鋼渣粉對SBS改性瀝青膠漿性能的影響研究

中圖分類號：U416.03 文獻標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.009文章編號：1673-4874（2025）04-0031-04

0 引言

鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的主要固體廢物，我國每年產(chǎn)生超過 1.2×10⁸ t鋼渣，但鋼渣綜合利用率僅為 20% ，其大量堆存不僅占用土地資源，還會引發(fā)環(huán)境污染問題。作為交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的核心材料，瀝青混合料亟須綠色化技術(shù)創(chuàng)新以響應(yīng)國家“雙碳”戰(zhàn)略的號召。鋼渣作為工業(yè)固廢之一，具有產(chǎn)量大、成本低的特征，其化學(xué)成分和物理機械性能對瀝青混合料的性能有顯著影響[2]。Pathak等[3]通過不同比例的鋼渣 （0，25% 50% 新 75% . 100% 替代天然粗集料，研究了鋼渣對 OGFC 混合料堵塞潛力的影響，結(jié)果表明隨著鋼渣含量的增加，OGAFC混合料的滲透性和孔隙度降低；鋼渣的加入降低了OGFC混合料的堵塞潛力，并且提高了抵抗剝離和永久變形引起的堵塞的性能。常春清等4研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼渣完全替代骨料時，所得的膠粉瀝青混凝土展現(xiàn)出最優(yōu)的低溫性能。王利波等5借助SEM和熒光顯微鏡等，從微觀角度闡述了鋼渣的表面形貌，結(jié)果表明鋼渣集料表面形貌特性可顯著影響鋼渣瀝青混合料體積性能和抗水損害能力。申愛琴等的研究揭示了鋼渣的化學(xué)特性和表面特征在優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)中發(fā)揮協(xié)同黏附和錨固嵌入效應(yīng)，表明使用鋼渣作為粗骨料能顯著增強瀝青混凝土的抗疲勞能力。張彩利等的研究指出，當(dāng)鋼渣瀝青混合料的膨脹量符合標(biāo)準(zhǔn)時，其在高溫穩(wěn)定性、抗水損害能力、低溫抗裂性以及抗疲勞性能方面均表現(xiàn)優(yōu)異，相較于傳統(tǒng)的石灰?guī)r瀝青混合料，這些性能指標(biāo)均有顯著提升。向陽開等通過對不同種類鋼渣瀝青混凝土的熱特性和電磁特性進行對比分析，發(fā)現(xiàn)鋼渣的添加顯著增強了瀝青混凝土的微波加熱效率，并有效提升了其自我修復(fù)能力。張爭奇等[9研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣的摻入使瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)降低，比熱容增大，變化幅度最大可以gt;40% ，可有效提高路面抗車轍性能。鋼渣磨細后的鋼渣粉由于含有大量的CaO，因此能吸收更多的極性組分，當(dāng)鋼渣粉摻入瀝青膠漿后，可以提高膠漿的抗老化能力和抗斷裂能力[]。此外，鋼渣粉相對于礦粉來說，具有水化活性、高堿度和粗糙形貌等特征，可以提高與瀝青的相容性，從而增強混合料的抗水損害能力[1]。

目前針對鋼渣在瀝青混合料中的應(yīng)用研究，多數(shù)都是從替代集料方向進行探討，對于鋼渣粉在瀝青混合料中的應(yīng)用甚少，鋼渣粉替代礦粉對瀝青膠漿流變特性的影響機制尚未明晰，尤其是與交通荷載特性、環(huán)境溫度變化的適配性仍需系統(tǒng)研究。本研究結(jié)合廣西地區(qū)高溫多雨的氣候特征及重載交通路面的實際需求，通過多尺度試驗揭示鋼渣粉對瀝青膠漿性能的改性規(guī)律，明確其在不同應(yīng)力-溫度耦合作用下的適用邊界，為鋼渣瀝青混合料在道路工程中的推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 原材料

1.1瀝青

本文采用SBS改性瀝青制備瀝青膠漿，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示，各項性能滿足規(guī)范要求。

表1瀝青技術(shù)指標(biāo)表

1.2 鋼渣粉

鋼渣粉為防城港某鋼鐵廠生產(chǎn)的鋼渣經(jīng)陳化磨細后獲得，其主要化學(xué)成分如表2所示。

表2鋼渣粉主要化學(xué)組成表

2 試驗方案

2.1瀝青膠漿制備

本文設(shè)定瀝青膠漿中粉膠比為1.0，即瀝青膠漿中填料質(zhì)量與瀝青質(zhì)量比為1.0。鋼渣粉和石灰?guī)r礦粉均經(jīng)過篩分，粒徑 lt;0.075mm 鋼渣對石灰?guī)r礦粉替代采用重量法，即采用等質(zhì)量的鋼渣粉替代等質(zhì)量的石灰?guī)r礦粉。制備前，鋼渣粉與石灰?guī)r礦粉需在120 C 烘箱中恒溫干燥gt;2h；在瀝青膠漿制備過程中，使SBS改性瀝青溫度保持在180℃，啟動高速攪拌機設(shè)置轉(zhuǎn)速為1000r/min；緩慢將鋼渣粉、石灰?guī)r礦粉加入其中，時間控制在 lt;3min ；隨后將高速攪拌機轉(zhuǎn)速提升至2500r/min，攪拌30min，使得瀝青與鋼渣粉、石灰?guī)r礦粉充分混合；最后降低轉(zhuǎn)速至1000r/min，排除瀝青膠漿中的氣泡。本文共制備6種瀝青膠漿，鋼渣替代石灰?guī)r礦粉比例分別為 0.20% 、 40% 、60% （204號 .80% 和 100% 。瀝青膠漿配合比方案如表3所示。

表3瀝青膠漿配比方案表

2.2 試驗方法

2.2.1熱重分析（TG）

熱重分析是一種評估材料熱穩(wěn)定性的技術(shù)，通過監(jiān)測材料質(zhì)量隨溫度升高的變化來實現(xiàn)。在本試驗中，溫度從30 C 升至800 C ，以5 °C /min的速率均勻升溫，同時使用氮氣以確保樣品的穩(wěn)定性。

2.2.2多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗（MSCR）

使用動態(tài)流變剪切儀對樣品進行測試。設(shè)定的試驗溫度區(qū)間為72℃～88 ，每隔6℃設(shè)置一個溫度點。試驗中，樣品經(jīng)歷兩個不同的應(yīng)力水平： 0.1kPa 和3.2kPa ，在每個應(yīng)力水平下進行10個循環(huán)測試，即1s的應(yīng)力加載蠕變階段和9S的應(yīng)力卸載恢復(fù)階段，整個測試過程總時長為200 S^[12] 。

2.2.3溫度掃描試驗（DSR）

采用動態(tài)流變剪切儀對樣品進行試驗。試驗溫度為46℃～88 C ，溫度間隔為6 C 。試驗采用 1% 應(yīng)變控制，加載頻率為10 Hz。

2.2.4線性振幅掃描試驗（LAS）

采用動態(tài)流變剪切儀對樣品進行試驗。LAS測試分為兩個階段：初始階段是對樣品進行頻率掃描，緊接著是線性振幅應(yīng)變掃描。頻率掃描階段，在 0.1% 的應(yīng)變條件下，采用0. 2～30 Hz的頻率對樣品進行掃描。隨后，進行線性振幅掃描，此過程采用應(yīng)變控制模式，總時長為300s，正弦波荷載的振幅在測試過程中從 0.1% 線性增長至 30%^[13] 。

3結(jié)果與討論

3.1熱重分析（TG）

熱重分析是通過監(jiān)測材料在溫度變化過程中的質(zhì)量變化來評估其熱穩(wěn)定性的一種方法。隨著溫度的上升，瀝青膠漿的質(zhì)量會有所下降，這通常是由于瀝青中某些組分在高溫作用下發(fā)生分解所致。本文采用質(zhì)量變化為 5% 時的溫度（ T₅ ）來評價瀝青膠漿的熱穩(wěn)定性，若該溫度越大，則表明材料熱穩(wěn)定性越好。

由圖1可知，在30 C～800^°c 的溫度中，當(dāng)不同鋼渣粉含量的瀝青膠漿被分解 5% 質(zhì)量時，所對應(yīng)的溫度由低到高分別為370℃、372 C 、380℃、381℃、386 和417 C ，各溫度所對應(yīng)的鋼渣粉替代比例分別 80%20% 、60%.0.100% 和 60% 。鋼渣粉替代比例對瀝青膠漿熱穩(wěn)定性的影響較小，最高溫度與最低溫度僅相差47℃。隨著溫度的增加，瀝青膠漿質(zhì)量在40 0^°C～500^°C 出現(xiàn)驟降趨勢，隨后在500 趨于穩(wěn)定，最后在700℃～800℃時有部分膠漿質(zhì)量下降較多。在 ：700^°C～800^°C 下降較多的瀝青膠漿為 S₆₀、S₈₀ 和 S₁₀₀ ，這歸因于鋼渣粉中活性物質(zhì)在高溫下的分解反應(yīng)。綜合熱重（TG）分析的數(shù)據(jù)得出結(jié)論：在鋼渣粉替代礦粉的比例達到 60% 時，瀝青膠漿的熱穩(wěn)定性達到最佳狀態(tài)。這一特性可有效適應(yīng)南方地區(qū)夏季高溫環(huán)境，減少瀝青路面因溫度應(yīng)力產(chǎn)生的車轍病害。

圖1TG試驗結(jié)果曲線圖

3.2多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗（MSCR）

多重應(yīng)力蠕變試驗以試驗數(shù)據(jù)計算所得的應(yīng)變恢復(fù)率 R 和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?J_nr 作為評價指標(biāo)。在0.1kPa和3. 的壓力下分別得到 R 和 J_nr 。由圖2可知，當(dāng)溫度在70 時，瀝青膠漿的 J_nr 較小，并且鋼渣粉替代比例對其幾乎沒有影響；當(dāng)溫度在82℃～88℃時，隨著鋼渣粉的加入，瀝青膠漿的 J_nr 減少；當(dāng)鋼渣粉的替代比例gt;60% 后， J_nr 呈增加趨勢。當(dāng)溫度在70 時，鋼渣粉替代比例對應(yīng)變恢復(fù)率 R 的影響較小，當(dāng)溫度升高到82^°C 后， S₆₀ 瀝青膠漿的應(yīng)變恢復(fù)率 R 達到最大。觀察圖2（b）和圖2（d）可知，當(dāng)鋼渣粉替代比例達到 60% 時，隨著溫度的升高，瀝青膠漿的應(yīng)變恢復(fù)率 R 下降速率減小，說明鋼渣粉替代比例為 60% 時，瀝青膠漿不僅有良好的高溫性能還有優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性。綜上所述，當(dāng)鋼渣替代比例為60% 時，瀝青膠漿的高溫抗變形性能與彈性恢復(fù)性能達到最好；當(dāng)鋼渣替代比例gt; 560% 時，瀝青膠漿的高溫抗變形性能與彈性恢復(fù)性能下降。

3.3溫度掃描試驗（DSR）

由圖3（a）可知，采用鋼渣粉替代礦粉時，瀝青膠漿在各個溫度下的相位角明顯減少，說明鋼渣粉的加入增加了瀝青材料中的彈性成分，提高了其抗高溫變形能力。隨著試驗溫度增加，相位角變大，加入鋼渣粉的瀝青膠漿，其相位角變化幅度小于未摻加鋼渣粉的瀝青膠漿。當(dāng)替代比例達到 60% 時，相位角最小，且相位角隨溫度升高所增加幅度最小。由圖3（b）可知，在試驗初始階段，鋼渣粉的加入提高了瀝青膠漿的車轍因子，其中 S₄₀ 在42℃下車轍因子較 S₀ 提高了 22% 。隨著溫度升高，各個瀝青膠漿的車轍因子下降，直至溫度達到70 C ，車轍因子隨溫度變化趨于穩(wěn)定；在溫度 lt;70^°C 時， S₄₀ 的車轍因子大于其他瀝青膠漿，具有良好的抗高溫性能。瀝青膠漿的溫度掃描試驗結(jié)果表明，鋼渣粉可以明顯改性瀝青材料的相位角和車轍因子，不僅提高其高溫抗變形能力，還能改善溫度敏感性，其中鋼渣粉替代比例為40% 和 60% 的瀝青膠漿最佳。

圖3溫度掃描試驗結(jié)果曲線圖

圖2多重應(yīng)力蠕變試驗結(jié)果曲線圖

3.4線性振幅掃描試驗（LAS）

如圖4所示為25 C 下不同類型膠漿的應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖4可知，瀝青材料的剪切應(yīng)力在測試過程中出現(xiàn)了一個峰值，當(dāng)剪切應(yīng)力達到這個轉(zhuǎn)折點后，隨著應(yīng)變的增加，剪切應(yīng)力值逐漸減小，這表明瀝青材料開始發(fā)生破壞。鋼渣粉替代比例為 20%～60% 時，增加了瀝青膠漿的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變，其中 S₆₀ 具有最高的峰值應(yīng)力。然而繼續(xù)提高鋼渣粉的替代比例時，瀝青膠漿的峰值應(yīng)變減小，并且隨著應(yīng)變增大會出現(xiàn)明顯的剪切破壞，說明適量的鋼渣粉提高了瀝青膠漿的疲勞性能，過量的鋼渣粉不利于瀝青膠漿的疲勞性能。各種瀝青膠漿樣本在達到峰值應(yīng)力時，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線均展現(xiàn)出一定寬度的平臺區(qū)域。這個區(qū)域的寬度越大，意味著瀝青對剪切變形的敏感度越低，從而表明其抗疲勞性能越強。S₂₀，S₄₀ 和 S₆₀3 個樣品在峰值區(qū)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線走勢和峰值相似，說明其在承受荷載方面的性能相似。在峰值區(qū)，如果樣本顯示出剪切應(yīng)變增加而剪切應(yīng)力減少的現(xiàn)象，這通常被視為瀝青發(fā)生了疲勞破壞。 S₂₀，S₄₀ 和 S₆₀ 的峰值區(qū)為 15%～25% S₀ 的峰值區(qū)為 12%～20% ，而 S₈₀ 和 S₁₀₀ 則在應(yīng)力達到峰值后出現(xiàn)明顯下降趨勢，說明已經(jīng)出現(xiàn)剪切破壞。

綜上所述， 20%～60% 的鋼渣粉替代礦粉，可以提高瀝青膠漿的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變，峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變的增加提高了瀝青膠漿的抗變形能力，有利于其疲勞性能。此外，適量的鋼渣粉替代礦粉還能增加其平臺－峰值區(qū)寬度，這表明優(yōu)化后的膠漿能顯著提升對重載交通下循環(huán)剪切作用的適應(yīng)性，延長道路使用壽命。

4結(jié)語

本文通過熱重分析（TG）、多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗（MSCR）、溫度掃描（DSR）及線性振幅掃描試驗（LAS），系統(tǒng)研究了鋼渣粉替代石灰?guī)r礦粉對SBS改性瀝青膠漿性能的影響。得出以下結(jié)論：

（1）TG試驗結(jié)果表明，鋼渣粉的摻入顯著優(yōu)化了瀝青膠漿的綜合性能，當(dāng)替代比例為 60% 時，熱穩(wěn)定性最佳。

（2）多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗（MSCR）表明，當(dāng)溫度在82℃～88℃時， 60% 比例下的鋼渣粉 J_nr"值最小、應(yīng)變恢復(fù)率 R 值最大，表明高溫抗變形能力與彈性恢復(fù)性能最優(yōu)。

（3溫度掃描試驗（DSR）表明，鋼渣粉替代比例為40% 和 60% 時，相位角最小且車轍因子顯著提升，有效改善了高溫抗車轍性能及溫度敏感性。

（4）線性振幅掃描試驗（LAS）表明，鋼渣替代比例為20%～60% 時可提高峰值應(yīng)力和平臺區(qū)寬度，增強抗疲勞性能，但過量替代 （gt;60% ）會因鋼渣活性物質(zhì)高溫分解及相容性下降導(dǎo)致性能衰減。

（5）綜合表明， 60% 鋼渣粉替代礦粉能夠兼顧熱穩(wěn)定性、高溫性能與疲勞性能的協(xié)同提升，為鋼渣在高溫多雨地區(qū)及重載交通瀝青路面中的規(guī)模化應(yīng)用提供了理論依據(jù)，對推動固廢資源化利用與綠色道路建設(shè)具有重要實踐價值。 °ledast

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