基于多尺度的含钢渣粉沥青及其混合料性能评价_白文君.pdf

2023 年第 4 期工程师园地中国 90%以上的高等级路面采用沥青路面，过去 5 年，中国交通道路总里程增加了约 10.7%，导致骨料和沥青使用量显著增加。因此，开发更绿色、更可持续的路面施工和养护材料已成为一项紧迫的任务。固体废物的回收利用被认为是减少自然资源开采的一种非常有前景的方法，钢渣是一种典型的固体废物1-5。据统计，全国钢渣每年产量上亿 t，然而有效利用率却低于 30%，累计存放钢渣超过 10 亿t，钢渣的大量堆积不仅占用土地资源，且对空气和水土资源造成污染6。钢渣当作集料用于道路建设是其再生利用的一条主要的途径7。多项研究表明，在沥青混合料中加入钢渣可以提高其耐磨性、防滑性和抗水损性能。然而，钢渣作为骨料替代石料尚存在诸多问题，例如，钢渣骨料的高度多孔结构增加了沥基于多尺度的含钢渣粉沥青及其混合料性能评价*白文君（南宁市建筑规划设计集团有限公司，广西 南宁 530002）摘要：钢渣用于道路建设是其再生利用的有效方式，为研究钢渣粉代替矿粉后对沥青及沥青混合料性能的影响，通过 SEM 对钢渣粉和矿粉的微观形貌进行分析，并制备不同粉胶比（0、0.6、0.9、1.2）的钢渣粉和矿粉沥青胶浆，通过三大指标及 DSR 试验对两种沥青胶浆的常规性能及高温流变性能进行研究，通过高温、低温、水稳定性试验分析含钢渣粉的沥青混合料的路用性能。结果表明，钢渣粉表面纹理粗糙，有着多孔结构，复杂的表面构造使它与沥青的结合能力强于矿粉。两种填料的加入吸附了沥青的轻质油分，使沥青胶浆针入度、延度、相位角降低，软化点、黏度、模量增大，但沥青本身黏弹特性没有发生改变。钢渣粉不仅提高了沥青混合料高温稳定性，同时，因其表面结构增强沥青与填料的黏结性进而增强混合物的抗剥离性，提高了沥青混合料抗水损害。关键词：道路工程；钢渣粉；填料；沥青；沥青混合料；中图分类号：U414文献标识码：APerformance evaluation of steel slag-containing powder asphalt and mixture based on multi-scale*BAI Wen-jun（Nanning Architectural Design Group Co.,Ltd.,Nanning 530002,China）Abstract:The purpose of this paper is to study the effect of steel slag powder on the performance of asphaltand asphalt mixture.First,the microscopic morphology of the two fillers is analyzed by SEM,and the mechanism ofaction of steel slag powder on asphalt is analyzed.Different powder-to-binder ratios（0,0.6,0.9,1.2）steel slagand asphalt mortar,the conventional performance and high temperature rheological properties of asphalt mortar arestudied through three major indicators and DSR test,and the road performance of asphalt mixture containing steelslag powder is analyzed through high temperature,low temperature and water stability tests.The results show thatthe complex surface structure of steel slag powder makes the binding ability of steel slag to asphalt stronger thanthat of mineral powder.The addition of the two fillers adsorbed the light oil content of the asphalt,which reducedthe penetration,ductility and phase angle of the asphalt mortar,and increased the softening point,viscosity andmodulus,but the viscoelastic properties of the asphalt itself did not change.The steel slag powder not only improvesthe high-temperature stability of the asphalt mixture,but also improves the water damage resistance of the asphaltmixture because of its surface structure,which enhances the adhesion between the asphalt and the filler,therebyenhancing the peeling resistance of the mixture.Key words:road engineering;steel slag powder;filler;asphalt;asphalt mixtureDOI：10.16247/ki.23-1171/tq.20230493Sum 331 No.4化学工程师ChemicalEngineer2023 年第 4 期收稿日期：2022-05-02基金项目：国家自然科学基金项目（51978116）作者简介：白文君（1979-），男，汉，广西南宁人，高级工程师，2007 年毕业于重庆交通大学道路与铁路工程专业，硕士研究生，现任南宁市建筑规划设计集团有限公司道路设计所副所长，主要从事道路桥梁设计及道路材料研究等方面的工作。2023 年第 4 期亲水系数0.700.661.00密度/g cm-32.683.392.50吸水率/%0.550.691.00粒径范围0.075mm98.499.975100性能指标矿粉钢渣规范要求表 1沥青常规指标Tab.1Conventional indexes of asphalt类型针入度25/0.1mm软化点/15延度/cm135布什黏度/Pa s70#67.352.51580.374白文君：基于多尺度的含钢渣粉沥青及其混合料性能评价青的成本和能源消耗8。钢渣中 CaO 可以与水反应，形成氢氧化物。这反过来又会导致钢渣膨胀并最终导致早期裂缝9，10。上述问题针对将钢渣用作骨料代替石料后产生的不利影响，对钢渣填料研究较少，填料是影响砂浆性能的关键因素之一，同时也缺乏用钢渣填料代替矿粉对沥青及沥青混合料路用性能的全面评价。文章首先通过 SEM 对钢渣粉的微观形貌进行分析，其次制备不同粉胶比的钢渣和沥青胶浆，通过沥青延度、针入度、软化点、黏度、复数模量、相位角等指标，研究不同类型沥青胶浆的常规性能及高温流变性能，最后通过路用性能试验分析钢渣粉对沥青混合料性能影响。从微观、细观、宏观角度分析钢渣粉替代矿粉的可行性和优势性。1实验部分1.1试剂及设备沥青（中石化东海 70#基质沥青）；钢渣粉（河北敬业钢渣厂）；集料（南宁市西乡塘区顺展石料厂）；矿粉（集料筛分所得）。沥青常规指标见表1，石料性能指标见表 2，填料钢渣和矿粉相关物理参数见表 3。高低温试验箱（无锡驰和试验仪器有限公司）；高速搅拌机（上海新勒机电科技有限公司）；SEM3100 型扫描电子显微镜（国仪量子技术有限公司）；PK-2801E1 型针入度测定仪（鹤壁市锐科仪器仪表有限公司）；PK-2806H 型软化点测定仪（鹤壁市锐科仪器仪表有限公司）；LYY-8 型延度测定仪（沧州鑫兴试验仪器有限公司）；DV-II+型布洛克菲尔（Brookfild）粘度计（美国）；AR2000 型动态剪切流变仪（美国）；RPCZ-2 型自动车辙试验仪（鹤壁市瑞普仪器仪表有限公司）；C44 型电子万能试验机（MTS 美特斯美国）；LWD-3A 型马歇尔稳定度测定仪（北京航天科宇）1.2试验方案（1）在微观层面，通过电镜扫描观察钢渣粉和矿粉的微观外貌，对比钢渣粉和矿粉表面结构，便于分析两种填料与沥青结合能力的强弱及其性能差异。（2）沥青胶浆的制备设计 4 个粉胶比，即矿粉与沥青的质量比为 0、0.6、0.9、1.2，由于钢渣密度大于矿粉，按公式 1 确定钢渣粉用量，用等体积钢渣代替矿粉。制备过程：分别称量钢渣粉和矿粉；用烘箱加热沥青，使沥青呈流动态，然后将粉体加入到沥青中；用搅拌机以 1000 r min-1搅拌 5min。ms=mfsf（1）式中ms、mf：钢渣和矿粉的质量，g；s和 f：钢渣和矿粉的密度，g cm-3。（3）从宏观角度，通过针入度、软化点、延度及布什黏度试验，研究不同粉胶比的沥青胶浆常规物理性能，分析钢渣粉和矿粉对沥青基本性能的影响规律。（4）从细观角度，通过 DSR 温度扫描试验得到复数模量、相位角指标，研究不同类型沥青胶浆的黏弹特性。DSR试验参数设置如下：平行板尺寸为25mm，平行板间距 1mm，实验采用应力控制模式，应力值为 0.12Pa，实验频率为 10r s-1。（5）最后通过车辙试验、三点弯曲试验，浸水马歇尔、冻融劈裂试验宏观评价混合料的路用性能。2结果与讨论2.1钢渣和矿粉的微观分析表 4 为钢渣粉和矿粉的主要成分表，图 1 为填料微观外貌。表 2集料性能实验结果Tab.2Experimental results of aggregate properties实验项目石灰岩碎石集料粒径/mm055101015压碎值/%/20.420.8洛杉矶磨耗损失/%17.920.422.8表观相对密度/g cm-32.7242.7232.737毛体积相对密度/g cm-3吸水率/%水洗法0.075mm/%与沥青粘附等级2.6890.580.64/2.6940.380.897.99.0/2.6970.480.678.09.25 级针片状颗粒含量/%9.5mm9.5mm表 3填料物理参数Tab.3Physical parameters of filler942023 年第 4 期表 4填料的成分（%）Tab.4Composition of fillers29.29.88.6003.9Fe2O3MaOLoss钢渣粉013.030.3矿粉94.21.80成分CaCO3SiO2CaO白文君：基于多尺度的含钢渣粉沥青及其混合料性能评价由表 4 可见，钢渣粉具有大量的 CaO 等碱式成份，沥青中酸式成分会与其发生反应，所得到的钙盐等表面活性物质附着于集料表层，可以提高沥青和集料颗粒之间的黏着性能，从而改善沥青混合料的水稳定性。由图 1 可见，有许多微小的颗粒粘附在钢渣粉的表面上，使其表面呈现出粗糙的特点，而矿粉的表面比钢渣粉的表面相对光滑，后者是不规则的、粗糙的和凹凸不平的，这可能会导致钢渣粉与沥青更加有效的粘结，从而提高强度和黏附性。2.2沥青胶浆常规物理性能图2为不同类型沥青胶浆三大指标及黏度变化。由图 2a 可见，沥青的延度随填料的加入而降低，降低幅度随粉胶比的增大而增大，填料加入后形成沥青胶浆，填料与沥青之间存在的界面作用，沥青的断裂不是单一的沥青之间的断裂，另一部分是填料和沥青的界面断裂，由此沥青低温性能变差。粉胶比为 0.6、0.9、1.2 时，矿粉胶浆延度值比钢渣胶浆分别提高了 5.7、3.3、1.4cm，相同粉胶比下