劉明金， 鄧覃浩， 柯望， 甘有為

(1.萍鄉(xiāng)公路勘察設(shè)計(jì)院， 江西 萍鄉(xiāng) 337000；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

鋼渣(SS)具有質(zhì)地堅(jiān)硬、外觀多孔、棱角豐富、表面粗糙、強(qiáng)度高、耐磨性好、抗凍性好等物理及力學(xué)性能，它多孔且是堿性集料，能更好地黏附瀝青。將鋼渣用作瀝青混合料集料的研究表明，鋼渣集料表面包裹的瀝青在水作用下乳化、脫落，脫落后鋼渣與水接觸，其中游離氧化鈣(f-CaO)水化后體積膨脹，產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力，從而加速鋼渣瀝青混合料路面的開裂，對(duì)行車造成不利影響，嚴(yán)重影響路面的耐久性。同時(shí)鋼渣孔隙率高，應(yīng)用于瀝青混凝土路面時(shí)瀝青用量相比石灰?guī)r更大。鋼渣遇水膨脹和鋼渣孔隙率太大成為鋼渣應(yīng)用于瀝青混凝土路面的兩大技術(shù)難題。章照宏等研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)鋼渣預(yù)處理如陳伏、研磨、防水抗油劑浸泡等方式可以抑制鋼渣瀝青混合料的體積膨脹。朱光源研究常溫下浸水處理、單摻礦物材料及復(fù)合摻礦物材料等3種鋼渣預(yù)處理方式，取得了一定效果。郭其杰選擇水玻璃(Na2SiO4)、有機(jī)硅樹脂及硅烷偶聯(lián)劑3種溶液對(duì)再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化處理，結(jié)果表明有機(jī)硅樹脂對(duì)再生骨料的處理效果最好，其強(qiáng)度、吸水性能提高顯著。王川采用改性材料浸泡處理鋼渣，發(fā)現(xiàn)改性鋼渣的抗水侵蝕脹裂性能得到明顯提升。本文以萍鄉(xiāng)鋼鐵有限責(zé)任公司的鋼渣為依托，在參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)研究和工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇水泥凈漿(CP)、硅烷偶聯(lián)劑(SCA)、聚乙烯醇溶液(PVA)及環(huán)氧丙烯酸改性有機(jī)硅樹脂(EAOR)4種表面改性劑，采用拌和法或浸泡法對(duì)鋼渣進(jìn)行表面改性處理，通過(guò)評(píng)價(jià)表面改性處理前后鋼渣的吸水率、壓碎值及與瀝青的黏附性確定最優(yōu)鋼渣表面改性劑。

1 鋼渣表面處理和鋼渣集料試驗(yàn)

1.1 鋼渣表面處理方式

目前鋼渣表面改性方式主要分為霧噴法、拌和法、浸泡法3種。霧噴法通常是將改性劑通過(guò)霧噴器以霧狀形式噴到鋼渣表面進(jìn)行改性，具有節(jié)約改性劑的優(yōu)點(diǎn)，改性面積相同的情況下改性劑用量最少。但由于鋼渣表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔洞較多，采用霧噴法不能將復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域覆蓋，鋼渣表面改性面積小。拌和法是將一定質(zhì)量的改性劑直接加入鋼渣中，通過(guò)機(jī)械拌和使改性劑均勻分布在鋼渣表面。對(duì)于表面構(gòu)造復(fù)雜、多孔的鋼渣，拌和法中的改性劑以液體形式存在能有效流動(dòng)填充到各個(gè)區(qū)域，3種方法中其改性劑用量居中。浸泡法是將鋼渣浸泡到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改性劑中，改性劑充分填充到鋼渣每個(gè)區(qū)域，在鋼渣表面形成一層完整的改性層，具有優(yōu)秀的改性效果。缺點(diǎn)是改性劑用量大、成本高，同時(shí)對(duì)作業(yè)場(chǎng)地要求高，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。這里采用拌和法或浸泡法對(duì)鋼渣表面進(jìn)行處理。

1.2 表面處理改性劑

(1) 水泥凈漿(CP)。水泥是工程上用途最廣的一種材料，使用水泥對(duì)鋼渣進(jìn)行表面處理具有造價(jià)低、操作簡(jiǎn)單、黏附性好等優(yōu)點(diǎn)。水泥屬于水硬性膠凝材料，其中含有大量硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣及鐵鋁酸四鈣，這些礦物成分是影響水泥水化的主要因素，水泥水化后生成水化硅酸鈣凝膠及氫氧化鈣晶體，最終硬化成堅(jiān)固的水泥石?？紤]到水泥在初凝前具有較好的流動(dòng)性，能充分填充鋼渣的孔隙，包裹鋼渣表面，起到隔水、增強(qiáng)的作用，選擇水泥凈漿作為鋼渣表面處理改性劑。

(2) 硅烷偶聯(lián)劑(SCA)。鋼渣表面經(jīng)過(guò)SCA處理后形成一層薄膜可以起到隔水的作用，使水不容易與鋼渣接觸，從而達(dá)到抑制瀝青混凝土遇水膨脹的作用，同時(shí)降低鋼渣集料空隙率，增強(qiáng)鋼渣與瀝青的黏附性。因此，選擇SCA作為鋼渣表面改性劑。

(3) 聚乙烯醇溶液(PVA)。對(duì)多孔隙再生骨料的研究發(fā)現(xiàn)，一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PVA可以很好地彌補(bǔ)骨料多孔隙的缺陷，減小再生骨料空隙率，降低再生骨料吸水率，提高再生骨料強(qiáng)度。鋼渣存在多孔隙，故選擇PVA作為鋼渣集料表面處理改性劑進(jìn)行試驗(yàn)研究。

(4) 環(huán)氧丙烯酸改性有機(jī)硅樹脂(EAOR)。EAOR由含苯基甲基的有機(jī)硅中間體與環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂等經(jīng)過(guò)特殊加工工藝制備而成，主要用于建筑防水涂料(如真石漆)、汽車面漆等。丙烯酸樹脂具有黏結(jié)性強(qiáng)、成膜性高的特點(diǎn)，但耐水性能差；環(huán)氧改性丙烯酸樹脂具有化學(xué)穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好、黏結(jié)性能好等特點(diǎn)；有機(jī)硅材料具有優(yōu)秀的耐熱、耐氧化性能且表面能低，具有一定的防水性。EAOR兼具環(huán)氧丙烯酸樹脂的黏結(jié)性強(qiáng)、成膜性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定與有機(jī)硅材料的耐高溫、防水等優(yōu)點(diǎn)，故選用EAOR對(duì)鋼渣集料進(jìn)行表面改性處理。

1.3 試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)

鋼渣集料表面處理的目的是解決鋼渣中游離氧化鈣遇水引起的體積膨脹和鋼渣孔隙率大導(dǎo)致的吸收瀝青系數(shù)大，鋼渣瀝青混合料油石比偏大的問(wèn)題。選擇9.5～13.2 mm粒徑鋼渣，采用CP、SCA、PVA及EAOR 4種表面改性劑處理后，通過(guò)對(duì)比鋼渣集料改性前后吸水率、壓碎值和與瀝青的黏附性的變化來(lái)評(píng)價(jià)鋼渣表面改性效果。依據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行吸水率和壓碎值檢測(cè)，依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》檢測(cè)瀝青與鋼渣集料的黏附性。吸水率降低程度越大，鋼渣集料瀝青吸收系數(shù)越小，改性效果越好。通過(guò)拌和法或浸泡法使集料表面包裹一層改性劑膜，通過(guò)鋼渣集料改性前后壓碎值的變化，檢驗(yàn)改性劑的強(qiáng)度和鋼渣與改性劑的包裹黏結(jié)力，壓碎值降低越大，效果越好；通過(guò)與瀝青的黏附性試驗(yàn)，檢測(cè)評(píng)價(jià)改性劑與瀝青的黏附能力，黏附等級(jí)越高，黏附性越好。

2 鋼渣表面改性試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1 水泥凈漿表面處理鋼渣

水泥采用中材萍鄉(xiāng)水泥有限公司生產(chǎn)的32.5級(jí)礦渣硅酸鹽水泥，其技術(shù)指標(biāo)和強(qiáng)度等級(jí)滿足GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求。

分別按未改性和水灰比0.3、0.4、0.5調(diào)制水泥凈漿液，稱取300 g粒徑為 9.5～13.2 mm的鋼渣，采取浸泡法進(jìn)行改性處理。試驗(yàn)過(guò)程：根據(jù)不同水灰比調(diào)制水泥凈漿液，將洗凈的鋼渣倒入水泥漿中不斷攪拌15 min以盡量排除鋼渣孔隙中空氣，使水泥漿充分浸潤(rùn)鋼渣；將鋼渣從水泥漿中撈出放入托盤中，蓋上保鮮薄膜防止水分蒸發(fā)，靜置1 d后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d后得到水泥凈漿改性鋼渣CPSS(見(jiàn)圖1)。鋼渣改性前后吸水率、壓碎值檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖1 CPSS圖像

圖2 SS和CPSS的吸水率、壓碎值試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從圖2可以看出：與SS相比，CPSS的吸水率和壓碎值隨著水灰比的減小呈降低趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谙嗤瑮l件下鋼渣表面覆蓋的水泥水化層越密實(shí)，改性鋼渣的吸水率越小，改性層越密實(shí)強(qiáng)度越高，壓碎值越小。水灰比為0.4時(shí)，CPSS的吸水率降低到1.98%，比SS降低15.4%；壓碎值降幅為6.1%。水灰比從0.4降低到0.3時(shí)，CPSS的吸水率、壓碎值降幅不明顯。據(jù)此確定CPSS的最佳水灰比為0.4。即使水灰比降低到0.3，CPSS的吸水率依然高達(dá)1.96%，這是因?yàn)樗嘣谒^(guò)程中始終會(huì)留下一部分毛細(xì)孔，同時(shí)水泥水化是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，本次試驗(yàn)中試樣僅養(yǎng)護(hù)28 d，28 d后水泥水化仍在繼續(xù)，可能是其毛細(xì)孔數(shù)量進(jìn)一步增加導(dǎo)致吸水率高。

2.2 硅烷偶聯(lián)劑表面處理鋼渣

采用江蘇晨光公司生產(chǎn)的硅烷偶聯(lián)劑KH-550，它是一種無(wú)色透明液體，25 ℃下的相對(duì)體積質(zhì)量為0.946、折光率為1.41～1.422，沸點(diǎn)為217 ℃。KH-550的分子結(jié)構(gòu)中含有兩種化學(xué)性質(zhì)不同的功能團(tuán)，一種親有機(jī)物，一種親無(wú)機(jī)物，因而它可以將有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料黏合在一起。KH-550經(jīng)過(guò)水解生成—OH，硅烷上的—OH可以與被處理材料表面的羥基—OH通過(guò)氫鍵連接起來(lái)，再經(jīng)過(guò)脫水聚合生成—O—共價(jià)鍵，進(jìn)而使改性劑牢固地吸附在被處理材料表面。文獻(xiàn)[19]的試驗(yàn)結(jié)果表明，KH-550的最佳水解配方為m(KH-550)∶m(水)∶m(乙醇)=5∶45∶50，最佳水解時(shí)間為20 min。

采用拌和法處理鋼渣表面，方法如下：將配置好的KH-550水解溶液分別按照鋼渣質(zhì)量的2%、4%、6%進(jìn)行表面處理，不斷拌和鋼渣使改性劑均勻附著在鋼渣表面，隨后將被改性劑潤(rùn)濕的鋼渣放入烘箱中，考慮到瀝青混合料生產(chǎn)過(guò)程中集料預(yù)熱溫度，將烘箱溫度調(diào)整至160 ℃固化30 min，鋼渣自然冷卻后得到SCA改性鋼渣SCASS(見(jiàn)圖3)。用鏟子將SCASS充分分散后進(jìn)行吸水率與壓碎值測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖3 SCASS圖像

從圖4可以看出：經(jīng)過(guò)KH-550處理后的鋼渣，吸水率有所下降，但下降幅度不大。KH-550水解溶液摻量達(dá)到鋼渣質(zhì)量的4%時(shí)，吸水率降到2.13%，降幅為9.0%；摻量大于4%時(shí)對(duì)鋼渣吸水率的影響不明顯。經(jīng)過(guò)KH-550改性后鋼渣的壓碎值變化不明顯，降幅僅為1.1%。KH-550具有一定的隔水作用，改性后鋼渣吸水率有所降低，但其在鋼渣表面形成的膜并不連續(xù)、致密，導(dǎo)致改性后鋼渣吸水率仍然偏高，壓碎值無(wú)明顯強(qiáng)化。

圖4 SS和SCASS的吸水率和壓碎值試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.3 聚乙烯醇溶液表面處理鋼渣

聚乙烯醇(PVA)采用PVA-1799(160目)，其聚合度為1 700，醇解度為99%，呈白色粉末狀。PVA能在熱水中溶解，是一種重要的有機(jī)化合物，常用于制作膠水、黏合劑、乳化劑等。

用開水配制6%、8%、10%、12% 4種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PVA溶液。由于PVA固體在95 ℃加熱條件下才能完全溶入水中，加熱溫度越高其溶解速率越快，但溫度達(dá)到160 ℃時(shí)發(fā)生脫水醚化，失去溶解性。因此，將裝有PVA的盆密封后放入150 ℃烘箱中加熱，直至PVA粉末完全溶解，得到PVA溶液。

將PVA溶液冷卻至室溫后開始浸泡鋼渣，浸泡時(shí)PVA溶液高出鋼渣頂面1 cm以上以保證鋼渣被充分浸潤(rùn)。浸泡過(guò)程中每隔6 h攪拌一次，以排出鋼渣內(nèi)部氣泡。浸泡24 h后用濾網(wǎng)將鋼渣瀝干，并放入105 ℃烘箱中烘干，之后在室溫下冷卻得到PVA改性鋼渣PVASS。由于PVA溶液烘干后會(huì)在鋼渣表面形成一層有黏性的膜，鋼渣烘干后會(huì)黏結(jié)在一起，需用小鏟子將其分散開。PVASS見(jiàn)圖5，PVASS試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5 PVASS圖像

由圖6可知：PVA溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到8%時(shí)，鋼渣的吸水率、壓碎值基本已降至最低，吸水率降到1.91%、降幅為18.4%，壓碎值降到17.3%、降幅為4.4%；質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大，改性效果無(wú)明顯增長(zhǎng)。據(jù)此確定PVA溶液最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%。

圖6 SS和 PVASS的吸水率和壓碎值試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.4 環(huán)氧丙烯酸改性有機(jī)硅樹脂表面處理鋼渣

采用無(wú)錫某化工材料公司生產(chǎn)的50%固含量的環(huán)氧丙烯酸改性有機(jī)硅樹脂(EAOR)，它為無(wú)色透明液體，不溶于水和乙醇，溶于甲苯、二甲苯、醋酸丁酯等溶劑，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 EAOR的主要參數(shù)

由于改性劑黏稠程度不一樣，在表面處理鋼渣的過(guò)程中，鋼渣上改性劑附著厚度不同，改性劑流動(dòng)性不同，不同黏稠程度改性劑的最佳劑量不一致。參考SCA對(duì)鋼渣表面處理的最佳用量，使用占鋼渣質(zhì)量4%的EAOR對(duì)鋼渣進(jìn)行表面處理，使用二甲苯溶劑將EAOR稀釋成不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)后對(duì)鋼渣進(jìn)行表面處理。

試驗(yàn)采用m(EAOR)：m(二甲苯稀釋劑)=1∶0、2∶1、1∶1、1∶2 4種質(zhì)量分?jǐn)?shù)制成改性劑溶液對(duì)鋼渣進(jìn)行表面處理。過(guò)程如下：將改性劑溶液按照鋼渣質(zhì)量4%的用量摻入鋼渣中，不斷攪拌使改性劑溶液均勻分布在鋼渣表面；將拌和好的改性鋼渣放入烘箱中進(jìn)行固化(根據(jù)表1，烘箱溫度為150 ℃，固化時(shí)間為1～2 h)，待鋼渣表面改性劑溶液完全固化后，從烘箱中取出鋼渣，在室溫下冷卻得到EAOR改性鋼渣EAORSS(見(jiàn)圖7)。EAORSS的吸水率、壓碎值測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖7 EAORSS圖片

圖8 SS和EAORSS的吸水率、壓碎值試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖8可知：1) 僅加入二甲苯稀釋劑的SS的吸水率為2.34%，隨EAOR質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，總體上吸水率呈逐漸下降趨勢(shì)。m(EAOR)：m(二甲苯稀釋劑)=2∶1時(shí)，EAORSS吸水率為0.82%，比SS下降65.0%，降低吸水率效果較好，印證了EAOR優(yōu)良的成膜性及憎水性。改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加至直接用未稀釋的EAOR對(duì)鋼渣進(jìn)行表面改性時(shí)，吸水率反而有所上升，這是因?yàn)槲唇?jīng)稀釋的EAOR過(guò)于黏稠，在改性鋼渣拌和過(guò)程中，改性劑不易于均勻覆蓋鋼渣表面，同時(shí)鋼渣表面改性劑層厚度較大，4%的改性劑用量無(wú)法完全覆蓋鋼渣表面。2) 隨著EAOR質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增長(zhǎng)，EAORSS的壓碎值降低，EAOR能填充原狀鋼渣的孔隙及部分微裂縫，使鋼渣內(nèi)部更加密實(shí)，從而進(jìn)一步提高鋼渣的力學(xué)性能。m(EAOR)：m(二甲苯稀釋劑)=2∶1時(shí)，壓碎值降低8.3%；使用未稀釋的EAOR時(shí)，壓碎值未進(jìn)一步降低，再次證明質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高的改性劑不利于其均勻分布在鋼渣表面，表面處理效果差，同時(shí)會(huì)增加改性劑用量。EAOR用量為鋼渣質(zhì)量的4%時(shí)，其最佳稀釋比例為m(EAOR)：m(二甲苯稀釋劑)=2∶1，改性鋼渣的吸水率降至0.82%、降幅達(dá)65.0%，壓碎值降至16.6%、降幅為8.3%。

3 鋼渣表面處理效果評(píng)價(jià)

3.1 瀝青黏附性分析

將4種改性劑采用最佳表面處理方案對(duì)鋼渣進(jìn)行表面處理后，分別測(cè)試表面處理前后鋼渣與瀝青的黏附性。鋼渣粒徑為9.5～13.2 mm。根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，采用水浸法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 瀝青與表面處理前后鋼渣的黏附性試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知：采用4種改性劑對(duì)鋼渣表面進(jìn)行處理后，CPSS、SCASS與瀝青的黏附性與SS一致，為5級(jí)；PVASS、EAORSS與瀝青的黏附性有所降低，為4級(jí)。

3.2 表面處理鋼渣的表面微觀分析

采用掃描電鏡(SEM)觀察鋼渣表面的微觀結(jié)構(gòu)，分析各種改性劑對(duì)鋼渣表面構(gòu)造的影響。鋼渣表面處理前后微觀形貌見(jiàn)圖9。

由圖9可知：CPSS在500倍放大和2 000倍放大下依舊可以看到部分小孔隙及微裂縫，這是因?yàn)樗嘣诔跄耙琅f存在流動(dòng)性，導(dǎo)致鋼渣局部區(qū)域表面水泥漿分布不均，同時(shí)水泥在硬化過(guò)程中發(fā)生干縮產(chǎn)生裂縫；SCASS在放大500倍及2 000倍下依舊存在大量孔隙及微裂縫，在500倍下大孔隙也較多，這是由SCA在鋼渣表面成膜性差導(dǎo)致的；PVASS在放大500倍及2 000倍下表面孔隙數(shù)量明顯減少，鋼渣表面小孔隙及微裂縫幾乎都被改性劑填滿或覆蓋，但仍存在很多大孔隙；EAORSS表面孔隙、微裂縫幾乎都被填充，但鋼渣表面粗糙的紋理并未被覆蓋，圖中白色的即為“凸起”點(diǎn)。

3.3 鋼渣表面處理技術(shù)效果評(píng)價(jià)

鋼渣表面處理前后技術(shù)性能參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。技術(shù)要求采用CJJ 1—2008《城鎮(zhèn)道路工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》對(duì)城市快速路、主干道表面層級(jí)粗集料的要求。

由表3可知：采用EAOR作為鋼渣表面改性劑時(shí)鋼渣的吸水率、壓碎值降幅最大，分別為65.0%、8.3%，兩項(xiàng)性能提升幅度均排第一，同時(shí)EAOR與瀝青的黏附性達(dá)到4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，滿足規(guī)范要求。4種鋼渣表面處理改性劑中，EAOR的綜合效果最優(yōu)。

表3 鋼渣表面處理前后技術(shù)性能參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

(1) 4種改性劑的最佳設(shè)計(jì)方案為：水泥凈漿改性鋼渣(CPSS)，水灰比0.4，采取浸泡的方式處理鋼渣表面；硅烷偶聯(lián)劑改性鋼渣(SCASS)，水解配方溶液為m(KH-550)∶m(水)∶m(乙醇)=5∶45∶50，摻量4%，采用拌和法處理鋼渣表面；聚乙烯醇溶液改性鋼渣(PVASS)，用熱水配制PVA溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，采取浸泡的方式處理鋼渣表面；環(huán)氧丙烯酸改性有機(jī)硅樹脂改性鋼渣(EAORSS)，采用m(EAOR)∶m(二甲苯稀釋劑)=2∶1配制改性劑，摻量4%，采用拌和法處理鋼渣表面。

(2) 按照4種改性劑的最佳設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)，依據(jù)吸水率、壓碎值、與瀝青的黏附性綜合提升效果，環(huán)氧丙烯酸改性有機(jī)硅樹脂(EAOR)表面處理性能最好，其次是聚乙烯醇溶液(PVA)、水泥凈漿(CP)，硅烷偶聯(lián)劑(SCA)最差。