钢渣和镁渣对沿海环境下沥青-集料粘附性的影响研究

于翔飞，吕鹏程，王冬，卞思源，王瑞兴

（1.中交二公局第三工程有限公司，陕西 西安 710000；2.东南大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 211189；3.江苏省土木工程材料重点实验室，江苏 南京 211899）

0 引言

在沿海地区，由于海水盐雾环境和氯化物的侵蚀，水损害已成为沥青路面的主要损坏类型之一，并且还会导致其它路面病害问题的产生，严重影响沥青路面的使用寿命[1]。

动水压力造成的沥青-集料界面粘附性下降是沥青混合料水损害的主要原因。在沥青或沥青混合料中掺入抗剥落剂以改善沥青与集料的粘附性，是提高沥青混合料抗水损害性能的一种常用措施[2-3]。目前市场上的抗剥落剂主要有3类[4]：（1）无机类。以水泥、消石灰为典型代表，优点是成本低、效果好，但在混合料中分散不够均匀；（2）金属皂化物。以皂脚铁较常见，应用方便，但极易使沥青产生离析，已被逐渐淘汰；（3）高分子类。以胺类和非胺类2种聚合物抗剥落剂为主，尤其是热稳定性良好的非胺类抗剥落剂，在国内外工程建设中应用较多。但是高分子类抗剥落剂也存在成本高、制备工艺繁琐，依赖进口等问题。

相较而言，无机类抗剥落剂在实际应用中更加简便、成本也更低，其对于沥青混合料粘附性和沥青-集料界面性能的影响也得到了广泛的研究。张宏超和孙立军[5]通过模拟沥青老化试验，证明了抗剥落剂有利于提高沥青抗水损害能力。王延海[6]对无机类、胺类和非胺类3种抗剥落剂进行了稳定度试验和冻融劈裂试验，结果显示，无机类抗剥落剂的改善效果优于高分子类。

沥青呈弱酸性，而水泥、消石灰等无机类抗剥落剂呈强碱性，其在界面处发生的理化反应是影响沥青-集料界面性能的重要因素。Huang和ROBERTSON[7]研究了沥青-集料界面上的流变行为，发现集料表面会吸附沥青，并且发生物理化学反应。虞将苗和周文理[8]研究了微观尺度下沥青与集料的粘附作用，发现化学作用对沥青-集料界面粘附性影响显著，进一步论证了无机类抗剥落剂在沥青混合料性能改善过程中的作用机理。

综上可知，无机碱性物质有利于提高沥青-集料的粘附性和界面性能。而钢渣作为一种强碱类的固体废弃物，目前相关研究主要集中在其作为集料成型沥青混凝土[9-10]，对其磨细微粉与路面沥青相容性的研究甚少。李松等[11]研究了钢渣粉与沥青的粘结性，证明了钢渣微粉有应用于沥青混合料体系的潜力。而镁渣及其磨细微粉作为路用材料国内尚未见报道。

鉴于此，本研究利用钢渣和镁渣这2种固废材料作为沥青混合料的抗剥落剂，通过模拟沿海环境研究沥青-粗集料体系的粘附性，旨在探究钢渣、镁渣作为新型无机类抗剥落剂的可行性，拓宽这2种固废材料在路面材料领域的应用途径。

1 试验

1.1 原材料

（1）集料

混合料中所用粗集料分别为江苏产玄武岩和广东产石灰岩，其技术性能均符合JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》要求，粒径为13.2～19.0 mm。

（2）沥青

SK70＃基质沥青，性能符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》，其主要技术性能如表1所示。

表1 SK70＃基质沥青的主要技术性能

（3）沥青抗剥落剂

①消石灰：上海某公司生产，其主要技术性能如表2所示；②水泥：江苏某公司生产的P·Ⅰ52.5水泥，其性能符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求；③非胺类抗剥落剂：DS-1型，山东某公司生产，其主要技术性能如表3所示。

表2 消石灰的主要技术性能

表3 DS-1型抗剥落剂的主要技术性能

（4）固体废弃物

钢渣微粉：山西某公司；镁渣微粉：安徽某公司，钢渣微粉和镁渣微粉的主要化学成分如表4所示，粒径分布如图1所示。

表4 钢渣微粉和镁渣微粉的主要化学成分%

图1 钢渣微粉和镁渣微粉的粒径分布

1.2 试验方案

1.2.1 试样制备方法

选取符合粒径要求的集料，洗净后在120℃恒温干燥箱中干燥1 h以上，并根据试验内容制备不同的改性沥青，将集料浸入沥青中1 min，以便充分裹覆，然后取出，使其在空气中自然凝固15 min以上，即可制得试验所需试样。

1.2.2 酸、碱性集料的粘附性试验

参照JTG E20—2011，进行3 min的水煮法试验，分别研究无机类抗剥落剂和非胺类抗剥落剂对玄武岩（酸性）集料和石灰岩（碱性）集料粘附性的影响，以验证无机类抗剥落剂的改善效果，根据试验结果确定后续试验所采用的试验条件。

1.2.3 高盐高湿环境下沥青-集料的粘附性试验

（1）将钢渣、镁渣微粉作为抗剥落剂，按5%的掺量加入到70＃基质沥青中，充分搅拌，并对集料进行裹覆，利用水煮法评价粘附性。

（2）将用掺加5%钢渣或镁渣微粉的沥青裹覆后的集料在5%NaCl溶液中浸泡3、7 d，设置空白组，并通过水煮法试验观察沥青膜脱落情况，比较钢渣和镁渣微粉对沥青粗集料体系抗高盐、高湿环境能力的改善效果。

（3）利用自主设计的全自动干湿循环加速装置（见图2），以试块在30℃、5%NaCl溶液的盐雾环境中喷淋2 h并在30℃下干燥2 h为1次干湿循环，进行24 h的加速试验，定量计算沥青膜的脱落量，评价钢渣、镁渣微粉对沥青-集料体系在盐雾环境下粘附性的影响。

图2 全自动干湿循环装置示意

1.2.4 固废微粉改善沥青-集料粘附性的机理分析

取干燥的钢渣微粉和镁渣微粉进行溴化钾压片；将钢渣微粉、镁渣微粉与基质沥青加热到140℃，分别按质量比2∶1充分搅拌制备沥青胶浆，进行FT-IR光谱分析；同时设置基质沥青作为对照组。

为了研究固废微粉对于沥青-集料界面性能的改善效果，按照水胶比0.25制备水化钢渣胶浆和水化镁渣胶浆，并用其对集料进行表面裹覆，然后再将裹覆好的集料浸入基质沥青中1 min后取出，待其自然凝固后，静置于空气中，1、7 d后，利用水煮法试验评价其粘附性。刮取集料表面的水化产物，采 用XRD进行物相分析。

2 结果与讨论

2.1 集料和抗剥落剂类型对沥青-集料粘附性的影响

分别采用酸、碱性集料和不同种类抗剥落剂（水泥、消石灰、非胺类）制备试样，对沥青和集料的粘附性等级进行水煮法评价试验，结果如图3所示。

图3 集料和抗剥落剂类型对沥青-集料粘附性的影响

由图3可以看出：（1）无机类抗剥落剂和非胺类高分子抗剥落剂均明显提高了沥青-集料的粘附性至4～5级。因为沥青略显酸性，所以在加入抗剥落剂前后，沥青与碱性集料的粘附性都优于沥青与酸性集料的粘附性。（2）在无机类抗剥落剂中，消石灰的效果优于水泥，且与DS-1型抗剥落剂相比，消石灰的效果也相差无几，表明无机类抗剥落剂的改善效果并不逊于非胺类抗剥落剂DS-1。为了更好地体现钢渣微粉和镁渣微粉的抗剥落效果，后续试验选取玄武岩（酸性集料）为试验集料。

2.2 固废微粉对高盐高湿环境下沥青-集料粘附性的影响

采用掺加5%钢渣或镁渣微粉的沥青对酸性集料进行裹覆（改性沥青组）；同时，因为沥青-集料粘附性的失效主要是由于界面性能的下降，所以用固废微粉对集料进行裹覆（表面处理组）。又由于固废微粉的水化较慢[12]，尝试采用提前水化（即用水使微粉水化，浆体干燥后再裹覆沥青）的方式处理微粉，激发其胶凝性质后再对集料表面进行裹覆，然后浸入基质沥青中制得试样，分别静置1、7 d（分别为静置1 d、静置7 d组）后，利用水煮法试验，观察其对界面粘附性的影响，结果如图4所示。

图4 固废微粉对高盐高湿环境沥青-集料粘附性的影响

由图4可见，由于固废微粉的水化速率较低，胶凝物质生成慢，不论是掺加到沥青中还是在集料表面处理，成型后进行水煮法试验，其粘附性都只能达到3～4级。而采用提前水化的固废微粉裹覆集料后，沥青与集料的粘附性显著提高；当延长水化时间后，随着固废微粉水化产物的逐渐增加，其与沥青、集料的粘结性能也逐渐增强。用掺加钢渣微粉或镁渣微粉的沥青裹覆后的集料水化7 d后，其粘附性均能达到5级。

由于固废微粉的抗剥落效果需要通过水化反应实现，随着水化反应的进行，其对于沥青-集料粘附性的改善效果也不断增强。因此，配制5%NaCl溶液模拟海水进行浸水试验，采用水煮法评价其粘附性，结果如图5所示，试件的外观如图6所示。

图5 海水中浸泡时间对固废改性沥青-集料粘附性的影响

由图5可见，浸泡初期，掺加5%钢渣或5%镁渣微粉沥青中的固废微粉未得到充分水化，其对粘附性的改善效果并不明显。随着浸泡时间的延长，沥青中的固废微粉与环境水逐渐反应，生成胶凝物质，沥青-集料的粘附性不断提高。浸泡7 d时，掺加5%钢渣或5%镁渣微粉的沥青与集料的粘附性已达到5级，而用掺加镁渣微粉的沥青裹覆的集料表面有少许小孔（见图6），但粘附性也能达到4级。试验结果表明，固废微粉对沥青-集料体系抵抗高盐、高湿环境能力有显著的改善效果，而钢渣微粉的改善效果优于镁渣微粉。

图6 海水浸泡7 d后试样表面形貌

为了进一步研究在沿海环境下固废微粉对沥青-集料体系的影响，用掺5%钢渣微粉或5%镁渣微粉的沥青对集料进行裹覆，水养24 h使其充分水化后，利用全自动干湿循环装置进行24 h的5%NaCl盐雾干湿循环试验，结果如表5所示。

表5 沥青膜层的质量剥落率 %

由表5可见：经过24 h的盐雾干湿循环，基质沥青成型的沥青-粗集料试样，其表面沥青膜脱落近10%；而掺加钢渣、镁渣微粉的沥青成型的沥青-粗集料试样，其表面沥青膜层的脱落率仅为0.86%和1.48%。由此可见，钢渣、镁渣微粉作为抗剥落剂掺入基质沥青中，可有效提高沥青-集料在盐雾环境下的粘附性，延长服役寿命。

2.3 固废微粉对沥青-集料粘附性影响的机理分析

2.3.1 红外光谱分析

沥青与集料界面的粘附机理虽然复杂，但其本质依然是物理化学吸附作用。沥青中存在羧酸、酸酐、硫氧化物等官能团，易与碱性物质发生反应，提高粘附性。因此采用FT-IR分析基质沥青分别与钢渣微粉、镁渣微粉按质量比2∶1混合后所制的固废胶浆中官能团的变化，结果如图7所示。

图7 固废微粉和固废微粉改性沥青胶浆的红外光谱

由图7可见，3种沥青均在2750～3000 cm-1处出现了宽而散的吸收峰，这是羧酸官能团的典型特征峰，说明钢渣微粉、镁渣微粉的掺入并没有破坏沥青的酸性基团，这是沥青能与固废微粉发生反应产生粘附性的前提。1473 cm-1处为C—CH3不对称键振动峰；1380 cm-1处为—CH2—对称键伸缩振动峰[13]，掺入钢渣微粉后该处的吸收峰增强，而掺入镁渣微粉后几乎没有变化，正对应图7（a）中钢渣微粉、镁渣微粉在此处吸收峰的情况，可见钢渣微粉沥青胶浆组分之间产生了相互作用。而钢渣微粉、镁渣微粉在750～1200 cm-1处的Si—O键伸缩振动以及Si—H键弯曲振动[14]使得掺钢渣微粉、镁渣微粉的沥青胶浆均在此处出现了新的吸收峰，进一步表明钢渣微粉、镁渣微粉与沥青之间会发生一定的化学反应。化学反应必然会产生新的化学键，增强沥青与钢渣微粉、镁渣微粉之间的作用力。

2.3.2 XRD分析

去除试样表面的沥青层后，对集料与沥青层之间的水化物质进行XRD物相分析，结果如图8所示。

图8 钢渣微粉和镁渣微粉水化产物的XRD图谱

由图8可见，钢渣微粉和镁渣微粉中存在大量的Ca2SiO4和Ca3SiO5等具有水化活性的矿物相。这些矿物相会不断与水反应并生成具有胶凝特性的C-S-H凝胶[15]，提高沥青-沥青和沥青-集料之间的粘附性。但是，由于固废微粉中的杂质较多，水化速率较低，使其早期对于粘附性的影响并不明显。

3 结论

（1）钢渣微粉和镁渣微粉具有作为新型沥青抗剥落剂应用于道路建设的潜力，其对沥青-集料粘附性的改善效果与水泥、消石灰等传统无机类抗剥落剂相当，拓宽了这2种固体废弃物在路面工程相关领域的应用。

（2）掺入5%钢渣微粉或镁渣微粉使沥青-集料体系对沿海盐雾环境的抵御能力得到了大幅提升，其在高盐高湿环境下的粘附性均达到了4～5级，符合JTG E20—2011要求，在沿海地区的应用前景广阔。

（3）FT-IR分析表明，钢渣微粉、镁渣微粉的掺入使得基质沥青在750～1200 cm-1处出现了新的吸收峰，化学反应产生新的化学键增强了沥青与钢渣微粉、镁渣微粉之间的作用力，提高了改性 沥青与集料的粘附性。

（4）XRD分析表明，钢渣微粉和镁渣微粉中含有大量具有水化活性的物质，其水化产物C-S-H凝胶是水泥混凝土体系中的主要胶凝成分，极大地提高了沥青与集料之间的粘附性。