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，瀝青混合料的整體性能越好[3]，出現水損壞、車轍等破壞的幾率越低。為增加結合面積，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。填料與瀝青結合形成膠漿，以膠漿形式與較粗集料進行相互。膠漿理論認為，在瀝青混合料中，實際發揮黏結作用的是瀝青膠漿，填料質量與瀝青質量的比值(粉膠比)及填料的種類直接影響著瀝青膠漿的性質，進而對瀝青混合料的路用性能產生影響[4]。近年來，對鋼渣這種工業廢料的研究表明，其堿性強、強度高、耐磨性均較好，可作為替代普通石料的路面材料，因此近年來有鋼渣直接作為集料的應用研究[5]，也有的嘗試將鋼渣微粉替代礦粉(石灰石粉末，以下簡稱礦粉)作為填料，研究其影響[5-6]。

本文通過電鏡掃描(SEM)比較鋼渣微粉與礦粉的微觀形貌區別，通過粘附性試驗比較鋼渣與石灰巖類集料裹覆性能，通過動態剪切流變試驗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，分析鋼渣粉對瀝青膠漿高溫流變性的影響，對鋼渣粉作為填料應用于道路工程進行探索。

1 原材料性能與試驗方法

1.1 試驗原材料

本文試驗所用的A級70#基質瀝青，基本性能如表1所示。所采用的鋼渣微粉和鋼渣集料均產自福建三鋼集團三明分公司，表觀密度為3.281 g/cm3。礦粉產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

鋼渣微粉化學礦物相由XRD(X射線衍射)測定，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)對應的衍射峰較強，說明三者含量較高，為主要礦物相。鋼渣微粉中f-CaO含量根據EDTA滴定試驗，為0.52%。

圖1 鋼渣X射線衍射圖譜

1.2 試驗方法

對鋼渣微粉與相對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)進行微觀觀測。

集料與瀝青的粘附性等級，是瀝青與集料表面相互作用力大小的表征。鋼渣微粉充當礦粉，鋼渣與瀝青的粘附性是首先需考慮的性能。因此，進行了鋼渣與石灰石分別與集料粘附性的對比試驗。其中石灰石選用高鈣石灰石和低鈣石灰石。試驗時，采用標準煮沸時間(3 min)、延長1倍煮沸時間(6 min)兩種試驗條件，其它條件均相同。

高溫流變試驗采用美國TA公司動態剪切流變儀進行。試驗取4個粉膠比：0.6、0.8、1.0和1.2。試驗選定5個鋼渣粉替代率：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。高溫流變試驗采用動態剪切流變儀，用溫度掃描試驗測試不同溫度下各瀝青膠漿的高溫流變性能。試驗溫度為50℃～80℃，每2℃記錄一次數據，試驗數據包括瀝青膠漿的復數模量(G*)、車轍因子和相位角(δ)以及對應溫度。

2 試驗結果與分析

2.1 微觀形貌

為更好了解鋼渣形貌特點，本文采用Quanta 250型鎢燈絲掃描電子顯微鏡(SEM)，對鋼渣微粉和普通礦粉表面進行微觀觀測，結果如圖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，從5000倍放大到10 000倍，鋼渣微粉表面均呈現豐富的孔隙和紋理，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狀連接，布滿孔隙，表面呈凸凹不平的狀態，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合，形成表面相互作用良好的膠體體系[7-8]。相應的，在5000倍與10 000倍電鏡之下，礦粉表面表現為少量凸起，沒有孔隙，各部位呈現較為平整的塊狀，表面缺少微紋理構造。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

實驗結果表明，鋼渣、石灰石與瀝青的黏附性均表現良好，如表4所示。

表4 集料與瀝青的黏附性

在與基質瀝青粘附性試驗中，當水煮時間為3 min時，鋼渣、高鈣石灰石的黏附性等級均為4級，而低鈣石灰石可達5級。當水煮時間延長為6 min時，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。

在與SBS改性瀝青的粘附性試驗中，當水煮時間為3 min時，各集料的黏附性等級均為5級；水煮時間延長為6 min時，鋼渣與低鈣石灰石粘附性保持5級不變，高鈣石灰石降低為4級。

因鋼渣與石灰石均呈現較強堿性，能與酸性瀝青之間產生化學吸附作用；同時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，在較嚴苛的試驗條件下，鋼渣與瀝青之間相互作用依舊良好，粘附性強。

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，瀝青膠漿復數模量、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，無論哪種粉膠比和鋼渣替代率，均為隨溫度升高，瀝青膠漿復數模量減小，相位角增大。摻配鋼渣微粉的膠漿具有和礦粉膠漿類似規律，復數模量和相位角隨溫度變化曲線，接近常見的瀝青結合料。

(a)復數模量-溫度曲線

(b) 相位角-溫度曲線

(a)復數模量-溫度曲線

(b)相位角-溫度曲線

(a)復數模量-溫度曲線

(b)相位角-溫度曲線

(a)復數模量-溫度曲線

(b)相位角-溫度曲線

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

對于相位角-溫度曲線，如圖4～圖7中(b)圖所示,當粉膠比從0.6變化到1.2時，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，各替代率下的增加幅度沒有顯著區別。在同一溫度下，相同粉膠比時，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2°。在試驗所用粉膠比范圍內，考慮到溫度掃描試驗誤差，其它試驗條件相同的情況下，填料是礦粉還是鋼渣微粉，對相位角影響較??；對瀝青膠漿相位角影響最顯著的內在因素為瀝青性能；而由于瀝青對溫度的敏感性，溫度就成為重要外在影響因素。

圖8～圖11給出了60℃和70℃時，不同粉膠比對應的復數模量和相位角。由圖可知，高溫時各種鋼渣粉替代率下，瀝青膠漿的復數模量均隨著粉膠比的增大而變大，說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進一步直觀地說明了復數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，粉膠比在這兩個溫度下對相位角的影響不明顯，粉膠比在0.6～1.2區間變化時，無論鋼渣微粉的替代率為多少，相位角都在86.5°～87.8°范圍內變動，說明在普通瀝青混合料采用的粉膠比范圍內，粉膠比大小對相位角影響很小，類似于填料種類的影響。

圖8 60℃時復數模量-粉膠比曲線

圖9 60℃相位角-粉膠比曲線

圖10 70℃時復數模量-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，從而增強瀝青混合料的高溫抗車轍性能。粉膠比確定時，無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-溫度曲線呈現與復數模量-溫度曲線相同的變化規律，即粉膠比分別為0.6、1.2時，忽略稍有紊亂的75%替代率曲線后，可以發現，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，應注意按體積替換，同時考慮比表面積增加帶來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時車轍因子-溫度曲線

圖15 粉膠比1.0時車轍因子-溫度曲線

3 結論

通過對比鋼渣與石灰石微觀形貌與粘附性試驗，進行鋼渣高溫流變性能試驗研究，得到如下結論：

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

(2)鋼渣與瀝青的粘附性與石灰巖粘附性相比，標準煮沸時長下，二者均具有較好粘附性；延長煮沸時長，鋼渣與瀝青顯示出更好的粘附性。

(3)高溫流變試驗結果表明，無論填料是礦粉還是含有鋼渣微粉，瀝青膠漿的復數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，瀝青膠漿的復數模量和車轍因子都增大。鋼渣微粉替代礦粉的比例越低，復數模量與車轍因子越大。反之，復數模量和車轍因子越??；填料類型和粉膠比的大小對相位角影響很小。在用鋼渣微粉替代礦粉時，應注意按體積替換，同時考慮鋼渣比表面積增加帶來的瀝青吸附能力變化的影響。