钢渣粉性能表征及其对沥青混凝土水稳定性能的影响研究*

李鸿轲 梁 铎 肖志峰 陈美祝 赵 炜

(内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司1) 呼和浩特 010050)(武汉理工大学材料科学与工程学院2) 武汉 430070)

0 引 言

钢渣是炼钢过程中产生的副产品，中国每年产生超过1亿吨的钢渣，但有效利用率不到30%[1].钢渣的堆积不仅会占用大量的土地，而且会造成严重的环境污染[2-3].钢渣由于具有高碱度、丰富的棱角和良好的耐磨性等特点，可以提高沥青路面的抗水损害能力和防滑性能，已被广泛应用于沥青路面的建设中[4].然而，大多数研究集中于钢渣作为骨料在沥青路面中的应用，对将钢渣用作矿物填料的可行性的研究较少.

水损害是沥青路面服役过程中最常见的破坏形式之一.沥青是一种酸性物质，与碱性骨料如石灰石和玄武岩具有良好的黏附性，但与酸性骨料如花岗岩和砂岩的黏附性较差[5].传统的无机抗剥落剂，如熟石灰、水泥等，已被广泛证明可改善沥青与集料的黏附性，从而提高沥青混凝土的水稳定性[6].钢渣是一种高碱性材料，包含大量在炼钢过程中产生的CaO，具备作为无机抗剥离剂应用于沥青混合料中的潜力.

研究将钢渣作为填料应用于沥青混合料中，不仅可实现对钢渣的资源化利用，减少对天然资源的消耗，还可作为无机抗剥落剂，提高沥青路面抗水损害能力，实现其高值化利用.

1 原材料及实验方法

1.1 原材料

沥青选用70#基质沥青，基本性能指标见表1.钢渣粉(steel slag powder，SSP)是实验室自行制备的，具体的制备方法是将包钢生产的2.36～4.75 mm粒径范围的钢渣进行水洗除去表面粉尘，烘干后在行星球磨机中球磨0.5 h得到.石灰石矿粉(limestone filler，LF)作为最常用的矿物填料在本文中选用作为对照组，表2为两种填料的基本性能指标.钢渣粉的表观相对密度达到了3.735 g/cm3，远高于石灰石矿粉，这是由于钢渣粉中含有炼钢过程中残留的铁.钢渣粉的比表面积也比矿粉大70.42%，这意味着钢渣粉与沥青的接触面积更大，钢渣粉与沥青的黏结作用更强.此外，两种填料的亲水系数均小于1，说明其都具备作为优质填料的可能性.粗细集料均采用花岗岩，其基本性能见表3.

表1 70#沥青基本性能指标

表2 钢渣粉和石灰石矿粉的基本性能指标

表3 花岗岩集料基本性能指标

1.2 实验方法

填料的性质差异会对沥青胶浆产生较大影响，本文采用某公司生产的JSM-IT300扫描电子显微镜(SEM)来表征两种填料的微观形貌，采用某公司生产的Zetium型X射线荧光(XRF)来分析两种填料的化学成分，采用某公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度分析仪对两种填料的粒径分布进行测量.本文采用AC-16型级配，填料用量为4.5%，将钢渣粉以不同替代量(0%，25%，50%，75%和100%)替代石灰石粉掺入沥青混合料中制备马歇尔试件，为了确保马歇尔试件具有相同的体积性能，替代量是通过考虑两种填料密度差异的体积比来计量的.

选取马歇尔稳定度实验和冻融劈裂实验评价沥青混合料的水稳定性，实验方法参照文献[7]进行.浸水马歇尔试验是将马歇尔试件分两组：一组作为对照组，在60 ℃水浴中水浸0.5 h后测试其马歇尔稳定度S1；另一组作为实验组在60 ℃水浴中水浸48 h后测试其马歇尔稳定度S2；根据式(1)计算得到的残留稳定度MS0作为评价沥青混合料水稳定性的指标.

MS0=S2/S1×100%

(1)

冻融劈裂试验是将马歇尔试件分成两组，对照组直接置于25 ℃水浴中浸泡2 h后测试劈裂强度R1；实验组经真空饱水后在常温水中浸泡20 min，再在-18 ℃的冰箱中冷冻16 h，然后在60 ℃水浴中放置24 h完成一次冻融循环，再放到25 ℃水中浸泡2 h后测试其劈裂强度R2；根据式(2)计算得到残留强度比，即为沥青混凝土的冻融劈裂抗拉强度比TSR.

TSR=R2/R1×100%

(2)

2 结果与讨论

2.1 表面形貌

钢渣粉与石灰石粉的表观形貌见图1.由图1可知，两种填料具有不同的粒径分布、颗粒形貌和表面纹理.钢渣粉具有较为复杂的表面纹理，其表面纹理更为粗糙，表面具有明显的棱角和孔洞，研究表明，填料的几何不规则性与较高的表面活性(即填料颗粒吸附沥青的能力较高)有关.复杂的表面纹理可能导致集料表面裹覆沥青胶浆的增加，这可能会影响混合物的抗剥离性[8].钢渣粉粗糙的表明纹理会吸附更多沥青，提高沥青胶浆的劲度，从而改善沥青与集料的黏附性.矿粉表面较为光滑，形状也较为规则，具有明显的棱角，表面也没有明显的孔洞.

图1 钢渣粉与石灰石矿粉的扫描电镜图像

2.2 粒度分布

钢渣粉和石灰石矿粉的粒度分布和粒度参数分别见图2和表4.规范规定填料在0.6 mm筛孔尺寸下的通过的质量分数要小于100%，测试结果表明，钢渣粉和石灰石矿粉的粒度分布均符合规范要求.石灰石矿粉的粒度分布较为均匀，其80%的粒径分布在1.4～41 μm.钢渣粉的粒径分布较为分散，在某几个粒径范围内具有较多的粉料，这可以解释为钢渣粉包含更多杂质和一部分铁质，并且铁具有高密度和耐磨性的特性，从而导致较大的粒径分散.钢渣粉中细料的比例也比石灰石粉高，这与研磨过程及研磨时长有关.钢渣粉的比表面积远大于石灰石粉，达到2.42 m2/g，这与扫描电镜图像规律是吻合的，钢渣粉粗糙的表面纹理和孔洞意味着比表面积越大，其与沥青的黏附面积更大，黏附性也越好.

图2 钢渣粉和石灰石粉的粒度分布

表4 钢渣粉和石灰石粉的粒度参数

2.3 化学组成

填料的矿物组成对其与沥青间的反应及对酸性集料表面的改性作用具有重要的影响，表5为两种填料的主要化学成分分析结果.由表5可知，钢渣粉中含有大量的Fe2O3,MgO和MnO成分，这些成分主要是炼钢过程中的残留物，其中Fe2O3高达26.376%，这也解释了钢渣粉密度大的原因.生石灰(主要成分CaO)和熟石灰(主要成分Ca(OH)2)广泛应用沥青路面中用作抗剥落剂，主要是因为它们含有大量的CaO或Ca(OH)2成分，这些成分具有相当的活性，它们可以与沥青中的有机酸发生反应，生成能起到表面活性剂作用的钙盐，从而提高沥青与酸性集料的黏附性.石灰石粉的CaO含量高于钢渣粉，但石灰石粉的主要矿物相为CaCO3，相关文献均证明，CaCO3对提高沥青与集料的黏附性是无效的[9-11].

表5 钢渣粉和石灰石矿粉的主要化学成分

2.4 水稳定性能

根据文献[7]，每组混合料制备了四个重复样品进行测试.100%SSP组的最佳沥青含量为5.0%，其他组的最佳沥青含量为4.9%，最佳油石比的变化说明钢渣粉具有一定的吸油性.表6为残留稳定度(MSR)和冻融劈裂残留强度比(TSR).表6列出马歇尔试件的体积特性，例如,平均空隙率(VV)和矿物间隙率(VMA).结果表明:根据体积比掺入钢渣粉对成型后的马歇尔试件体积性能基本无影响，这保证了混合料水稳定性能实验数据的准确性.

表6 不同替代量下钢渣粉沥青混合料体积性能及水稳定性

2.4.1马歇尔稳定度

图3为不同替代量钢渣粉沥青混合料的马歇尔稳定度和残留稳定度.

图3 不同替代量钢渣粉沥青混合料的马歇尔稳定度和残留稳定度

仅就浸水0.5 h的对照组而言，随着钢渣粉替代量的增加，马歇尔稳定度也随之提高.100%替代量的混合料稳定度比纯石灰石粉组高9.39%.而对于浸水48 h的实验组，由图3a)可知，钢渣粉的掺入对稳定度有一个较大的提升.但随着钢渣粉替代量的增加，对照组中稳定度增长的趋势并未在实验组中出现，稳定度基本保持一致.这也导致了残留稳定度随着钢渣粉替代量的增加而下降，推测可能是钢渣粉中含有的f-CaO与水反应体积膨胀破坏了混合料的体积稳定性，抵消了钢渣粉对混合料水稳定性的增强作用[12-13].另据相关文献记载，铁及其氧化物会对沥青与集料的黏附性产生不良影响，这也可以解释残留稳定度的降低[14-15].但钢渣粉100%替代石灰石粉后试件残留稳定度为85.45%，仍高于纯石灰石粉组的83.27%，说明钢渣粉的掺入对提高残留稳定度还是有促进作用的，其中当钢渣粉的替代量为石灰石粉总量的25%时提升效果最好，试件残留稳定度为93.31%，比石灰石粉对照组高了12.06%.

2.4.2冻融劈裂残留强度比

图4为冻融劈裂实验的结果，该结果与马歇尔稳定度实验结果的规律性基本一致.未冻融组的实验结果表明:钢渣粉都能提高马歇尔试件的间接拉伸强度，且间接拉伸强度随钢渣粉替代量增加而增长.冻融循环处理后，掺入钢渣粉的马歇尔试件的间接拉伸强度有明显提升，但随钢渣粉替代量的增加提升幅度不大，导致残留强度比的逐渐降低.由25%替代量下试件79.24%的残留强度比降至100%替代量下77.30%的残留强度比，但相对矿粉对照组76.46的残留强度比仍有提升.钢渣粉25%替代矿粉仍然具有最好的提升效果，但提升幅度只有3.6%，说明钢渣粉应对更为苛刻的冻融循环处理后对水稳定性的提升效果有限.另也有可能是冻融循环试验中要求马歇尔试件具有较大空隙率，这导致钢渣粉中f-CaO与水反应更充分，加剧破坏了试件的体积稳定性.

图4 不同替代量钢渣粉沥青混合料的间接拉伸强度和冻融劈裂残留强度比

3 结 论

1) 钢渣粉具有较为复杂的表面形貌，其表面纹理更为粗糙，表面具有明显的棱角和孔洞，这会使钢渣粉吸附更多沥青，提高沥青胶浆的劲度；其细度也较石灰石矿粉小，比表面积更大，与沥青接触面积更大，黏附性也越好；化学组成分析结果表明:钢渣粉中含有大量的CaO成分，是一种高碱度矿渣填料，能改善酸性集料表面状态，提高沥青与集料的黏附性.粗糙的表面形貌和高碱度有助于改善沥青与集料之间的黏附性，从而提高沥青混合料的水稳定性.

2) 沥青混合料浸水马歇尔实验和冻融劈裂实验结果表明，钢渣粉的掺入对沥青混合料的水稳定性能有明显提升，但随钢渣粉替代量增加，水稳定性能呈降低趋势，但钢渣粉100%替代石灰石矿粉后试件的水稳定性仍高于纯石灰石粉组.仅本次实验而言，钢渣粉替代石灰石粉总量的25%对水稳定性能的提升效果最好.