考虑集料-胶浆粘附性能的钢渣沥青混凝土体积稳定性改善研究

2021-05-06林振华孟秀元孙建龙

建材世界 2021年2期

林振华,程千,孟秀元,孙建龙

(1.武汉理工大学硅酸盐材料工程研究中心,武汉 430070; 2.山西路桥第二工程有限公司,临汾 041000;3.山西路桥集团阳蟒高速公路有限责任公司,晋城 048100)

当前沥青路面的建设需要消耗大量的优质天然碎石集料，其严重影响着资源节约型、环境友好型交通行业的建设，寻找天然集料的替代材料是道路建设可持续发展的必然途径。钢渣是伴随炼钢过程产生的一种废弃物，其产生量约为粗钢产量的12%～20%，数量巨大。我国是钢铁生产大国，钢渣的产生量更是惊人，目前积存的钢渣量超过3亿t，而钢渣的综合利用率不超过30%[1-3]。钢渣虽是一种典型的工业废弃物，但其强度高、耐磨，这些优势正好是沥青混凝土用集料所需要的。因而，考虑到路面对集料的高消耗性，如果能将钢渣作为集料应用于沥青路面的建设，必将显著提升钢渣的利用率。目前针对钢渣沥青混凝土开展了大量的研究工作，尽管实验室检测以及现场检测结果均表明钢渣沥青混凝土具有优异的路用性能[4,5]，但其在实际工程中的广泛应用仍然受到很大限制。钢渣中游离氧化钙(f-CaO)活性较高，遇水或者在潮湿的环境下极易转化为氢氧化钙而产生显著的体积膨胀。正是因为钢渣潜在的体积膨胀效应阻碍了钢渣沥青混凝土的广泛使用[6,7]。对钢渣进行陈化处理是目前使用最多、成本最低的改善钢渣体积稳定性的方式：将钢渣置于自然环境下，使其与水分充分反应，提前消除其表面的活性物质，从而提高体积稳定性，但陈化处理后的钢渣体积稳定性仍有很大的变异性，表明钢渣均质性差且离散性高。这主要受两方面因素的影响，一是钢渣成分复杂且多变，f-CaO在不同钢渣集料颗粒中存在的状态、位置以及含有的数量千差万别；二是钢渣在自然环境下进行陈化处理，反应条件也不稳定。这两方面的因素造成钢渣中的f-CaO难以在短时间内完全消除。

改善钢渣沥青混凝土的体积稳定性是促进其广泛使用的关键。该文旨在改善钢渣沥青混凝土的体积稳定性，从集料与胶浆间的作用出发，通过调整沥青胶浆的组分来增强钢渣-胶浆粘附界面，从而避免水分破坏胶浆层与钢渣表面接触，切断f-CaO反应必备的条件，达到提高钢渣沥青混凝土体积稳定性的目的。

1 原材料

粗集料选用钢渣(大于4.75 mm)，细集料选用普通的石灰岩(小于4.75 mm)，填料采用粗钢渣粉和矿粉，分别通过磨制钢渣和石灰岩而获得，沥青胶结料采用SBS改性沥青。按照我国现行的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)和《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)对集料、填料以及沥青的基本物理性能指标进行测试，测试结果见表1～表4。结果显示所选用的原材料基本物理性能指标全部符合我国现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的技术要求，可作为沥青混凝土的原材料使用。

表1 粗集料基本物理性能指标

表2 细集料基本物理性能指标

表3 填料基本物理性能指标

表4 SBS改性沥青基本物理性能指标

2 试验方法

该文开展三方面的工作：1)采用XRD分析钢渣的矿物相特征，基于XRD分析结果，从理论上说明研究中通过改变胶浆中填料的种类(采用钢渣粉替代矿粉)来改善钢渣沥青混凝土体积稳定性的可行性。2)通过水煮实验分析钢渣与沥青胶浆间的粘附性能，水煮实验的操作过程为：(1)选粒径为16 mm的钢渣颗粒洗净、烘干备用；(2)将钢渣粉和矿粉分别与SBS改性沥青在170 ℃左右下进行拌合，制备出沥青胶浆，填料的体积掺量为沥青的20%；(3)随后将同样预热至170 ℃左右的钢渣颗粒悬于沥青胶浆中，使胶浆充分包裹钢渣颗粒的表面；(4)将冷却至室温的沥青胶浆包裹颗粒悬于微沸水中进行水煮破坏。按照公式(1)计算钢渣颗粒表面沥青胶浆层的剥落率。3)按照马歇尔标准方法设计钢渣沥青混凝土，粗集料、细集料以及填料的合成级配曲线如图1所示。通过浸水膨胀实验确定钢渣沥青混凝土的体积稳定性，浸水膨胀实验操作过程比较简单：将采用钢渣沥青混凝土制备的马歇尔圆柱体试件置于60 ℃水浴中，每24 h记录一次圆柱体试件的高度和直径，从而计算出试件体积的变化。按照式(2)计算马歇尔试件的体积膨胀率。

(1)

式中，B为钢渣颗粒表面沥青胶浆的剥落率，%；Ms为钢渣颗粒的干重，g；Msm为沥青胶浆包裹的钢渣颗粒干重，g；Msmi为水煮imin后，沥青胶浆包裹的钢渣颗粒残余干重，g。

(2)

式中，P为钢渣沥青混凝土马歇尔试件的体积膨胀率，%；V0为马歇尔试件的初始体积，cm3；Vh为马歇尔试件浸水处理hh后的体积，cm3。

3 结果与讨论

钢渣的XRD图谱如图2所示，从图2中可以看出，衍射峰众多且存在重叠，说明钢渣所含的矿物相种类非常复杂。对图谱进行物相匹配分析，结果表明钢渣主要含有硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、金属相关的物相(金属铁、各种金属的氧化物及其相互交融形成的固溶体)和少量的f-CaO。尤其是C3S和C2S，对应的衍射峰强度均很高，说明硅酸盐矿物在钢渣中的占比非常大。通过XRD对钢渣所含矿物进一步开展定量分析，结果表明钢渣中硅酸盐矿物的含量达到55%～65%，f-CaO约为3%～11%。f-CaO和丰富的硅酸盐矿物赋予钢渣非常好的碱性，而石灰石主要含有的矿物相为CaCO3，其碱性远不如钢渣。因此采用钢渣粉替代普通的石灰石矿粉作为填料用于制备沥青胶浆，理论上可改善沥青与填料的相容性、增强沥青胶浆与钢渣集料间的粘附。

沥青胶浆包裹的钢渣颗粒经不同时间水煮破坏后，颗粒表面沥青胶浆的损失情况如图3所示。从图3中可以看出，不管是钢渣粉沥青胶浆还是普通矿粉沥青胶浆，随着水煮时间的延长，其从钢渣颗粒表面剥落的比例都显著升高。当水煮时间达到20 min时，钢渣粉沥青胶浆和矿粉沥青胶浆的损失率均超过了30%，后者甚至达到了40%，说明热水对沥青胶浆的破坏非常显著。但相比于矿粉沥青胶浆，钢渣粉沥青胶浆仍然占据非常大的优势，相同水煮时间下，钢渣粉沥青胶浆从钢渣颗粒表面剥落的比例低于矿粉沥青胶浆的损失。随着水煮时间的延长，钢渣粉沥青胶浆的优势进一步扩大，水煮破坏达到20 min时，钢渣粉沥青胶浆与矿粉沥青胶浆的损失率数值上相差了约8%，明显高于水煮破坏5 min时的水平(两者数值上相差约3.5%)，说明在长时间热水破坏下，钢渣粉沥青胶浆包裹的钢渣颗粒耐久性更佳，这得益于钢渣粉对胶浆-钢渣颗粒粘附性能的改善。

钢渣沥青混凝土马歇尔试件浸水膨胀实验结果如图4所示。从图4中可以看出，以矿粉胶浆或钢渣粉胶浆为粘结成分的钢渣沥青混凝土同样对热水非常敏感，随着浸泡时间的增加，两种类型的钢渣沥青混凝土马歇尔试件的体积膨胀效应均越发显著。经过5 d的热水浸泡，以矿粉胶浆为粘结成分的钢渣沥青混凝土马歇尔试件(简称为矿粉胶浆马歇尔试件)的体积膨胀率达到2%，以钢渣粉胶浆为粘结成分的沥青混凝土马歇尔试件(简称为钢渣粉胶浆马歇尔试件)体积膨胀率也达到了1.2%。但后者依然表现出明显优势，在任意相同热水浸泡时间下，钢渣粉胶浆马歇尔试件的体积膨胀效应低于矿粉胶浆马歇尔试件，浸泡时间从1 d延续到5 d的过程中，两者体积膨胀率数值上的差别也从0.2%扩大到0.8%。由此说明钢渣粉沥青胶浆可改善钢渣沥青混凝土遭受长期热水破坏时的体积稳定性。根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的技术要求，钢渣沥青混凝土热水浸泡3 d后的体积膨胀率不应高于1.5%。即便是热水浸泡5 d，钢渣粉沥青胶浆马歇尔试件的体积膨胀率依然满足要求，说明采用钢渣粉替代矿粉与沥青制备成胶浆可有效改善钢渣沥青混凝土的体积稳定性。