符 浩，姚立陽，馬先偉，呂大為，歐一文

(河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

鋼渣作為固體廢棄物排放量巨大，其回收利用率不足25%，與日本、歐美等發(fā)達國家80%以上的高利用率相比有很大的提升空間。同時，我國常見的瀝青路面中用的優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r材料日益匱乏，供不應(yīng)求導(dǎo)致材料成本增加，亟需找到相應(yīng)的替代材料[1-3]。科學(xué)認(rèn)識與處理鋼渣，把其用作道路工程材料可同時解決鋼渣廢棄物堆放與優(yōu)質(zhì)道路材料資源匱乏問題。

堿性鋼渣具有良好的棱角性與力學(xué)性能，可替代瀝青混合料中粗、細集料，眾多學(xué)者為此開展了相應(yīng)研究。曾國偉采用鋼渣替換AC-13級配中粒徑2.36 mm以上的石灰石粗骨料[4]；Hassan以AC-20級配為基礎(chǔ)，用鋼渣顆粒作為細集料替代石灰石進行研究[5]；沈凡與謝君對鋼渣混凝土的路用性能進行了相應(yīng)研究[6-7]。

大多研究者側(cè)重于把鋼渣作為集料進行研究，將磨細的鋼渣粉作為礦粉填料進行研究少有提及；一個重要原因是以往鋼渣的易磨性差，通過機械活化提高鋼渣膠凝性的經(jīng)濟成本增加，限制了鋼渣的綜合利用，導(dǎo)致其在填料方面的運用成本增加[8]。目前，對鋼渣易磨性進行的研究取得了一定進展，蔣亮發(fā)現(xiàn)改質(zhì)后鋼渣的易磨性顯著提升，經(jīng)二次粉磨之后,粒度分布由原來的100 μm量級進化到10 μm量級以內(nèi)，變化巨大[9]。

隨著技術(shù)不斷進步，使鋼渣粉作為填料運用在道路上的可能性大大提高，鋼渣粉作為堿性集料與瀝青中的酸性物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后，會增強膠漿的黏結(jié)性，因此，有必要對鋼渣作為填料運用于道路工程中開展更多研究。鋼渣瀝青膠漿的研究很少，對其分析時重點參考其他瀝青膠漿的研究成果與方案。研究者多從DSR、BBR及布氏黏度試驗方案中選擇若干個，采用不同類型瀝青及水泥、消石灰、赤泥及不同性質(zhì)的礦粉，改變實驗溫度與粉膠比，研究瀝青膠漿的高溫、低溫等流變性能[10-16]。部分研究者在常規(guī)瀝青三大指標(biāo)及其他實驗基礎(chǔ)上研究了膠漿的流變性能[17-18]。

不同材料組合下合適的粉膠比差別也會很大。許新權(quán)建議合適的粉膠比范圍為1.0～1.3[10]，而李曙斌建議合適粉膠比范圍為0.8～1.0[12]。本文以河鋼集團舞鋼公司生產(chǎn)的鋼渣作為研究對象，分析鋼渣瀝青膠漿性能，并以普通的石灰石礦粉瀝青膠漿作為對照組。

1 試驗方案

1.1 瀝青膠漿制備

借鑒已有研究成果，發(fā)現(xiàn)礦粉與瀝青的比值為0.6～1.6時形成的瀝青膠漿性能較好，眾多研究者也是在此范圍內(nèi)開展相應(yīng)研究。粉膠比過大，膠漿的低溫性能變差，本文選擇0.6、0.8、1.0、1.2、1.4五種粉膠比，對石灰石填料瀝青膠漿與鋼渣填料瀝青膠漿展開對比研究。

為了消除填料顆粒粒徑對瀝青膠漿性能的影響，試驗中所用鋼渣粉放置一年以上，鋼渣填料通過磨耗試驗機磨耗后再通過0.075 mm方孔篩篩分得到，實驗用石灰石填料也通過0.075 mm方孔篩篩分得到。具體方法如下：

(1)填料放入105 ℃烘箱中恒溫4 h，除去水分，保持干燥；(2)將一定質(zhì)量的瀝青加熱到150 ℃，保持溫度不變，稱量好的填料加入到瀝青中，不斷用小鐵勺人工攪拌，為了保證瀝青膠漿的均勻性，填料分2～3次加入；(3)填料完全加入到瀝青后繼續(xù)攪拌10 min，趁熱制備試驗所需的試樣。

1.2 瀝青三大指標(biāo)試驗

瀝青及其膠漿的針入度、延度、軟化點三大指標(biāo)試驗應(yīng)用很廣，為了減少人為因素影響，盡量減少試件移動中溫度的影響。針入度選擇了15 ℃、25 ℃、30 ℃三種溫度，隨后在這三種溫度下求解針入度指數(shù)并評價膠漿的感溫性能；延度試驗選擇了5 ℃、15 ℃、25 ℃三種溫度，分析膠漿在低溫及常溫下的抗開裂能力。軟化點實驗按照試驗規(guī)程進行，尋找膠漿變軟時滴落到底板上的溫度，依此來評價其高溫性能。

1.3 布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗

黏度試驗采用美國Brookfield DV-II型旋轉(zhuǎn)黏度儀，溫度選取時，參考許新權(quán)[11]，最終在110 ℃、135 ℃、175 ℃三種溫度進行布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗。

將制備好的瀝青膠漿試樣在烘箱中加熱到軟化點以上(100 ℃左右)保溫30～60 min備用，合適的轉(zhuǎn)子和盛樣筒放在己控溫至試驗溫度的烘箱中保溫，維持1.5 h；調(diào)平儀器，儀器設(shè)置到試驗要求的溫度，預(yù)熱5 min后取出膠漿試樣，適當(dāng)攪拌后加入盛樣筒。盛樣筒和轉(zhuǎn)子安裝完畢后保溫15～30 min后開始測試。每隔60 s讀1次數(shù)，取3次讀數(shù)的平均值作為測定值。

2 原材料性能

2.1 鋼渣基本性能介紹

鋼渣的含水量為0.62%，比表面積為410 m2/kg，其主要化學(xué)成分如表1所示。鋼渣為堿性集料，能與弱酸性瀝青發(fā)生化學(xué)結(jié)合，提高膠漿黏結(jié)力，磨耗后的鋼渣再通過0.075 mm篩孔篩分得到鋼渣粉。

表1 鋼渣主要成分 %

2.2 石灰石礦粉基本性能介紹

礦粉來自石灰石磨細后的粉狀顆粒，取樣來自施工現(xiàn)場，按照相應(yīng)規(guī)程測得技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 石灰石礦粉技術(shù)指標(biāo)

2.3 瀝青基本性能介紹

瀝青采樣地點為中亞路橋公司三工區(qū)夏李西拌和站，規(guī)格為70號A級，進行常規(guī)的瀝青針入度、延度、軟化點三大指標(biāo)試驗及布氏黏度試驗，試驗溫度如前所述，結(jié)果見表3。

表3 基質(zhì)瀝青基本性能

3 試驗結(jié)果分析

在對膠漿性能分析時，圖中圖例“SHJ”代表石灰石填料瀝青膠漿，“GZJ”代表鋼渣填料瀝青膠漿，fa代表粉膠比。軟化點僅直接顯示溫度，針入度、延度及黏度都顯示了三個溫度下的膠漿數(shù)值，計算得到針入度指數(shù)、黏溫指數(shù)來評價膠漿的感溫性能。

3.1 延度結(jié)果分析

低溫下瀝青膠漿材料呈玻璃態(tài)且比較脆，受力后容易開裂。延度試驗通過測定試件在一定條件下拉伸至斷裂的長度，間接反映了瀝青膠漿低溫下抵抗開裂的能力，其數(shù)值越大說明材料抗拉及抗開裂性能越好。鋼渣瀝青膠漿與石灰石瀝青膠漿在5 ℃、15 ℃、25 ℃三種溫度下延度隨粉膠比的變化規(guī)律，如圖1所示。

圖1 兩種瀝青膠漿延度隨粉膠比變化規(guī)律

圖2 兩種瀝青膠漿軟化點隨粉膠比變化規(guī)律

首先，兩種瀝青膠漿在三種溫度下的延度均小于基質(zhì)瀝青，所有粉膠比下的鋼渣瀝青膠漿的延度小于石灰瀝青膠漿，說明填料的加入降低了瀝青的低溫流變性能，鋼渣替代石灰石填料后膠漿的低溫變形性能會進一步降低。其次，在5 ℃、15 ℃較低溫度下，鋼渣瀝青膠漿比石灰瀝青膠漿減小的延度值，大部分在5 cm以內(nèi)，個別值略大，但都在10 cm以內(nèi)；溫度升高至常溫下的25 ℃，兩種膠漿延度差值明顯大于5 ℃、15 ℃的情況，大部分差值在10 cm以上。分析試件斷裂形狀時發(fā)現(xiàn)，較高溫度和較低粉膠比時，試件中間部位為均勻拉長的細絲，斷裂呈典型的黏性破壞；大粉膠比與低溫時，膠漿斷裂形式由黏性破壞轉(zhuǎn)化為脆性斷裂。粉膠比為0.6～1.0時，延度值基本呈線性減小趨勢，粉膠比為1.0～1.2時出現(xiàn)拐點，延度值減小趨勢加快，粉膠比1.4時延度值降低到很小。瀝青膠漿的粉膠比增加，其低溫流變性能與抗開裂能力明顯變差，選擇粉膠比時，鋼渣填料瀝青膠漿不宜大于1.0。

3.2 軟化點測試分析

瀝青膠漿的軟化點隨粉膠比的變化規(guī)律，如圖2所示。從圖2與表3可以看出：兩種膠漿的軟化點均高于基質(zhì)瀝青，說明石灰石礦粉及鋼渣粉的添加改善了瀝青的高溫性能。鋼渣瀝青膠漿與石灰瀝青膠漿的軟化點差別與粉膠比關(guān)聯(lián)很大。粉膠比為0.6～0.8時，鋼渣瀝青膠漿的軟化點略小于石灰石瀝青膠漿，差值在1 ℃內(nèi)，粉膠比1.0以上時，鋼渣瀝青膠漿的軟化點都高于石灰石瀝青膠漿，差值在2 ℃內(nèi)。軟化點均隨粉膠比增大而增大，但是在不同粉膠比下的增大趨勢不同；粉膠比0.6～0.8時增長幅度較小，近似線性增長；粉膠比0.8～1.2時增幅有所提升，粉膠比1.2～1.4時，迅速增長。膠漿與集料形成的瀝青混合料應(yīng)具有一定的高溫穩(wěn)定性，膠漿的軟化點數(shù)值較大比較合適，增速應(yīng)大于線性增長階段，故膠漿比應(yīng)大于0.8。

3.3 針入度及針入度指數(shù)結(jié)果分析

針入度試驗間接反映了瀝青的黏稠狀態(tài)，為了使結(jié)果更準(zhǔn)確，除了嚴(yán)格采取平行試驗外，本文在25 ℃試驗基礎(chǔ)上又增加了15 ℃、30 ℃ 兩種溫度下的針入度數(shù)值如圖3所示，依此計算出不同粉膠比的針入度指數(shù)，如圖4所示。。

圖3 兩種瀝青膠漿針入度隨粉膠比變化規(guī)律

圖4 兩種瀝青膠漿針入度指數(shù)粉膠比變化規(guī)律

從圖3、圖4可以看出：兩種瀝青膠漿的針入度均隨粉膠比增大呈逐漸降低趨勢，說明隨著粉膠比的增加膠漿的稠度增加，同一溫度下鋼渣瀝青膠漿的針入度明顯大于石灰瀝青膠漿，說明鋼渣瀝青膠漿的高溫性能優(yōu)于石灰石瀝青膠漿。在較低粉膠比下，隨著粉膠比增加，膠漿的針入度線性降低，與任俐璇的試驗結(jié)果接近[18]，但是隨著粉膠比持續(xù)增大，在1.0～1.2時針入度會出現(xiàn)明顯拐點，針入度降低的趨勢增加。結(jié)合軟化點試驗結(jié)果，從瀝青膠漿黏稠度和高溫穩(wěn)定性分析，采用的鋼渣瀝青膠漿粉膠比應(yīng)在1.0以上。

由15 ℃、25 ℃、30 ℃三種溫度的針入度數(shù)值計算得到針入度指數(shù)，其數(shù)值越大，瀝青膠漿性能越接近于固體狀的集料，其流動性及黏附性差；針入度指數(shù)越小，膠漿性能越接近于流體呈現(xiàn)黏流態(tài)，黏結(jié)力大幅度降低，抗變形能力也會逐漸喪失；在中間范圍內(nèi)時膠漿呈現(xiàn)高彈態(tài)，其高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性才能得到有效保證。計算得到基質(zhì)瀝青膠漿的針入度指數(shù)為0.37，屬于熔凝膠瀝青，本次試驗中添加石灰石或者鋼渣填料后，形成的膠漿針入度數(shù)值均大于5而小于10，因此數(shù)值越小認(rèn)為感溫性越好。

分析表明，鋼渣瀝青膠漿的針入度指數(shù)均大于石灰石瀝青膠漿。隨著粉膠比增加，二者的針入度指數(shù)逐漸增大，但是增大趨勢不同。在較小粉膠比時二者基本呈現(xiàn)線性緩慢增加趨勢，隨后出現(xiàn)拐點，超過拐點后，增速迅速增加；石灰石瀝青膠漿與鋼渣瀝青膠漿的拐點分別出現(xiàn)在粉膠比為1.2與1.0時，其原因是多余的填料導(dǎo)致的過大粉膠比，引發(fā)與瀝青未結(jié)合的填料出現(xiàn)“團聚”現(xiàn)象，膠漿性能更類似于固體集料，變硬變脆。從針入度指數(shù)觀察可知，鋼渣瀝青膠漿的粉膠比應(yīng)小于1.2。

3.4 黏度試驗結(jié)果分析

兩種膠漿的布氏黏度均隨粉膠比的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，如圖5～圖7所示，但是這種趨勢在175 ℃高溫時不明顯，在溫度110 ℃、135 ℃較為明顯。分析圖7也可以看出，在175 ℃時幾種粉膠比的鋼渣瀝青膠漿與石灰石瀝青膠漿布氏黏度差別很小。究其原因是高溫下膠漿的性能以黏流態(tài)為主，此時略微增大的粉膠比對膠漿性能影響不大。分析發(fā)現(xiàn)，不論是在何種溫度與粉膠比下，鋼渣瀝青膠漿的布氏黏度都大于石灰石瀝青膠漿，說明鋼渣瀝青膠漿的硬度偏大，稠度偏大。隨著粉膠比由0.6均勻地增加到1.4，膠漿布氏黏度增加幅度不同，低粉膠比時，基本上線性緩慢增加，在0.8～1.0時有明顯拐點，隨后布氏黏度增加明顯；拐點出現(xiàn)在0.8或者1.0附近。

圖5 兩種瀝青膠漿布氏黏度隨粉膠比變化規(guī)律

圖6 石灰瀝青膠漿布氏黏度隨溫度變化規(guī)律

圖7 鋼渣瀝青膠漿布氏黏度隨溫度變化規(guī)律

圖8 兩種瀝青黏溫指數(shù)隨粉膠比變化規(guī)律

圖6、圖7中不同粉膠比下不同溫度的兩種膠漿其變化趨勢幾乎一樣，說明鋼渣瀝青膠漿與石灰瀝青膠漿呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。黏溫曲線大致呈現(xiàn)冪函數(shù)的形式，與許新權(quán)等人的結(jié)論一致。選擇黏溫指數(shù)VTS進一步分析膠漿的感溫性能?？紤]到175 ℃時膠漿呈現(xiàn)黏流態(tài)，選擇110 ℃、135 ℃兩種溫度的布氏黏度值。采用Walther與Saal推薦的經(jīng)驗公式：

(1)

式中：T為攝氏溫度( ℃)，TK為開氏溫度(K),TK=T+273.13。

η為瀝青膠漿黏度，單位是Pa·s,由于采用布氏黏度儀，讀數(shù)單位是mPa·s，η×103數(shù)值就是黏度儀顯現(xiàn)的數(shù)字，η1,η2分別為溫度TK1，TK2對應(yīng)的黏度(mPa·s)，本文采用110+273.13與135+273.13兩個數(shù)值，計算得到黏溫指數(shù)隨粉膠比變化規(guī)律如圖8所示，計算得到的黏溫指數(shù)往往是負(fù)值，這是因為膠漿黏度與溫度是負(fù)相關(guān)，對應(yīng)計算得到黏度的兩次對數(shù)與溫度一次對數(shù)之間也是負(fù)相關(guān)，最終顯現(xiàn)的黏溫指數(shù)實際取絕對值。

由圖8可知：兩種瀝青膠漿的黏溫指數(shù)隨著粉膠比增大均呈現(xiàn)減小趨勢，這是因為作為石灰石或鋼渣粉的礦粉對瀝青起體積增強和物化增強作用，得到的膠漿性能與基質(zhì)瀝青(對應(yīng)的黏溫指數(shù)為3.54)相比有一定程度的改善。針入度試驗也反映了膠漿的感溫性能，其數(shù)值隨著粉膠比增大而逐漸增大，但是其數(shù)值越大說明感溫性越小，黏溫指數(shù)的絕對值越小其感溫性越小，粉膠比的增加降低了瀝青較為敏感的感溫性能。

黏溫指數(shù)雖然隨著粉膠比增大而減小，但是減小趨勢不同，在粉膠比0.6～1.0時，黏溫指數(shù)有較大幅度減小，粉膠比1.0以上時，這種減小趨勢明顯下降，粉膠比1.2與1.4時差別不大，充分說明：粉膠比大于1.2后，通過增大粉膠比來改善膠漿感溫性能的效果不顯著，考慮到粉膠比0.6～1.0時黏溫指數(shù)的下降趨勢較明顯，建議采用的粉膠比范圍為1.0～1.2。

4 結(jié)語

采用常規(guī)瀝青三大指標(biāo)與布氏黏度試驗對0.6、0.8、1.0、1.2、1.4五種粉膠比的鋼渣填料瀝青膠漿進行稠度、延展性能、高溫性能及黏度分析，對照石灰石填料瀝青膠漿，得到相應(yīng)結(jié)論。

(1)鋼渣瀝青膠漿的延展性能均小于石灰石瀝青膠漿，隨著粉膠比增大，膠漿的延展性能逐漸降低，粉膠比在0.6～1.0時，均勻線性減小，在1.0～1.2時減小趨勢加快，粉膠比1.4時延度值極小。

(2)二者的軟化點差值與粉膠比關(guān)聯(lián)很大，當(dāng)粉膠比0.6～0.8時，鋼渣瀝青膠漿的軟化點略小于石灰瀝青膠漿，在1 ℃以內(nèi)，當(dāng)粉膠比1.0～1.4時，鋼渣瀝青膠漿的軟化點略大于石灰瀝青膠漿，在2 ℃以內(nèi)。軟化點隨粉膠比增大其增速不同；當(dāng)粉膠比0.6～0.8時，近似線性緩慢增長，粉膠比0.8～1.2時增速加快，當(dāng)粉膠比1.2～1.4時，增速明顯加快。

(3)由于鋼渣本身的硬度大，同一溫度下鋼渣瀝青膠漿的針入度明顯大于石灰石瀝青膠漿，當(dāng)粉膠比在0.6～1.0時，針入度隨粉膠比增大近似線性增加，當(dāng)粉膠比1.0～1.2時出現(xiàn)拐點，針入度降低的趨勢增加。

(4)鋼渣瀝青膠漿的針入度指數(shù)均大于石灰石瀝青膠漿。隨著粉膠比增加，二者的針入度指數(shù)逐漸增大，但是增大趨勢不同。較小粉膠比下線性緩慢增加，隨后迅速增加，增速拐點出現(xiàn)在1.0～1.2。

(5)鋼渣瀝青膠漿布氏黏度均大于石灰瀝青膠漿，黏度隨粉膠比增大而增加，以粉膠比1.0為分界點，增速先慢后快，175 ℃下膠漿呈現(xiàn)黏流態(tài)，二者差別不大。

(6)黏溫曲線呈現(xiàn)冪函數(shù)形式，在110 ℃、135 ℃時計算得到的黏溫指數(shù)隨粉膠比增大呈現(xiàn)的減小趨勢以粉膠比1.0為分界點，減速前快后慢。

(7)鋼渣替代石灰石礦粉填料后，瀝青膠漿的高溫性能有所提升，低溫性能與感溫性能有所下降，建議合適的鋼渣瀝青膠漿粉膠比為1.0。