钢渣粉填料的特性及其对沥青性能的影响

范兴茜

摘要：填料的性质直接影响沥青胶浆的性能，对沥青混合料的综合性能起着重要作用。目前，钢渣粉替代石灰岩矿粉用于沥青胶浆填料受到研究者的关注，文章对钢渣粉、石灰岩矿粉开展微观形貌和化学成分分析，并对钢渣粉、石灰岩矿粉沥青胶浆开展常规性能和流变性能研究。得出结论如下：钢渣粉相比石灰岩矿粉，其粉微观形貌具有更丰富的表面纹理，钢渣粉沥青胶浆常规性能和流变性能均优于石灰岩矿粉，并且根据试验结果中的ΔG*以及K-B-G*指标表明，钢渣粉与沥青的交互作用能力强于石灰岩矿粉。相比石灰岩矿粉，钢渣粉对沥青性能提升效果更显著。

关键词：道路工程；钢渣粉；物理化学特性；沥青胶浆；流变特性

中图分类号：TU57+1       文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）06-0068-04

0 引言

填料的特性对沥青及沥青混合料的各项性能有显著影响。由于填料可以提供更高的比表面积，在沥青混合料中与沥青所形成的沥青胶浆提升了沥青混合料的强度。近年来，对掺加填料的沥青胶浆的研究受到广大研究者的关注［1-3］。理论分析表明，在基质沥青中掺加填料会改变基质沥青的流变特性。因此，填料的性质对沥青胶浆的性能起着至关重要的作用。传统施工中，沥青路面一般采用石灰岩磨制的矿粉作为填料。随着我国公路建设的快速发展和自然资源的过度消耗，并且石灰岩矿粉在我国的一些地区并不常见，需要远距离运输，为促进沥青路面的可持续发展，近年來研究者将目光投入工业废弃物的回收和再利用领域，如煤渣、赤泥、废玻璃粉及建筑和拆迁废物的回收和再利用［4-6］。钢渣是炼钢过程中伴生的一种碱性工业固废，一般占粗钢产量的10%～15%，已经有学者研究其用于改善沥青胶浆及沥青混合料性能的作用。孙家瑛等［7］利用钢渣粉代替矿粉掺入沥青中形成沥青胶浆，并对钢渣粉沥青胶浆开展研究，认为钢渣粉具有较高的比表面积，能有效地提升沥青胶浆的黏附性、水稳定性和高温性能，但对其他性能的提升程度不显著。李鸿轲等［8］对钢渣粉沥青混合料性能开展研究，认为钢渣粉替代矿粉存在一个最佳替代率，钢渣粉沥青混合料水稳定性能优于矿粉沥青混合料。上述研究表明，钢渣粉替代传统石灰岩矿粉具有较高的可行性，并且相比石灰岩，钢渣粉对提升沥青及沥青混合料黏附性、水稳定性方面更具优势。基于此，本文开展不同粉胶比钢渣沥青胶浆和石灰岩矿粉胶浆常规性能和流变特性研究，并对比分析钢渣粉、石灰岩矿粉的物理特性和化学特性，为沥青路面工程应用钢渣粉代替石灰岩矿粉提供技术参考。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

本文实验采用的钢渣来自广西柳州钢铁集团有限公司，使用粉碎机对钢渣进行破碎，并进行筛分，保证生产尺寸小于75 μm。沥青采用70#A级沥青，相关技术指标满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F 40—2004），基本技术指标见表1。石灰岩矿粉来自来宾某矿粉生产厂家，相关技术指标满足我国规范JTGF 40—2004中的要求。

1.2 试验方法

1.2.1 填料微观分析

采用扫描电镜分析填料的微观形态，使用X射线荧光（XRF）光谱检测填料的化学成分。

1.2.2 沥青胶浆制备方法

沥青胶浆的制备方法为在160 ℃的烘箱中加热70#沥青直到其完全熔化后，将规定比例（本文设置的粉胶比为0.6、0.8、1.0、1.2）的填料添加到熔化的沥青中，粉胶比为填料与沥青质量之比，并使用高速剪切机以2 000 rpm的转速和160 ℃的温度搅拌1 h。接下来，将所得沥青胶浆放入烘箱中烘烤30 min，排出混合过程中产生的气泡。

1.2.3 沥青胶浆常规性能

针入度、软化点和高温布式旋转黏度是用于评估沥青性能的常规参数。相关试验过程参考我国规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中的要求进行。

1.2.4 沥青胶浆流变性能

采用动态剪切流变仪（DSR）测试沥青胶浆的流变特性。流变试验包括频率扫描和高温流变试验，频率扫描的试验参数如下：温度为60℃，频率范围为0.1～20 Hz，直径为25 mm的平板，沥青试样间隙为1 mm。高温流变试验参数如下：温度为58 ℃，直径为25 mm的平板，沥青试样间隙为1 mm，加载频率为1.6 Hz。流变特性获得参数主要为复数剪切模量G*、车辙因子G*/sinδ。

1.2.5 填料与沥青相互作用参数

使用2个评价指标评定填料与沥青的相互作用，包括复数模量系数ΔG*及K-B-G*系数，它们分别来自TAN［9］和Palierne等［10］提出的模型，这2个指标越高，表明填料与矿粉的相互作用能力越强，ΔG*及K-B-G*系数计算方法如公式（1）和公式（2）所示：

公式（2）中，K-B-G*为沥青与矿粉交互作用的评价指标，[Gc*]为沥青胶浆的复数模量（kPa），[Gm*]为沥青的复数模量（kPa）；[Φf]为矿粉的体积分数。

2 试验结果及分析

2.1 填料特性分析

钢渣粉与石灰岩矿粉填料的电镜扫描照片如图1所示。从图1可知，由于粉碎工艺不同，所以钢渣表面形状大多不规则，并且颗粒具有棱角形状和层状结构；钢渣粉的形状比石灰岩矿粉颗粒的比表面积大，因此掺入沥青后与沥青将会产生相互作用性能。相反，石灰岩矿粉晶粒具有相对光滑的纹理，可能会降低其与沥青的相互作用性能。总体而言，钢渣粉具有粗糙表面的填料颗粒可以更有效地与沥青相互作用，因为复杂的表面形态不仅能提供更大的比表面积，而且能够提高沥青-填料界面的抗剪性能。

钢渣粉与石灰岩矿粉的化学组成成分分析结果见表2。从表2可知：石灰岩矿粉的主要化学成分为CaO，其次是SiO2。石灰岩矿粉高CaO含量的特点有利于提高填料和沥青之间的黏附性。本研究采用的钢渣粉含有39.17%的CaO和5.18%的MgO，同样有利于钢渣粉与沥青的黏附。因此，钢渣粉末中MgO和CaO的存在促进了钢渣粉与沥青的相互作用。然而，钢渣粉中检测到的相对较高的SiO2含量可能会降低沥青混合料的性能，这是因为SiO2会降低沥青胶浆与集料的黏附性。SiO2、Al2O3、Ca0、MgO、Fe2O3和Na2O是在大多数矿物集料中发现的主要化合物，在钢渣粉与石灰岩矿粉中均有检测到这些物质，然而CaO、SiO2 2项关键物质的含量不同可能会导致钢渣粉与石灰岩矿粉与沥青的相互作用水平的差异。

2.2 沥青胶浆的常规性能

沥青胶浆的常规性能检测结果如图2和表3所示。

（1）无论是石灰岩矿粉还是钢渣粉，在120 ℃、135 ℃、150 ℃、165 ℃和180 ℃等不同温度下，沥青胶浆的布式旋转黏度随温度的升高而明显降低。但是，钢渣粉沥青胶浆的布式旋转黏度明显高于石灰岩矿粉沥青胶浆，表明使用钢渣粉填料有助于提高沥青胶的黏度，但可能会帶来施工方面的困难（高温黏度较高，不利于压实沥青混合料）。

（2）钢渣粉沥青胶浆相比石灰岩矿粉胶浆具有更低的针入度和更高的软化点，表明钢渣粉沥青胶浆在常温下的稠度高于石灰岩矿粉，高温性能优于石灰岩矿粉。

2.3 沥青胶浆的流变性能

2.3.1 复数模量G*

钢渣粉沥青胶浆和石灰岩矿粉沥青胶浆的复数模量G*和相位角δ测试结果如图4和图5所示。

（1）两种沥青胶浆的复数模量G*都有随着加载频率增大而增大的趋势，而相位角δ也有随之增大的趋势。沥青胶浆G*值越高，其在高温下抵抗变形的能力越强。因此，作为石灰岩矿粉的替代品，钢渣粉能够提高沥青混合料的抗永久变形能力。

（2）当加载频率较低时，钢渣粉沥青胶浆的复数模量G*高于石灰岩矿粉胶浆，但加载频率进一步增大时，石灰岩矿粉沥青胶浆的复数模量G*优势较为明显。上述现象表明，钢渣粉矿粉沥青胶浆适合于较低加载频率的应用场景。与此同时，钢渣粉沥青胶浆复数模量G*对加载频率的敏感性低于石灰岩矿粉沥青胶浆。

（3）钢渣粉沥青胶浆的相位角δ在0.1～20 Hz范围内，均低于石灰岩矿粉，表明石灰岩矿粉沥青主要是弹性成分居多，而钢渣粉掺入沥青后所增加的弹性成分低于石灰岩矿粉。

由图5可知：随着粉胶比增大，钢渣粉沥青胶浆与石灰岩矿粉沥青胶浆复数模量G*均有所增大，并且钢渣粉沥青胶浆的高温性能逐渐显示出其优势，但随着粉胶比进一步增大到1.2时，钢渣粉沥青胶浆的复数模量G*与石灰岩矿粉沥青胶浆的差异变小。

2.3.2 车辙因子G*/sinδ

车辙因子试验结果如图6所示。从图6可知：钢渣粉沥青胶浆和石灰岩矿粉沥青胶浆的车辙因子G*/sinδ随着粉胶比的增加而增加。Xing等［11］已经证明粉胶比与填料类型均会对沥青胶浆的G*和G*/sinδ产生影响。随着填料用量的增加，沥青胶浆由基质沥青的黏性状态逐渐向弹性状态转变，流变特性展现为复数模量G*的增加和相位角的减小。因此，在填料含量较高的情况下，观察到的沥青胶浆和抗车辙性的改善可归因于G*/sinδ的增加。车辙因子G*/sinδ增大能改善沥青胶浆的高温性能。因此，两种填料均能改善沥青胶浆的高温性能，并且随着粉胶比越高，改善程度越好。

2.3.3 填料与沥青相互作用评价指标

填料与沥青相互作用评价指标ΔG*和K-B-G*的试验结果如图7所示。由图7可知：ΔG*随着粉胶比的增大而增大，表明随着填料掺量的增加，沥青与填料的相互作用变得更强，这与ZHANG等［12］的观点一致。本研究中，钢渣粉的ΔG*高于石灰岩矿粉沥青胶浆，ΔG*越高，填料和沥青的相互作用能力越强，因此钢渣粉与基质沥青的相互作用明显优于石灰岩矿粉。试验中，K-B-G*的结果进一步证明了这种关系，因为K-B-G*的数值高反映了填料和沥青之间强烈的相互作用。如上所述，钢渣粉沥青胶浆的ΔG*和K-B-G*超过石灰岩矿粉沥青胶浆，因此钢渣粉表现出与沥青基质更高的相互作用潜力。由于沥青-填料体系的相互作用，影响了沥青胶浆的流变性，更强的相互作用能力带来更高的沥青胶浆强度。因此，使用钢渣粉的沥青胶浆抵抗永久变形的能力高于石灰岩矿粉沥青胶浆。与此同时，钢渣粉沥青胶浆和石灰岩矿粉沥青胶浆的K-B-G*指标有先增大、后减小的发展过程，与ΔG*指标变化规律并不一致。此外，随着粉胶比增大，钢渣粉沥青胶浆与石灰岩矿粉沥青胶浆的ΔG*和K-B-G*指标均有先增大、后减小的过程，这一点与前文复数模量变化规律一致，再一次证明钢渣粉沥青胶浆和石灰岩沥青胶浆存在最佳粉胶比。限于篇幅，本文未深入研究钢渣粉与石灰岩矿粉沥青胶浆的最佳粉胶比。

3 结论

本文通过微观试验、常规试验、流变试验，研究了钢渣粉、石灰岩矿粉微观形貌、化学成分及钢渣粉沥青胶浆、石灰岩矿粉沥青胶浆各项性能。得出结论如下：钢渣粉相比石灰岩矿粉具有更丰富的表面纹理特性，有利于与沥青更好地黏附；同时，钢渣粉相比石灰岩矿粉具有更多的SiO2成分，不利于钢渣粉沥青胶浆和钢渣粉沥青混合料性能的提升。钢渣粉沥青胶浆的常规性能优于石灰岩矿粉沥青胶浆，体现在较低的高温布式旋转黏度和较高的软化点及较低的针入度。钢渣粉沥青胶浆的流变特性优于石灰岩矿粉沥青胶浆，体现在复数模量G*、ΔG*和K-B-G*指标较高。

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