青,紅色代表集料,集料內(nèi)部的黑色區(qū)域代表鋼渣內(nèi)部的孔隙。通過(guò)對(duì)比信陽(yáng)鋼渣、舞陽(yáng)鋼渣和玄武巖集料,可以清晰地看到在信陽(yáng)鋼渣集料的內(nèi)部存在較多的孔隙結(jié)構(gòu),其表面紋理粗糙,凹凸起伏大,而舞陽(yáng)鋼渣集料內(nèi)部孔隙相對(duì)較少,表面凹凸起伏較小。玄武巖集料內(nèi)部基本不存在微孔結(jié)構(gòu),表面相對(duì)較光滑。通過(guò)CT切割的正方體模型,計(jì)算得到信陽(yáng)鋼渣集料孔隙率在9.50%～16.25%,平均孔隙率為13.48%。而舞陽(yáng)鋼渣集料的孔隙率為2.15%～2.95%,平均孔隙率為2.87%,玄武巖集料的孔隙率為0.01%～0.71%,平均孔隙率為0.23%。通過(guò)圖像觀察和孔隙率計(jì)算均表明信陽(yáng)鋼渣集料內(nèi)部孔隙率較高,舞陽(yáng)鋼渣集料內(nèi)部孔隙數(shù)目相對(duì)較少,而玄武巖集料內(nèi)部基本不存在孔隙結(jié)構(gòu)。瀝青膜裹附在鋼渣集料表面,并且部分瀝青已經(jīng)通過(guò)鋼渣集料表面的開(kāi)口空隙進(jìn)入鋼渣集料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)中,而玄武巖集料表面的瀝青僅僅是附著于集料表面,沒(méi)有進(jìn)入玄武巖集料的內(nèi)部。

圖3 集料CT掃描結(jié)構(gòu)圖Fig.3 CT scanning images of aggregates

為了進(jìn)一步驗(yàn)證鋼渣集料表面開(kāi)口孔隙與瀝青的滲透情況,采用切割正方體模型的方法,在集料邊界上不同部位截取邊長(zhǎng)為0.3 mm的正方體,如圖4所示。可明顯地看到瀝青膜裹附于鋼渣集料表面,并且部分瀝青通過(guò)鋼渣集料表面的開(kāi)口孔隙進(jìn)入鋼渣集料內(nèi)部,而鋼渣集料內(nèi)部閉合孔隙瀝青難以滲入。玄武巖集料表面因開(kāi)口孔隙少,瀝青只是附著于表面,被吸收量相對(duì)于鋼渣集料不明顯。

黃色部分為瀝青,藍(lán)色部分為孔隙,黑色部分為外界的空氣圖4 集料表面與瀝青黏結(jié)結(jié)構(gòu)CT掃描圖Fig.4 CT scan images of aggregates surface and asphalt bonding structure

利用灰度調(diào)節(jié)法進(jìn)一步分析了瀝青在不同集料表面的分布特點(diǎn),結(jié)果如圖5所示,發(fā)現(xiàn)信陽(yáng)鋼渣和舞陽(yáng)鋼渣集料的表面微孔和瀝青是相互交錯(cuò)的,瀝青已經(jīng)部分滲透在孔隙中,信陽(yáng)鋼渣集料表面的瀝青分布最接近于珊瑚狀,舞陽(yáng)鋼渣集料表面瀝青相對(duì)于信陽(yáng)鋼渣集料較少,而玄武巖集料表面的瀝青分布只是一層薄片,幾乎沒(méi)有珊瑚狀的延深結(jié)構(gòu),進(jìn)一步證實(shí)了鋼渣集料表面微孔多,凹凸起伏大的特點(diǎn),瀝青通過(guò)鋼渣集料表面的開(kāi)口孔隙可滲入內(nèi)部。

圖5 瀝青在集料表面開(kāi)口孔隙的滲透情況Fig.5 Asphalt penetration in the open pores of aggregate surface

通過(guò)在鋼渣集料內(nèi)部切割出正方體模型,用來(lái)深入分析集料內(nèi)部的孔隙分布特點(diǎn),其結(jié)果如圖6所示。通過(guò)調(diào)節(jié)灰度閾值范圍將鋼渣集料實(shí)體剔除,得到相應(yīng)的孔隙結(jié)構(gòu),可以更加直觀地觀察集料內(nèi)部孔隙的分布特點(diǎn)。圖6結(jié)果表明信陽(yáng)鋼渣集料內(nèi)部孔隙相對(duì)較多,舞陽(yáng)鋼渣集料次之。由于玄武巖集料內(nèi)部孔隙極少,顯示度不足,故沒(méi)有在圖6中給出相應(yīng)圖片。在上述集料內(nèi)部孔隙沒(méi)有發(fā)現(xiàn)瀝青,進(jìn)一步證明瀝青滲透能力有限,僅限于滲入表面開(kāi)口孔隙。

藍(lán)色部分為內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu),灰色部分為鋼渣集料實(shí)體圖6 集料內(nèi)部結(jié)構(gòu)CT掃描圖Fig.6 Internal structure of aggregates by CT scanning

為了進(jìn)一步探究瀝青在鋼渣集料表面分布的實(shí)際情況,通過(guò)CT掃描的圖像分析鋼渣集料表面開(kāi)口孔隙的孔徑和深度與瀝青浸入深度的關(guān)系,如圖7～圖9所示。對(duì)于葫蘆狀孔隙,瀝青主要填充于開(kāi)口處,占據(jù)葫蘆狀孔隙的上半部分空間。當(dāng)鋼渣集料開(kāi)口孔隙為柱形時(shí),瀝青部分填充于孔隙開(kāi)口處,而余下內(nèi)部孔隙沒(méi)有被瀝青所填充。對(duì)于V形開(kāi)口孔隙,瀝青幾乎占據(jù)了全部V形開(kāi)口深度。上述結(jié)果表明集料表面孔隙的開(kāi)口形狀對(duì)瀝青滲入影響大。

圖7 鋼渣集料葫蘆狀開(kāi)口孔隙二維截面CT掃描圖Fig.7 CT scanning images of 2D section of steel slag aggregate gourd shaped open pores

圖8 鋼渣集料柱狀開(kāi)口孔隙二維截面CT掃描圖Fig.8 CT scanning images of 2D section of steel slag aggregate cylindrical open pores

圖9 鋼渣集料V形開(kāi)口孔隙二維截面CT掃描圖Fig.9 CT scanning images of 2D section of steel slag aggregate V-shaped open pores

通過(guò)軟件實(shí)測(cè)不同孔隙開(kāi)口大小和瀝青浸入深度的關(guān)系,得到信陽(yáng)鋼渣和舞陽(yáng)鋼渣集料的開(kāi)口孔徑和瀝青滲透深度的關(guān)系曲線,結(jié)果如圖10所示。兩種鋼渣集料都呈現(xiàn)開(kāi)口孔徑越大,瀝青浸入的深度也就越深的關(guān)系,即開(kāi)口孔徑和瀝青浸入深度呈正相關(guān)。為了探究開(kāi)口深度和瀝青滲透深度的關(guān)系,用相似的方法檢測(cè)發(fā)現(xiàn)瀝青浸入深度與開(kāi)口孔隙深度無(wú)明顯的關(guān)系,結(jié)果如圖11所示。CT掃描試驗(yàn)結(jié)果表明鋼渣集料表面開(kāi)口孔隙對(duì)瀝青吸收較為有限,且與開(kāi)口形狀和大小存在較強(qiáng)依賴性,通過(guò)線性擬合發(fā)現(xiàn)瀝青滲透深度約為開(kāi)口孔徑的0.6倍。由于瀝青黏度遠(yuǎn)大于水,其難以完全滲入并填充鋼渣集料表面開(kāi)口孔隙,余下孔隙一方面可以提供多余空間吸納高溫時(shí)瀝青膨脹而避免產(chǎn)生的瀝青路面泛油問(wèn)題,另一方面若余下孔隙中殘留有水汽,被瀝青膜包裹的孔隙水汽可產(chǎn)生水損害和凍脹破壞,造成瀝青膜剝落。

圖10 鋼渣集料表面開(kāi)口孔徑和瀝青滲透深度關(guān)系圖Fig.10 Relation between asphalt penetration depth and opening aperture of steel slag aggregate

圖11 鋼渣集料表面開(kāi)孔深度和瀝青滲透深度關(guān)系圖Fig.11 Relation between asphalt penetration depth and open pore depth of steel slag aggregate

上述試驗(yàn)結(jié)果表明鋼渣集料表面多孔結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青只是部分吸收與填充,而瀝青吸收和滲入的程度又直接影響鋼渣集料的實(shí)際有效密度和瀝青混凝土的體積性能。從耐久性設(shè)計(jì)考慮,配合比設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)增加瀝青用量以提高鋼渣集料表面瀝青膜厚和降低孔隙率以有利于提升鋼渣瀝青混凝土使用耐久性。

2.4 瀝青吸收特性研究

2.4.1 鋼渣集料的有效密度

為了深入研究鋼渣集料表面特性對(duì)鋼渣集料有效密度與瀝青吸收率的影響,分別采用粗集料密度試驗(yàn)網(wǎng)籃法和瀝青裹附粗集料密度試驗(yàn)網(wǎng)籃法開(kāi)展粗集料密度與吸水率試驗(yàn)。所用集料包括信陽(yáng)鋼渣、舞陽(yáng)鋼渣、建龍鋼渣、玄武巖、石灰?guī)r和玻璃集料,每種集料選4.75～9.5 mm和9.5～13.2 mm兩種規(guī)格,共計(jì)12組試驗(yàn)。玄武巖、石灰?guī)r和玻璃集料均是作為對(duì)比分析。試驗(yàn)均采用平行試驗(yàn)以減小試驗(yàn)誤差,相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。瀝青浸漬法測(cè)量集料的有效相對(duì)密度結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明除太原鋼渣以外的鋼渣集料,其它鋼渣集料吸水率均大于天然集料,并且吸水率均大于1.65%,其中信陽(yáng)鋼渣集料的吸水率最大,建龍鋼渣集料次之,舞陽(yáng)鋼渣集料的吸水率最小。對(duì)于玻璃集料來(lái)說(shuō),其吸水率為0,沒(méi)有水分浸入到內(nèi)部。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),瀝青預(yù)拌裹附法和瀝青浸漬法實(shí)測(cè)集料的有效密度是介于毛體積相對(duì)密度和表觀相對(duì)密度之間,與實(shí)際規(guī)律相符。

表1 基于網(wǎng)籃法和瀝青預(yù)拌裹附法的不同粗集料有效密度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of effective density of different coarse aggregates based on basket method and asphalt pre-coated aggregate method

表2 基于網(wǎng)籃法和瀝青浸漬法的不同粗集料有效密度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of effective density of different coarse aggregates based on basket method and asphalt immersion method

上述兩種分別采用純粗集料和裹附瀝青膜的粗集料進(jìn)行有效密度試驗(yàn),通過(guò)對(duì)兩種試驗(yàn)方法對(duì)比分析可了解集料與瀝青拌和后其是否會(huì)因?yàn)槲諡r青而導(dǎo)致有效密度發(fā)生改變,進(jìn)而會(huì)影響到其瀝青混合料的最大理論密度和體積性能計(jì)算。圖12中擬合結(jié)果表明二者存在很好的線性相關(guān)性,整體上不同集料與瀝青拌和后有效密度比純集料有效密度減小0.5%～0.8%,其中吸水率為0的玻璃集料前后不變,天然集料有效密度約減小0.5%,而鋼渣集料有效密度約減小0.8%,整體上,集料有效密度與吸水率相關(guān)性大。

圖12 傳統(tǒng)粗集料網(wǎng)籃法和瀝青預(yù)拌裹附集料網(wǎng)籃法有效密度的相關(guān)性Fig.12 Relationship between effective density of traditional coarse aggregate basket method and asphalt pre-coated aggregate basket method

同樣的,可以得到瀝青浸漬法測(cè)量鋼渣集料的有效密度和純集料有效密度之間的關(guān)系,結(jié)果見(jiàn)圖13。試驗(yàn)結(jié)果表明瀝青浸漬法實(shí)測(cè)鋼渣集料的有效密度與傳統(tǒng)網(wǎng)籃法也具有很強(qiáng)的線性相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)0.988 7。采用瀝青浸漬法測(cè)量得到的鋼渣集料有效密度比水中重法得到的鋼渣集料有效密度小0.13%,二者試驗(yàn)結(jié)果很接近。瀝青浸漬法采用高溫保溫,降低瀝青黏度的方式,其可加速瀝青滲入鋼渣集料表面孔隙,而瀝青預(yù)拌裹附法采用鋼渣集料與瀝青預(yù)拌和以在集料表面形成瀝青膜的方式,其更好的模擬了鋼渣瀝青混合料拌和和冷卻過(guò)程對(duì)瀝青的吸收,使得測(cè)得的鋼渣集料有效密度結(jié)果更具有代表性。理論上瀝青黏度遠(yuǎn)大于水的黏度,使得前者對(duì)集料表面微孔的滲透性遠(yuǎn)小于后者,因此相比較而言瀝青預(yù)拌裹附法試驗(yàn)結(jié)果比瀝青浸漬法更準(zhǔn)確,且操作簡(jiǎn)便。

圖13 傳統(tǒng)粗集料網(wǎng)籃法和瀝青浸漬法有效密度的關(guān)系Fig.13 Relationship between effective density of traditional coarse aggregate basket method and asphalt immersion method

2.4.2 瀝青吸收率

鋼渣集料具有多孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),部分瀝青在與集料拌和時(shí)會(huì)滲入開(kāi)口孔隙當(dāng)中而被鋼渣集料所吸收。利用瀝青預(yù)拌裹附法可實(shí)測(cè)鋼渣集料吸收瀝青量,并與水中重法測(cè)量鋼渣集料吸水率做比較以建立吸水率和瀝青吸收率相關(guān)性。圖14中試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼渣集料的吸水率和瀝青吸收率存在很好的線性關(guān)系,鋼渣集料的吸水率越大,相應(yīng)的瀝青吸收率就越大,所有集料擬合線性斜率約為0.39,表明當(dāng)鋼渣集料吸水率為2%時(shí),其對(duì)應(yīng)的瀝青吸收率約為0.8%,進(jìn)一步佐證了鋼渣集料表面開(kāi)口孔隙只是被瀝青部分填充,水分能滲入的孔隙,瀝青難以完全滲入。

圖14 粗集料吸水率與瀝青預(yù)拌裹附集料實(shí)測(cè)瀝青吸收率的關(guān)系Fig.14 Relationship between water absorption of coarse aggregate and asphalt absorption by asphalt pre-coated aggregate method

圖15為瀝青浸漬法實(shí)測(cè)鋼渣集料瀝青吸收率與吸水率的關(guān)系圖。試驗(yàn)結(jié)果表明瀝青浸漬法實(shí)測(cè)鋼渣瀝青吸收率與吸水率有很好的線性相關(guān)性,擬合線性斜率約為0.5。采用瀝青浸漬法時(shí)瀝青吸收率略高于瀝青預(yù)拌裹附法,其原因是鋼渣集料在高溫瀝青中浸漬時(shí)更有利于瀝青滲入孔隙中。

圖15 集料吸水率與瀝青浸漬法實(shí)測(cè)瀝青吸收率的關(guān)系圖Fig.15 Relationship between aggregate water absorption and asphalt absorption by asphalt immersion method

2.4.3 靜置時(shí)間對(duì)瀝青吸收率的影響

為了分析鋼渣集料與瀝青拌和好后靜置過(guò)程中是否存在瀝青長(zhǎng)期被吸收問(wèn)題,將同一樣品分別靜置1、3、7、14和21 d后開(kāi)展了有效密度與瀝青吸收率試驗(yàn)。為方便試驗(yàn)分析,以1 d數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化整理,得到圖16柱形圖和圖17趨勢(shì)圖。試驗(yàn)結(jié)果表明鋼渣集料對(duì)瀝青的吸收是長(zhǎng)期過(guò)程,初始瀝青吸收率增加較快,最后趨于平緩。在初始階段鋼渣集料對(duì)瀝青的吸收多集中填充于表面孔隙,隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸滲入到內(nèi)部,并趨于穩(wěn)定。同樣的采用瀝青浸漬法得到瀝青吸收率隨時(shí)間變化關(guān)系見(jiàn)圖18和圖19。可以發(fā)現(xiàn)與瀝青預(yù)拌裹附法相似的結(jié)論,即瀝青的吸收率隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)先快后慢最后趨于平緩的趨勢(shì)。

集料類(lèi)型中,A～L同表1;1、3、7、14和21為靜置時(shí)間1、3、7、14、21 d圖16 瀝青預(yù)拌裹附法歸一化分析瀝青吸收率與時(shí)間的關(guān)系Fig.16 Relationship between asphalt absorption rate and time based on asphalt pre-coated aggregate method and normalized analysis

圖17 瀝青預(yù)拌裹附法分析瀝青吸收率與時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig.17 Trend of asphalt absorption over time by asphalt pre-coated aggregate method

集料類(lèi)型中,A～F同表1;1、3、7、14和21為靜置時(shí)間1、3、7、14、21 d圖18 瀝青浸漬法歸一化分析瀝青吸收率與時(shí)間的關(guān)系Fig.18 Relationship between asphalt absorption and time based on asphalt immersion method and normalized analysis

圖19 瀝青浸漬法分析瀝青吸收率與時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig.19 Trend of between asphalt absorption over time by asphalt immersion method

2.4.4 靜置時(shí)間對(duì)有效密度的影響

圖20和圖21給出了鋼渣集料裹附瀝青后的有效密度與時(shí)間的變化關(guān)系。以1 d數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化分析,結(jié)果表明鋼渣集料在長(zhǎng)期靜置過(guò)程中可持續(xù)吸收瀝青,其有效密度在初始階段增加幅度較大,并隨著時(shí)間延長(zhǎng)最終趨于穩(wěn)定,整體上,鋼渣集料因長(zhǎng)其靜置吸收瀝青導(dǎo)致其有效密度增加幅度小于0.5%。瀝青浸漬法的試驗(yàn)結(jié)果如圖22和圖23所示,其規(guī)律性與瀝青預(yù)拌裹附法相似,鋼渣集料有效密度都是隨著時(shí)間的增加而增加,且增加幅度遠(yuǎn)大于瀝青預(yù)拌裹附法,其原因是鋼渣集料在高溫瀝青浸漬過(guò)程中有助于瀝青被表面開(kāi)口孔隙吸收,從而造成瀝青吸收加快和增加,使得鋼渣集料的有效密度增幅較大。

集料類(lèi)型中,A～F同表1;1、3、7、14、21為靜置時(shí)間1、3、7、14、21 d圖20 瀝青預(yù)拌裹附法歸一化分析集料有效密度與時(shí)間的關(guān)系Fig.20 Relationship between aggregate effective density and time based on asphalt pre-coated aggregate method and normalization analysis

圖21 瀝青預(yù)拌裹附法分析集料有效密度與時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig.21 Trend of aggregate effective density over time based on asphalt pre-coated aggregate method

集料類(lèi)型中,A～F同表1;1、3、7、14和21為靜置時(shí)間1、3、7、14、21 d圖22 瀝青浸漬法歸一化分析集料有效密度與時(shí)間的關(guān)系Fig.22 Relationship between aggregate effective density and time based on asphalt immersion method and normalization analysis

圖23 瀝青浸漬法分析集料有效密度與時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig.23 Trend of aggregate effective density based on asphalt immersion method

2.4.5 集料與瀝青黏附性

鋼渣集料陳化后表面會(huì)形成陳化產(chǎn)物層,阻礙瀝青與鋼渣集料表面直接黏結(jié),可降低瀝青與集料的黏附性。為了研究鋼渣陳化產(chǎn)物層對(duì)瀝青黏結(jié)性能的影響,采用德國(guó)規(guī)范EN 12697-11滾瓶法試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青和集料的黏附力以及瀝青的剝落程度。

滾瓶法試驗(yàn)是在滾動(dòng)摩擦和水的共同作用下進(jìn)行的,很好地模擬了水分對(duì)瀝青膜的剝離作用。為了對(duì)比分析,采用玻璃、玄武巖和石灰?guī)r集料作為參考,選用建龍鋼渣、信陽(yáng)鋼渣和舞陽(yáng)鋼渣集料開(kāi)展72 h滾瓶試驗(yàn),結(jié)果如圖24和圖25所示。玻璃集料與瀝青的黏附力最小,滾瓶72 h后,玻璃集料的瀝青膜殘留率最小,石灰?guī)r集料的瀝青膜殘留率最大,而玄武巖集料次之。整體上天然集料表面的瀝青膜殘留較鋼渣集料大。在3種鋼渣集料中,舞陽(yáng)鋼渣集料殘留率最大,建龍鋼渣集料次之,信陽(yáng)鋼渣集料最小。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了在水的沖刷和顆粒之間的滾動(dòng)摩擦共同作用下,天然集料的抗瀝青剝落性能是強(qiáng)于鋼渣集料。鋼渣集料表面瀝青抗剝離性能與陳化產(chǎn)物層強(qiáng)度與致密性有關(guān),表面陳化產(chǎn)物強(qiáng)度不足,裹附粉塵多,瀝青膜殘留率就越小,對(duì)鋼渣集料與瀝青黏附性影響越大。

圖24 滾瓶法試驗(yàn)72 h結(jié)果Fig.24 Results of 72 h rolling bottle test

圖25 滾瓶法試驗(yàn)?zāi)繙y(cè)法和質(zhì)量法分析瀝青膜殘留率Fig.25 Rolling bottle test visual method and mass method for measuring asphalt film residue rate

圖26給出了目測(cè)法瀝青殘留量和質(zhì)量法瀝青殘留率的關(guān)系。通過(guò)圖26可以發(fā)現(xiàn),目測(cè)法和質(zhì)量法測(cè)量的瀝青殘留率具有較好的線性相關(guān),其中目測(cè)法主觀性大,其結(jié)果整體略大于質(zhì)量法,二者結(jié)合可更好地表征集料與瀝青的黏附性能。由于玄武巖、石灰?guī)r和鋼渣集料在常溫25 ℃試驗(yàn)結(jié)果差異性較小,而實(shí)際高溫動(dòng)水作用更易造成瀝青剝離,因此后期試驗(yàn)宜增加高溫60 ℃滾瓶法試驗(yàn)。

圖26 滾瓶法試驗(yàn)?zāi)繙y(cè)法和質(zhì)量損失法分析瀝青膜殘留率的相關(guān)性Fig.26 Correlation between visual measurement and mass loss measurement of asphalt film residue rate by rolling bottle method

3 結(jié)論

(1)鋼渣集料表面存在獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)和陳化產(chǎn)物層,而陳化產(chǎn)物層阻礙瀝青與鋼渣集料直接黏結(jié),在界面處形成夾層結(jié)構(gòu),同時(shí)表面陳化產(chǎn)物強(qiáng)度不足,裹附粉塵多,在動(dòng)水摩擦作用下易導(dǎo)致瀝青膜剝落。

(2)鋼渣集料表面多孔結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青只是部分吸收與填充,且與開(kāi)口孔隙形狀和大小存在較強(qiáng)依賴性。受瀝青黏度大制約,瀝青滲透深度約為開(kāi)口孔徑的0.6倍,難以完全滲入并填充鋼渣集料表面開(kāi)口孔隙,余下孔隙可影響鋼渣瀝青混合料體積性能和水穩(wěn)定性。

(3)瀝青預(yù)拌裹附法和瀝青浸漬法測(cè)量鋼渣集料有效相對(duì)密度與規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算得到的密度呈很好的線性相關(guān)性。與規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式法相比,瀝青預(yù)拌裹附法測(cè)得密度約小0.8%,而瀝青浸漬法測(cè)得密度約小0.13%。鋼渣集料的吸水率和瀝青吸收率具有很好的線性相關(guān)性,線性斜率約為0.39。瀝青預(yù)拌裹附法更好的模擬了鋼渣瀝青混合料拌和和冷卻過(guò)程對(duì)瀝青的吸收,其測(cè)得的鋼渣集料有效密度結(jié)果更具有代表性,且操作簡(jiǎn)便。

(4)鋼渣集料與瀝青拌和或浸漬后靜置過(guò)程中存在瀝青長(zhǎng)期被吸收問(wèn)題,初始瀝青吸收增加較快,最后趨于平緩和穩(wěn)定。與瀝青拌和后,長(zhǎng)期靜置吸收瀝青導(dǎo)致鋼渣集料有效密度增加幅度小于0.5%,上述結(jié)果可用于指導(dǎo)鋼渣瀝青混合料孔隙率設(shè)計(jì)與優(yōu)化。