胡俊興，郭慶林，李懿明，李曉旭

（河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

我國每年開采的砂石超過22億噸，如此巨大的需求量必將加速砂石資源的枯竭［1］。而鋼渣作為一種工業(yè)廢棄物，其大量堆積對空氣、水體與土壤造成污染，破壞生態(tài)環(huán)境，如果能利用其耐磨、強(qiáng)度高、成本低等特點(diǎn)，鋼渣將會是一種潛在的性能優(yōu)良的工程集料，可在道路建設(shè)中發(fā)揮巨大的作用。但鋼渣中的游離氧化鈣在遇水后會生成Ca(OH)2導(dǎo)致鋼渣體積增加近一倍［2］，嚴(yán)重阻礙鋼渣在路面中的大規(guī)模應(yīng)用。研究表明醋酸溶液能夠有效地浸出鋼渣中的鈣離子，在合適的濃度與浸泡時(shí)間條件下，鈣離子的浸出率達(dá)到80%左右［3-4］，可降低鋼渣膨脹率76%以上［5］，因此可利用醋酸解決鋼渣膨脹率過高的難題。

下一步應(yīng)繼續(xù)探討鋼渣集料應(yīng)用于瀝青路面的可能性，粘附性作為一種檢驗(yàn)瀝青路面集料工程質(zhì)量的指標(biāo)，直接或間接影響著瀝青混合料的水穩(wěn)定性［6］，而水穩(wěn)定性對瀝青路面的壽命有著較大的影響［7］。但目前國內(nèi)對瀝青與集料粘附性的水煮、水浸方法，由于條件不嚴(yán)謹(jǐn)、結(jié)果分析主觀性等特點(diǎn)，一直都處于質(zhì)疑和改進(jìn)之中［8］。

基于此，本文為驗(yàn)證醋酸改性鋼渣作為良好工程集料的可能性，提出利用像素法評價(jià)醋酸改性鋼渣與瀝青的粘附性方法，該方法能夠更加快捷、定量地表征改性鋼渣的粘附性，為鋼渣的應(yīng)用增加科學(xué)依據(jù)。

1 原材料

選用的鋼渣為邯鋼鋼渣，性能見表1。

表1 鋼渣樣品性能Table 1 Properties of steel slag samples

選用東明產(chǎn)70號石油瀝青，并對基質(zhì)瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行濁定，結(jié)果見表2。

表2 70號瀝青基本性能指標(biāo)Table 2 Basic performance index of 70 asphalt

選用醋酸性能見表3。

表3 醋酸性能Table 3 Acetic acid performance

2 試驗(yàn)過程

2.1 粘附性試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011），對9.5mm粒徑鋼渣進(jìn)行水浸法試驗(yàn)如圖1所示，對13.2mm粒徑鋼渣進(jìn)行水煮法試驗(yàn)如圖2所示。

圖1 改性鋼渣水浸法試驗(yàn)Fig. 1 Water immersion test of modified steel slag

圖2 改性鋼渣水煮法試驗(yàn)Fig. 2 Boiling test of modified steel slag

2.2 像素法評價(jià)方法

（1）對水煮法/水浸法后鋼渣進(jìn)行拍照，過程中保證光照充分，將拍攝后圖像設(shè)置為同一像素。

（2）對拍攝后的鋼渣圖像進(jìn)行整體選擇，并調(diào)出“直方圖”工作欄，查看整體像素?cái)?shù)量p1。

（3）利用“顏色提取”工具對鋼渣表面的瀝青脫落面進(jìn)行選擇，在“直方圖”工作欄，查看瀝青脫落面的像素?cái)?shù)量p2，如圖3所示。

圖3 鋼渣表面瀝青脫落部分的像素Fig. 3 Pixels of asphalt shed on steel slag surface

（4）利用公式(1)計(jì)算瀝青剝落程度。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 水浸法評價(jià)瀝青與集料的粘附性

采用像素法對圖像進(jìn)行處理，并結(jié)合規(guī)范要求的粘附性等級表進(jìn)一步修正瀝青與集料粘附等級，結(jié)果見表4。

表4 水浸法醋酸改性鋼渣粘附性Table 4 Adhesion of steel slag by water immersion with acetic acid

由表4可知，9.5mm粒徑的改性鋼渣隨著浸酸時(shí)間的增加，鋼渣的粘附性呈現(xiàn)出下降的趨勢，3%體積分?jǐn)?shù)的醋酸短時(shí)間內(nèi)對鋼渣的粘附性影響較小，與未改性鋼渣粘附性相差不大。鋼渣浸泡在5%、10%體積分?jǐn)?shù)的醋酸中12h對粘附性影響最大，分別有44.7%以及47.3%的瀝青膜在浸水后發(fā)生脫落的現(xiàn)象。

另外，在評價(jià)鋼渣粘附性等級時(shí)，目濁法與圖像檢濁法出現(xiàn)明顯差別，粘附性等級為5級時(shí)，目濁法與圖像檢濁法結(jié)果基本一致；判定4級粘附性等級時(shí)，對于剝落率為14.5%的改性鋼渣會出現(xiàn)目濁法與像素法評價(jià)不一的情況；判定3級粘附性等級時(shí)，像素法計(jì)算鋼渣與瀝青膜剝落率分別為29.4%和30.8%，判斷粘附性等級為3級和2級，而傳統(tǒng)目濁法粘附性等級分別為2和3級。結(jié)果表明，在評價(jià)瀝青粘附性時(shí)，目濁法判定《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）要求的剝落面積為10%、30%的界限時(shí)會出現(xiàn)差異，實(shí)驗(yàn)過程中，33%情況下會出現(xiàn)目濁法與像素法評價(jià)粘附性等級不同的情況。

3.2 水煮法評價(jià)瀝青與鋼渣的粘附性

采用像素法對圖像進(jìn)行處理，并結(jié)合規(guī)范要求的粘附性等級表進(jìn)一步修正瀝青與集料粘附等級，結(jié)果見表5。

表5 水煮法醋酸改性鋼渣粘附性Table 5 Adhesion of steel slag modified by acetic acid by boiling method

由表5可知，13.2mm的改性鋼渣隨著浸酸時(shí)間的增加，鋼渣的粘附性呈現(xiàn)出下降的趨勢，浸泡在3%體積分?jǐn)?shù)/3h的醋酸中對鋼渣的粘附性影響較小，與未改性鋼渣粘附性相差不大。鋼渣浸泡在10%體積分?jǐn)?shù)/12h的醋酸中對其粘附性影響最大，出現(xiàn)近60%的瀝青膜浸水后脫落的現(xiàn)象。

另外，在評價(jià)鋼渣粘附性等級時(shí)，目濁法與圖像檢濁法出現(xiàn)明顯差別。粘附性等級為5級時(shí)，目濁法與圖像檢濁法結(jié)果基本一致；判定4級粘附性等級時(shí)，目濁法判定3組試件均達(dá)到要求，而像素法則判定均未達(dá)到4級粘附性等級，剝落率分別為13.1%、10.9%、10.4%，均超過規(guī)范要求的剝落面積不大于10%。；判定3級粘附性等級時(shí)，對于24.3%剝落率的改性鋼渣粘附性判斷出現(xiàn)差異。判定2級粘附性等級評價(jià)一致。結(jié)果表明：水煮法評價(jià)改性鋼渣粘附性時(shí)，目濁法在10%、30%界限判斷時(shí)會出現(xiàn)差異，實(shí)驗(yàn)過程中會出現(xiàn)44%情況下目濁法與像素法評價(jià)粘附性等級不同的情況。

3.3 不同的粘附性試驗(yàn)對改性鋼渣粘附性的影響

對水浸法、水煮法下不同改性鋼渣的剝落率進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4所示。

圖4 醋酸改性鋼渣在不同評價(jià)方法下的剝落率Fig. 4 Peeling rate of steel slag modified by acetic acid under different evaluation methods

由圖4可以看出，未改性鋼渣的剝落率分別為0.6%、0.7%，與瀝青粘附性能良好。而改性后的鋼渣，其粘附性均有所降低。從整體來看，水浸法與水煮法評價(jià)改性鋼渣的粘附性等級時(shí)，結(jié)果基本一致。改性后的鋼渣其粘附性相較與未改性鋼渣明顯降低，可能是由于酸改性，消耗掉鋼渣表面大量的堿性物質(zhì)，導(dǎo)致其粘附性降低。雖然醋酸改性能增加鋼渣表面的微小孔隙［9］，提高鋼渣與瀝青的物理吸附作用，但從其粘附性結(jié)果來看，這種物理吸附作用明顯低于瀝青與鋼渣堿性物質(zhì)之間形成的化學(xué)粘結(jié)作用。

由圖4也可以看出，12h的浸酸時(shí)間對鋼渣的粘附性均產(chǎn)生較大影響，鋼渣的粘附性均降低至粘附性2級，浸泡時(shí)間對鋼渣粘附性的影響為12h>6h>3h。多數(shù)的改性鋼渣剝落率處于在10%～30%之間，此區(qū)間的醋酸改性鋼渣的數(shù)量占其總數(shù)的50%左右，不滿足《道路用鋼渣》(GB/T 25824-2010）規(guī)定的瀝青混合料用鋼渣粘附性等級不小于4級的要求。因此考慮到實(shí)際需要，多數(shù)醋酸改性鋼渣處于3級粘附性等級，建議在拌和瀝青混合料時(shí)加入抗剝落劑，以提高鋼渣與瀝青的粘附性。

4 結(jié)論

本文采用像素法，探討了醋酸改性鋼渣在不同改性條件下的粘附性，通過試驗(yàn)可以得到如下結(jié)論。

（1）9.5mm、13.2mm的醋酸改性鋼渣在水煮法、水浸法中的粘附性變化規(guī)律基本相同，兩種粘附性評價(jià)試驗(yàn)差異并不顯著。目濁法在10%、30%剝落面積界限判定時(shí)會出現(xiàn)失誤，整體失誤率在30%～40%左右。

（2）醋酸改性能增加鋼渣表面的微小孔隙，提高鋼渣與瀝青的物理吸附作用，但其效果明顯低于瀝青與鋼渣堿性物質(zhì)之間的化學(xué)粘結(jié)力形成的作用。

（3）考慮到實(shí)際需要，50%情況下醋酸改性鋼渣處于3級粘附性等級，建議在拌和瀝青混合料時(shí)加入抗剝落劑，提高鋼渣與瀝青的粘附性等級，達(dá)到不小于4級的要求。