细集料对钢渣沥青混合料粘附性的影响研究*

叶　勇　周新星　刘全涛

(广东省南粤交通揭惠高速公路管理中心1)　广州　510100)　(武汉理工大学硅酸盐中心2)　武汉　430070)

细集料对钢渣沥青混合料粘附性的影响研究*

叶勇1)周新星2)刘全涛2)

(广东省南粤交通揭惠高速公路管理中心1)广州510100)(武汉理工大学硅酸盐中心2)武汉430070)

摘要：细集料是沥青混合料的主要组成材料，对混合料的粘附性能影响极大.采用三维景深显微镜、扫描电镜和分子模拟技术分析细集料微观形貌对钢渣沥青混合料粘附性能的影响；提出了一套以微观结构参数为基础的沥青混合料粘附性的评价方法.结果表明，粗糙度和分形维数与混合料粘附性呈正比，细集料的粗糙度、接触角和界面粘附能够很好地描述钢渣沥青混合料的粘附性.

关键词：细集料；钢渣；沥青混合料；粘附性

0引言

钢渣是炼钢过程中排出的废渣，可分为转炉渣、平炉渣和电炉渣，是冶金行业的主要固体废弃物.据不完全统计，2014年我国钢渣累积堆存近10亿吨，综合利用率仅10%[1].如何高效地对钢渣进行绿色发展和资源化的循环利用已成为国内外重点关注的问题.钢渣可作为一种特殊集料类型应用于沥青混合料；同时也可粉磨成钢渣微粉代替水泥.钢渣沥青混合料是由粗集料、细集料、填料和沥青组成的一种复合材料.这些组成由于性能各异，可形成结构不同的沥青混合料，使沥青混合料表现出不同的特性.集料作为沥青混合料的主要组成部分，其表面构造和棱角性对钢渣沥青混合料粘附性的贡献突出，特别是细集料的贡献更大.细集料在沥青混合料中不仅起着骨架形成作用，还起着孔隙填充作用[2].因此，非常有必要对细集料对钢渣沥青混合料粘附性的影响进行研究.国内外众多研究表明，沥青混合料的粘附性评价指标主要包括：接触角、粘附力、粘附功、表面能、吸附量和稳定度[3-4]；而粘附失效机制则主要包括：粘聚失效和粘附失效[5].粘聚失效是指沥青混合料中沥青内部发生的破坏失效，较易发生在沥青性能发生严重恶化的混合料中，如紫外老化混合料；粘附失效是指沥青混合料中沥青和集料之间的破坏失效，较易发生在沥青-集料界面粘附力弱的混合料中，如水损害沥青混合料，集料表面含泥量较多的沥青混合料.目前有关细集料对沥青混合料的影响研究主要集中在细集料的几何特性和混合料的力学性能.韩海峰等[6]借助棱角性评价了细集料对沥青混合料水稳定性和高温稳定性等基本性能的影响，认为棱角性不能单独作为评价细集料对沥青混合料性能影响的指标.陈璟和王大庆等[7-9]基于AC-13混合料研究了细集料几何特性对混合料路用性能的影响.粘附性的研究则主要集中在沥青-集料、沥青-矿料、胶浆-集料界面粘附性的研究[10-13]，未能就细集料的组成和表面形貌对沥青混合料粘附性的影响进行研究.针对上述情况，本文采用三维景深显微镜、扫描电镜和分子模拟技术相结合，对细集料微观形貌分析系统，定量表征细集料组成和微观结构对沥青混合料粘附性的影响，利用统计学方法探讨细集料微观结构各指标与钢渣沥青混合料粘附性的相关程度和相关函数.

1原材料与实验

粗集料(4.75～16 mm)选用钢渣；细集料(0～4.75 mm)分别采用1#钢渣、2#玄武岩和3#石灰岩3种不同细集料；沥青为SBS改性沥青(PG76-22)，25 ℃针入度为56 0.1 mm，软化点为82 ℃.为保证实验结果的可比性，级配设计均采用AC-13C，具体见表1.油石比为5.4%.细集料棱角性测试参照T0344-2000，沥青饱和度实验参照JTG F40-2004，马歇尔稳定度测试参照T0709-2011.

表1　AC-13C级配组成

由于在沥青混合料中对粘附性起主导作用的是细集料与沥青之间的粘附，因此研究细集料对钢渣沥青混合料粘附性的影响需要分别构建沥青-钢渣、沥青-玄武岩和沥青-石灰岩模型.本文通过Layer层状功能构造沥青-集料模型，沥青的分子模型参照Zhou[14]，钢渣集料选用CaO·SiO2，玄武岩选用SiO2，石灰岩选用CaCO3.先利用正则系综(NVT)速度标定方法运行100ps以平衡体系能量的剧烈波动，再利用分子动力学能量分析模块计算各体系能量，最后根据界面粘附能定义计算界面粘附能.

2结果与讨论

2.1细集料棱角性对混合料粘附性的影响

细集料棱角性是指小于2.36 mm集料的未压实空隙率.一般认为细集料棱角性越大，破碎面就越多，细集料表面就越粗糙，粘附性越强.见表2，1#钢渣、2#玄武岩、3#石灰岩其棱角性分别为51%，48%和43%；3种不同细集料组成的沥青混合料其沥青饱和度分别为49%，56%和58%，表明1#钢渣细集料对沥青的吸附能力最好，沥青混合料的粘附性最强；其次是2#玄武岩细集料，由其组成的沥青混合料粘附性劣于钢渣沥青混合料；3#石灰岩细集料对沥青的吸附能力最差，由石灰岩细集料组成的沥青混合料其粘附性最弱.由上述结果可知，细集料棱角性越好由其组成的沥青混合料粘附性也越好，两者之间存在一定的正比例关系.

表2　细集料棱角性和混合料中沥青饱和度　%

2.2细集料微观形貌对混合料粘附性的影响

细集料微观形貌(见图1)的表征主要包括粗糙度参数和分形参数.众多的表征参数中借助三维表面形貌3D等高图描述细集料微观形貌具有更为直观的可信度.由图1可知，钢渣细集料表面粗糙度较大，最大值达到374 μm；玄武岩细集料表面粗糙度其次，最大值达到282 μm；石灰岩细集料表面粗糙度最小，最大值才263 μm.利用仪器自带软件功能和MATLAB计算细集料分析维数，结果表明：1#钢渣细集料、2#玄武岩细集料、3#石灰岩细集料平均分形维数分别为1.9，1.6和1.5，取样间距为1 000.其中分形维数D采用结构函数法计算.

(1)

式中：α为采用最小二乘法拟合轮廓线与取样长度两种之间曲线的斜率.

图1　细集料微观形貌

沥青混合料的粘附性的表征方法包括接触角、粘附功、微观形貌等，其中微观形貌(见图2)具有形象、直观等特点，是一种较为便捷的粘附性表征手段.由图2可知，1#钢渣细集料组成的钢渣沥青混合料表面沥青较多，集料表面大多被沥青所包裹，粘附性较好；2#玄武岩细集料组成的钢渣沥青混合料表面沥青呈团状，集料表面沥青含量其次，粘附性较1#钢渣沥青混合料粘附性稍差；3#石灰岩细集料组成的钢渣沥青混合料表面基本由片状集料组成，沥青含量很少，粘附性较差.结合细集料粗糙度和分形参数可知，粗糙度越大，分形维数越大，钢渣沥青混合料的粘附性越好；粗糙度和分形维数与混合料粘附性呈正比.

图2　混合料微观形貌

2.3细集料接触角对混合料粘附性的影响

接触角是指气体-液体的切线与液体-固体交界线之间的夹角，可用来评价物质粘附性的好坏.选用钢渣、玄武岩、石灰岩3种细集料磨平后的表面与蒸馏水做接触角实验，结果见表3.石灰岩与蒸馏水的接触角最大(56°)，其次是玄武岩与水的接触角(53°)，钢渣与水的接触角最小(39°)，表明钢渣细集料的粘附性最好，玄武岩细集料的粘附性其次，石灰岩细集料的粘附性最差.马歇尔稳定度是指沥青混合料在规定温度和湿度条件下抵抗外加压力的能力，单位为kN.由表3可知，1#，2#，3#钢渣沥青混合料的马歇尔稳定度依次减弱，对比接触角和马歇尔稳定度实验数据可知，细集料接触角与钢渣沥青混合料马歇尔稳定度存在反比例关系，接触角越大，马歇尔稳定度越小.

表3　细集料接触角和混合料马歇尔稳定度

2.4细集料-沥青分子模型对钢渣沥青混合料粘附性的影响

分子模拟技术是一种利用计算机软件模拟实验，研究材料在特定温度和压力条件下性能变化的方法.图3分别列示了沥青-钢渣分子模型、沥青-玄武岩分子模型和沥青-石灰岩分子模型.在分子模型中，上面层为沥青模型，中间层为沥青-集料界面，下面层为集料模型.利用分子模拟技术研究沥青混合料的粘附性具有动态、直观、定量化的特点.

图3　分子模型

界面粘附能是用来衡量沥青与集料表面的相互作用力，是评价粘附性的重要参数之一，见表4.通过计算3种不同集料与沥青界面粘附能分析细集料对钢渣沥青混合料粘附性的影响.沥青-集料界面粘附能计算公式如下.

(2)

式中：E沥青为沥青表面能；E表面为集料表面能；E总为沥青-集料混合体系总内能.由表4可知，沥青和钢渣界面粘附能最大，为83 972.797 kJ·mol-1；沥青和玄武岩界面粘附能其次，为-17 689.070 kJ·mol-1；沥青和石灰岩界面粘附能最小，为-18 666.517 kJ·mol-1.界面粘附能结果表明，不同细集料与沥青粘附能相差较大，细集料对钢渣沥青混合料界面粘附能具有重要影响，特别是在细集料与粗集料不同的沥青混合料体系当中.

表4　沥青-集料界面粘附能　kJ·mol-1

2.5细集料粘附性的相关性检验

相关性检验是用来验证2个或2个以上相互关联指标之间的相关性.变量之间可以存在线性相关，也可以存在非线性相关，还可以存在隐性相关(即存在弱相关或不存在相关性).表5为粘附性参数的相关性检验.由表5可知，棱角性与沥青饱和度、粗糙度、分形维数、接触角、稳定度、粘附性存在非线性相关；沥青饱和度与粗糙度、分形维数、接触角、稳定度、粘附性存在线性相关；粗糙度与分形维数、接触角、稳定度、粘附性也存在线性相关；分形维数与接触角、稳定度存在线性相关，与粘附性存在非线性相关；接触角与稳定度、粘附性存在线性相关；稳定度与粘附性同样存在线性相关；且各相关性检验中相关性指数R2≥95%.同时，相关性检验结果表明，粘附性参数可以用沥青饱和度、粗糙度、接触角、稳定度等线性表示，细集料的部分参数可以很好地描述沥青混合料的粘附性，且具有很强的科学依据.

表5　粘附性参数的相关性检验

3结论

采用三维景深显微镜、扫描电镜和分子模拟等技术相结合的方法对细集料的组成和微观形貌进行分析，得出以下结论.

1) 细集料棱角性越好，混合料粘附性越强，棱角性与混合料粘附性呈正比，与沥青饱和度呈反比；粗糙度越大，分形维数越大，钢渣沥青混合料的粘附性越好；粗糙度和分形维数与混合料粘附性呈正比；接触角越大，马歇尔稳定度越小，接触角与混合料粘附性呈反比.

2) 不同细集料与沥青粘附能相差较大，细集料对钢渣沥青混合料界面粘附能具有重要影响，特别是在细集料与粗集料不同的沥青混合料体系当中.

3) 粘附性参数可以用沥青饱和度、粗糙度、接触角、稳定度线性表示，细集料的部分参数可以很好地描述沥青混合料的粘附性，且具有很强的科学依据.

参 考 文 献

[1]李景.全国目前钢渣累积堆存近10亿吨综合利用率仅为10%[N/OL]中国经济网,经济日报,2014.

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[7]张冬冬.沥青混合料集料几何特性研究[D].西安：长安大学,2010.

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[14]ZHOU X, WU S, LIU G, et al. Molecular simulations and experimental evaluation on the curing of epoxy bitumen[J]. Materials and Structures,2016,49:241-247.

Effect of Fine Aggregates on the Adhesive Properties of Steel Slag Based Asphalt Mixtures

YE Yong1)ZHOU Xinxing2)LIU Quantao3)

(GuangdongNanyueTransportationJieyang-HuilaiHighwayManagementCenter,Jieyang515325,China)1)(StateKeyLaboratoryofSilicateMaterialsforArchitectures,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)2)

Abstract：Fine aggregates are the major components of asphalt mixtures, which are very important to the adhesive properties of mixtures. Three-dimensional field microscope, scanning electron microscope and molecular simulation are used to evaluate the effects of morphology of fine aggregates on the adhesive properties of steel slag asphalt mixtures. Moreover, a microstructure based method is proposed to evaluate the adhesive property of the mixtures. It is found that the bigger the roughness and fractal dimension are, the better the adhesive properties of mixtures is. The roughness, contact angle and interface adhesive energy can well and scientifically describe the difference of the adhesive properties of asphalt mixtures.

Key words：fine aggregates; steel slag; asphalt mixtures; adhesive properties

收稿日期：2016-04-01

中图法分类号：TU528.42

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.006

叶勇(1973- )：男，硕士，高级工程师，主要研究领域为公路工程技术

*国家自然科学基金项目资助(51508433)