鋼渣-瀝青界面黏附特性研究

李 松， 張 彩 利， 丁 維 哲， 王 犇， 李 天 豪

(河北工業大學 土木與交通學院，天津 300401 )

0 引 言

鋼渣與天然石料相比具有優異的力學性能，鋼渣路用已經成為道路行業新焦點．瀝青和集料黏附性能與集料表面特性有關，黏附性影響瀝青路面的水穩定性、耐久性等[1]．鋼渣為工藝巖，其表面構造、化學組分和內部結構等不同于一般自然界巖石的，表面展現出特殊的性質，這直接或間接影響、制約瀝青混合料的性能，故只有對鋼渣-瀝青界面黏附特性進行系統研究，才能發揮鋼渣瀝青混合料路用性能潛力．鋼渣多孔結構易吸收瀝青，其高堿度化學成分易與弱酸性瀝青發生化學反應，表面形貌易影響與瀝青物理作用[2]．相關學者對瀝青-集料界面作用性能已做了大量研究，甘新立[3]認為集料孔隙分布特征影響瀝青與集料黏附性能及對瀝青吸附量．陳國明等[4]研究了集料表面粗糙度與瀝青混合料水穩定性能關系．楊文鋒等[5]認為集料吸收瀝青受集料孔隙分布特征影響，提出集料孔隙吸收瀝青量約為7.5%．李繼文[6]研究了鋼渣粉物理化學性質與瀝青相容性關系．孫煒[7]研究了瀝青膜與集料界面之間作用強度關系．成志強等[8]利用表面能及拉脫試驗研究了瀝青膜從集料界面剝落機制．Huang等[9]研究了瀝青膜在集料界面上流變行為，發現集料界面會吸附瀝青中的極性組分，并且與極性組分發生物理化學反應．虞將苗等[10]采用原子力顯微鏡研究了微觀尺度下瀝青與集料黏附作用，發現化學作用對瀝青-集料界面黏附性能影響顯著．王元元[11]采用紫外分光光度計研究了集料對瀝青吸附量，探討了瀝青-集料界面在無水條件下的黏附性能．

綜上所述，目前關于瀝青-集料界面作用性能已有廣泛研究．然而，對鋼渣集料吸附瀝青機理方面研究還不夠全面和系統．鑒于此，本文以石灰巖為對照，從鋼渣集料孔隙吸附、化學反應、表面黏結3個角度分析鋼渣與瀝青黏附機理，結合室內試驗評價鋼渣集料水穩定性．

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

1.1.1 集料 本研究所用集料為熱悶鋼渣、冷棄陳渣(外觀如圖1所示)及石灰巖，均來自唐山，所用鋼渣均在自然條件下陳化半年．集料主要技術指標見表1，基本化學成分見表2．所用鋼渣基本性能指標均滿足規范《道路用鋼渣》(GB/T 25824—2010)技術要求．

表1 集料主要技術指標Tab.1 Main technical indicators of aggregate

表2 集料基本化學成分分析結果Tab.2 Basic chemical composition analysis results of aggregate

1.1.2 瀝青 選用京博70#道路石油瀝青，各項性能指標見表3，其性能均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)中相關技術要求．

表3 瀝青技術指標Tab.3 Asphalt technical indicators

(a)熱悶鋼渣

1.2 試驗方案

1.2.1 壓汞儀試驗 采用美國Quantachrome公司PM-33-18型壓汞儀對集料樣品進行孔隙特征分析．選取具有代表性、粒徑相同的集料與瀝青按照油石比0%、1.0%、1.5%、2.0%進行拌和，拌和時集料溫度為180 ℃，瀝青溫度為140 ℃，為了保證試驗結果的精確性，各油石比取6粒，對結果求平均值．

1.2.2 傅里葉紅外光譜試驗 采用德國布魯克公司V80型傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)對樣品官能團進行對比分析．通過振動磨機將熱悶鋼渣研磨成粉，取0.075 mm以下鋼渣粉進行溴化鉀壓片；將加熱至180 ℃的鋼渣粉與140 ℃的瀝青按質量比2∶1進行均勻拌和，制備成鋼渣粉瀝青膠漿；同時，將基質瀝青作為對照組進行試驗．

1.2.3 接觸角儀試驗 采用德國KRUSS公司DAS30光學接觸角儀對集料與瀝青的接觸角進行測定．將集料切割成3 cm×3 cm×3 cm平面光滑的立方塊，徹底清洗干凈集料表面后烘干；將加熱好的140 ℃瀝青滴在不同溫度(25、45、65、85、105 ℃)集料表面，每組溫度進行3次平行試驗，對結果求平均值．

1.2.4 原子力顯微鏡試驗 采用韓國Park NX10型原子力顯微鏡(AFM)對集料表面微觀特征進行測定，測定區域面積為10 μm×10 μm．將集料切割成3 cm×3 cm×3 cm平面光滑的立方塊，用1000#砂紙打磨集料表面，消除切割紋理，徹底清洗干凈集料表面，進行烘干．

1.2.5 掃描電鏡試驗 采用美國FEI公司的Quanta 450FEG掃描電鏡對熱悶鋼渣-瀝青、石灰巖-瀝青界面特征進行分析．將熱悶鋼渣、石灰巖加熱至180 ℃，放入140 ℃基質瀝青中15 s，一半裸露在外部，然后取出待其自然冷卻．

1.2.6 水穩定性評價試驗 選取熱悶鋼渣、冷棄陳渣，以石灰巖為對比，分別進行不同時間下水煮法試驗．試驗方法按照規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)進行．

根據表4中級配，按最佳油石比5.2%、5.2%、4.9%、5.1%分別成形熱悶鋼渣瀝青混合料、冷棄陳渣瀝青混合料、石灰巖瀝青混合料、鋼渣石灰巖瀝青混合料(粗集料為冷棄陳渣、細集料為石灰巖)試件，按照規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)進行殘留穩度和凍融劈裂強度(TSR)試驗．

表4 級配篩孔質量通過百分率Tab.4 Percentage of gradation sieve quality passing

2 結果與討論

2.1 集料孔隙結構對瀝青吸附影響

2.1.1 鋼渣集料孔隙特征 瀝青與集料高溫拌和時，在高溫流動性和毛細孔張力共同作用下，瀝青在集料孔隙中進行滲透，影響瀝青滲透性最主要的因素為孔徑大小與孔隙數量，即孔小而多者，孔隙里氣-液界面上毛細管張力愈高，瀝青滲透性愈好，從而增加集料與瀝青黏附性．

采用壓汞儀測定未裹覆瀝青的集料孔隙特征，結果見表5．由表5可見，鋼渣孔隙結構較石灰巖有很大不同，熱悶鋼渣、冷棄陳渣總進汞量為石灰巖的11.3倍、10.5倍，說明鋼渣孔體積大于石灰巖的．基于Xoaotb孔隙分類標準，將孔隙按照孔徑大小分為4種類型，即大孔(>1 μm)、中孔(0.1～1 μm)、小孔(0.01～0.1 μm)、微孔(<0.01 μm)[12]．熱悶鋼渣、冷棄陳渣、石灰巖小于1 μm孔隙分別占總進汞量的74.30%、69.40%、14.54%，說明鋼渣孔隙以小孔、中孔為主，提供大部分孔體積，而石灰巖以大孔為主，微孔、小孔、中孔發育較差．另外，熱悶鋼渣、冷棄陳渣總孔隙率為石灰巖的5.7倍、4.2倍，說明鋼渣表面有豐富的開口孔隙數量．鋼渣孔隙結構發育比石灰巖復雜，這種特性易吸附瀝青，增強了鋼渣與瀝青力學連接效應，在一定程度上提高了鋼渣與瀝青總黏附力．

表5 集料孔隙結構特征分布參數Tab.5 Feature distribution parameters of aggregate pore structure

2.1.2 鋼渣集料孔隙特征對瀝青吸附影響 集料孔徑大小不同，對瀝青吸附能力差異較大．采用壓汞儀對裹覆0%、1.0%、1.5%、2.0%瀝青的集料進行孔徑變化分析，結果如圖2所示．由圖可以

郭熙《早春圖》不是遵照畫家某一時段特定的視角所觀察到的形態獨立創作而成，而是綜合了多個角度，呈現出一幅既有仰視又有俯視甚至還有平視，由遠及近，富于張力的完整的畫面。如果完全遵循某一時刻固定的視角來描繪，那么從仰視視角創作就只能看到山頂局部，無法看到山下的景色；從俯視視角就只能看到近處山前的屋舍、陸地、小山丘，無法看到遠處的層巒疊嶂、萬壑綿延。因此，《早春圖》“步步移，面面觀”的移動空間所要表現的是郭熙內心想要表達的物象和藝術感，而非真正客觀意義上的空間存在，這也表明了山水畫的美學是不可能完全真實的。

(a)熱悶鋼渣

看出，集料各孔徑進汞增量Q均隨著油石比增大而逐漸減小，說明瀝青填充集料孔隙程度逐漸加深，集料孔隙體積為吸附較多瀝青提供了條件，即集料孔隙體積會影響瀝青與集料黏附性能．鋼渣孔隙體積大，不僅增加了鋼渣與瀝青接觸的內表面積，還增大了瀝青在鋼渣表面中的嵌入深度及錨固作用．當油石比增加為2.0%時，各集料微孔、小孔、中孔進汞增量均接近0%，而大孔還存在進汞增量，說明孔徑為0.01～1 μm的孔隙相對于大孔更加有利于吸收瀝青，即孔徑為0.01～1 μm的孔隙是影響瀝青與集料黏附性能的主要因素．鋼渣孔隙以0.01～1 μm孔徑為主，故鋼渣吸附瀝青能力高于石灰巖的，吸附瀝青膜較厚，不易從界面脫落，所形成油石界面黏結強度較石灰巖大．

2.2 集料化學成分對瀝青吸附影響

2.2.1 FT-IR表征 瀝青與集料界面黏附機理雖然復雜，但其本質為物理化學吸附作用，瀝青中羧酸、酸酐和硫氧化物等極性官能團易與堿性集料發生化學反應．因此采用FT-IR分析基質瀝青與鋼渣粉作用后官能團變化，以基質瀝青、鋼渣粉作為對照，結果如圖3所示．由圖可以看出，基質瀝青在2 750～3 067 cm-1處出現了寬而散的吸收峰，這是典型羧酸官能團存在的特征，為瀝青能與集料發生化學反應提供了前提條件；2 870 cm-1處是烷烴類C—H鍵伸縮振動峰；1 473 cm-1處是C—CH3不對稱鍵振動峰，1 380 cm-1處是—CH2— 對稱鍵伸縮振動峰[13]．鋼渣在3 150～3 750 cm-1處吸收帶由O—H或N—H鍵相互作用產生；750～1 200 cm-1處吸收帶由C—H面外伸縮振動、Si—O伸縮振動及Si—H彎曲振動引起[14]；500～750 cm-1處吸收帶由C—H面外彎曲振動、N—O彎曲振動及C—S彎曲振動引起．與基質瀝青譜圖對比，發現鋼渣瀝青膠漿在整個波數區間大部分吸收峰與基質瀝青變化趨勢一致，為瀝青吸收峰與鋼渣吸收峰的正負疊加；在3 070～4 000 cm-1及1 780～2 730 cm-1處吸收峰強度增加，說明瀝青膠漿組分分子之間相互作用增強．瀝青膠漿在3 300～3 750 cm-1處是新產生的吸收帶，是胺和酰胺N—H伸縮振動峰及SiO—H伸縮振動峰引起[15]；在2 140～2 260 cm-1處出現了較微弱的R—C≡N鍵振動峰，表明鋼渣與瀝青之間會發生一定的化學反應．化學反應發生必會形成新化學鍵，且不可逆，在界面相充當鍵橋連接，加強鋼渣與瀝青界面之間作用力．

圖3 FT-IR譜圖Fig.3 FT-IR spectra

2.2.2 接觸角 瀝青與集料界面要形成牢固黏結層，在黏附初期就要保證瀝青能很好潤濕集料，瀝青在集料表面擴散及潤濕會產生能量交換，而能量交換強度取決于瀝青潤濕集料能力[11]．從表面能理論來分析，瀝青與集料的接觸角θ表征瀝青潤濕集料能力，即接觸角越小，黏附功越大，黏附強度越好，水穩定性越好[16]．

因此采用接觸角儀對瀝青與不同溫度下集料的接觸角進行測定，結果如圖4所示．由圖可見，集料溫度影響其與瀝青接觸角，原因在于集料表面溫度升高，瀝青分子熱運動加劇，增大了瀝青對集料浸潤程度，使接觸角伴隨著集料溫度增大而減小．在集料溫度相同下，接觸角大小為石灰巖>熱悶鋼渣>冷棄陳渣，說明接觸角與集料堿性有關．基于表面能理論，可以認為鋼渣與瀝青界面黏附性能較石灰巖好，原因在于鋼渣是高堿性集料，瀝青中酸性極性分子與鋼渣表面堿性活性分子產生能量交換，增加了瀝青對鋼渣表面的浸潤性能．

圖4 集料與瀝青接觸角Fig.4 Aggregate and asphalt contact angle

2.3 集料表面微觀特性對瀝青吸附影響

2.3.1 鋼渣集料表面形貌分析 在動水壓力及行車荷載作用下，表面光滑集料相比粗糙集料而言剪切阻力較低，一旦形成剪切破壞，剪切力便會擴展到整個瀝青混合料路面．對集料表面形貌進行AFM檢測，并計算表面形貌相關參數．采用機械設計與摩擦領域中常用到的輪廓算術平均偏差Ra作為粗糙度分析參數，Ra是指在取樣長度內輪廓偏距絕對值的算術平均值，其計算公式如式(1)所示，結果如表6和圖5所示．

表6 集料表面形貌相關參數Tab.6 Related parameters of aggregate surface morphology

(1)

式中：Ra為粗糙度的平均值，nm；Zj為掃描圖中第j點高程，nm；N為AFM掃描的測試點數．

由圖5可以看出，鋼渣與石灰巖表面紋理特征不同，鋼渣呈現出較粗糙紋理形態，“山峰”高度較高，“山谷”深度較深，主要特點是表面高低起伏強度較大，“山峰”和“山谷”層次較分明；石灰巖表面部分區域較光滑，在“山峰”和“山谷”區域高低起伏強度較小．由表6可以看出，熱悶鋼渣、冷棄陳渣粗糙度為石灰巖的3.3倍、3.7倍，表面積為石灰巖的1.7倍、2.2倍，說明鋼渣粗糙度、表面積均大于石灰巖的．由力學理論可知，瀝青與集料間黏附性來源于兩者分子間作用力，而分子間作用力和集料表面積密切相關[17]．集料表面越粗糙，則表面積越大，集料表面吸附瀝青膜越厚，使得瀝青-集料界面相黏結強度越好，相應的瀝青與集料總黏附力越大[4]．即鋼渣與瀝青的抗水害能力會較石灰巖好．

2.3.2 鋼渣集料表面黏附力分析 集料與瀝青吸附特性不僅與集料表面微觀形貌有關，還應考慮到集料自身黏附力對瀝青-集料界面黏附強度的影響．對集料黏附力進行AFM檢測，結果如圖6所示．

(a)熱悶鋼渣

圖7 集料平均黏附力Fig.7 Aggregate average adhesion

由圖7可見，石灰巖平均黏附力為熱悶鋼渣的64.7%，為冷棄陳渣的57.1%，說明鋼渣黏附力大于石灰巖的．在不考慮其他影響因素下，從黏附力來分析，鋼渣比石灰巖與瀝青黏結強度大．

2.3.3 鋼渣-瀝青界面形貌分析 采用掃描電鏡對熱悶鋼渣-瀝青、石灰巖-瀝青界面進行分析，結果如圖8所示，圖中黑色部分為瀝青，具有一定表面紋理部分為集料．由圖8可見，鋼渣因為表面粗糙不規則的紋理，鋼渣與瀝青接觸形成相互嵌擠狀態，通過錨固作用，瀝青膜不易從鋼渣表面脫落，增加了兩者界面之間機械咬合力，進而提高了鋼渣與瀝青的黏附性．而石灰巖因為粗糙度較低，局部區域較為光滑，與瀝青沒有形成一定的嵌入深度，未能形成較好機械咬合力，致使石灰巖與瀝青黏附程度比較低，如果當瀝青自身抗拉強度大于石灰巖-瀝青界面黏附強度時，瀝青膜在外力作用下易于從表面脫落，造成嚴重水損害現象．

2.4 集料與瀝青水穩定性評價

2.4.1 水煮法試驗 對瀝青與集料黏附等級r進行水煮法評價試驗，結果如圖9所示．由圖可以看出，集料與瀝青黏附等級隨著水煮時間延長而降低，水煮時間對不同類型集料影響程度不同．在相同水煮時間下，不同類型鋼渣黏附等級均大于石灰巖的，當水煮時間為10 min時，鋼渣與瀝青黏附等級還為3級，而石灰巖與瀝青黏附等級僅為2級，這說明與石灰巖相比，鋼渣與瀝青之間黏附性更好．

圖9 集料黏附等級Fig.9 Aggregate adhesion grade

(a)熱悶鋼渣-瀝青界面500倍形貌

2.4.2 水穩定性試驗 對不同集料的瀝青混合料進行水穩定性評價試驗，結果如圖10所示．由圖可以看出，熱悶鋼渣、冷棄陳渣、石灰巖、鋼渣石灰巖瀝青混合料殘留穩定度S分別為100%、105%、89%、104%，熱悶鋼渣、冷棄陳渣、石灰巖、鋼渣石灰巖瀝青混合料凍融劈裂強度R分別為95%、86%、82%、90%，說明不同類型鋼渣瀝青混合料殘留穩定度和凍融劈裂強度均比石灰巖高，即鋼渣集料比石灰巖具有更優良的抗水害能力．

(a)殘留穩定度

2.4.3 鋼渣瀝青混合料體積穩定性試驗 鋼渣集料中含有游離氧化鈣、游離氧化鎂，這兩種物質具有結構致密、水化速率較慢的特點，遇水會產生體積膨脹，將會引起鋼渣瀝青混合料體積穩定性的降低．故對鋼渣瀝青混合料膨脹量進行檢驗，使用試件為馬歇爾試件，試驗結果如表7所示．

由表7可見，熱悶鋼渣瀝青混合料和石灰巖瀝青混合料膨脹量均小于1.5%，滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)技術要求；但冷棄陳渣瀝青混合料膨脹量大于1.5%，不滿

表7 不同瀝青混合料膨脹量試驗結果Tab.7 Expansion test results of different asphalt mixtures

足規范技術要求．用石灰巖細集料替代冷棄陳渣細集料后，鋼渣石灰巖瀝青混合料膨脹量較冷棄陳渣瀝青混合料降低了36.8%，且滿足規范技術要求，這說明冷棄陳渣細集料活性較大，嚴重影響著鋼渣瀝青混合料的體積穩定性，用石灰巖細集料代替冷棄陳渣細集料可以降低鋼渣瀝青混合料的膨脹性．

3 結 論

(1)鋼渣孔隙結構比石灰巖的豐富，具有孔體積大、孔隙率大的特點，增大了鋼渣與瀝青機械咬合力與黏結內表面積；鋼渣以小孔、中孔為主，鋼渣孔徑為0.01～1 μm的孔隙相對于大孔更有利于吸收瀝青．

(2)瀝青與鋼渣粉作用后，瀝青出現兩處新的吸收峰，在3 300～3 750 cm-1處胺和酰胺N—H伸縮振動峰及SiO—H伸縮振動峰，在2 140～2 260 cm-1處的R—C≡N鍵振動峰，說明瀝青與鋼渣發生了一定的化學反應，提高了鋼渣-瀝青界面相作用強度；在集料溫度相同時，鋼渣與瀝青接觸角比石灰巖與瀝青的小，瀝青對鋼渣具有很好的潤濕能力，提高了鋼渣與瀝青的黏附性．

(3)鋼渣具有更大的粗糙度、表面積，增大了鋼渣與瀝青相互黏結面積及錨固作用；鋼渣黏附力比石灰巖的大，增大了鋼渣與瀝青總黏附力．

(4)在同等水煮時間下，鋼渣與瀝青黏附等級一直大于石灰巖的；鋼渣瀝青混合料殘留穩定度和凍融劈裂強度均比石灰巖的高，即鋼渣集料與瀝青具有更優秀的黏附性．