钢渣粉性能表征及其对沥青胶浆低温流变性能影响研究

彭 柳

(武汉中和工程技术有限公司,湖北 武汉 430080)

沥青混凝土是用沥青胶结料与矿质混合料经过充分拌合形成的一种复合材料。其中矿质材料占到沥青混凝土总量的90-95%[1]。因此沥青路面建设需要消耗大量的天然矿质原材料,如石灰石、玄武岩等[2]。为了缓解道路建设对天然石料的消耗,目前国内外学者将工业废弃物钢渣替代天然集料用于制备沥青混凝土。钢渣是炼钢过程中产生的一种固体废弃物,其产量约为粗钢产量的8%-15%[3]。它主要包括金属炉料中各元素被氧化后生成的氧化物,被侵蚀的炉衬料、补炉材料以及金属炉料带入的杂质和为了调整钢渣性质而特意加入的造渣材料[3]。起初人们并未意识到钢渣的潜在利用价值,而是将其当作废弃物随意堆放,大量钢渣长期堆放不仅造成了严重的水体污染、土壤硬化等环境危害,也对钢铁企业的生产与发展造成了巨大压力,有悖于可持续发展的理念。

但目前钢渣主要作为集料应用在沥青混凝土中,对于将钢渣粉替代石灰石粉作为矿粉的应用还未见报道。本文研究了钢渣粉和石灰石粉的各项材料特性,并比较了钢渣粉和石灰石粉胶浆在低温下的流变性能差异。

1 试验方案

1.1 原材料

本试验采用90#基质沥青,其25℃针入度、软化点、延度和粘度分别为92.0(0.1mm)、45.8℃、120.5cm和0.365Pa·s。钢渣粉由武钢转炉钢渣碾磨而成,粒径小于0.075mm。表1列出了石灰石粉和钢渣粉的基本性能指标,钢渣粉密度比石灰石粉的密度大25.21%,这主要是因为钢渣中含有部分单质铁以及铁的氧化物；此外钢渣粉的比表面积为1.95m2/g,比石灰石粉的比表面积大26.15%,这与钢渣多孔的结构有关,孔隙可以吸收沥青,增强钢渣粉与沥青的粘结作用。

表1 两种矿粉基本技术指标

1.2 试样制备

为了获得不同类型的沥青胶浆,首先将400g 90#基质沥青加入容器中,并放置于油浴锅加热至150℃,随后将400g矿粉和钢渣粉分别加入样品容器中。同时在整个混合过程中高速剪切机将保持1500rpm(转/分钟)的剪切速率,并持续3分钟,以确保填料在纯沥青中的均匀分布。

2 试验结果

2.1 原材料性能表征

2.1.1 元素分布

元素分布采用荷兰PANalytical.B.V公司的Axios advanced X射线荧光光谱仪(XRF)。两种矿粉的元素分布如表2所示,从中可以虽然两者元素含量差异明显,但元素分布仍具有一些共性：均含有钙、硅、铝、磷和镁元素,其中钙元素含量最多。钢渣粉中除了上述元素,还含有相当一部分的铁元素和磷元素,这主要是由炼钢过程中铁矿石的残渣产生的。高含量的钙元素使石灰石粉和沥青之间产生了较好的粘结性能。

表2 XRF检测结果

2.1.2 热稳定性

热稳定性采用德国NETZSCH公司的STA449C扫描差示量热仪(TG-DSC)。图1和图2分别是石灰石粉和钢渣粉的TG-DSC检测结果,两者在100℃时均出现了一个吸热峰,这是由于矿粉中的水分蒸发而产生的。图1同时还显示石灰石粉的第二个吸热峰出现在821.7℃,同时质量出现了较大的损失,这是由于高温下石灰石粉中的碳酸钙分解产生的,最终损失的质量与XRF结果中石灰石粉的烧失量基本一致。图2钢渣粉吸热曲线的第二个吸热峰出现在711.7℃,这是脱去羟基的热效应过程,此时热重曲线也存在一个明显的下降趋势。由于热拌沥青混凝土温度范围主要在200℃以下,在此区间内石灰石粉基本没有质量损失,而钢渣粉损失了很小的质量,石灰石粉较钢渣粉表现出更好的热稳定性,这主要与钢渣粉原材料成分复杂有关。

图1 石灰石粉的TG-DSC曲线

图2 钢渣粉的TG-DSC曲线

2.2 胶浆低温流变性能研究

沥青低温流变性能试验所测得的蠕变劲度模量S(t)和蠕变曲线斜率m作为性能评价指标。蠕变劲度模量S(t)表征沥青胶浆的柔性,S(t)值越小则胶浆的低温抗开裂性能越好；蠕变曲线斜率m表征沥青胶浆的松弛性能,m值越大则胶浆的应力释放速度越快,松弛能力越强,低温抗裂性能越好[4]。

AH-90沥青、石灰粉改性沥青和钢渣粉改性沥青的S分别为145.0MPa、708.5MPa和671.7MPa,m值分别为0.143、0.345和0.347,表明矿粉的加入增大了沥青的蠕变劲度模量,使得沥青逐渐变脆,但矿粉的加入增强了沥青释放应力的能力。此外钢渣粉胶浆的S为708.5MPa,较石灰石粉胶浆低5.18%；同时钢渣粉胶浆的m值为0.347,较石灰石粉胶浆高0.50%,表现出更好的低温抗开裂性能,提高了沥青胶浆的低温流变性能。

3 结论

(1)钢渣粉密度比石灰石粉的密度大25.21%,这主要是因为钢渣中含有部分单质铁以及铁的氧化物；此外钢渣粉的比表面积为1.95m2/g,比石灰石粉的比表面积大26.15%,这与钢渣多孔的结构有关,孔隙可以吸收沥青,增强钢渣粉与沥青的粘结作用。

(2)钢渣粉和石灰石粉均含有钙、硅、铝、磷和镁元素,其中钙元素含量最多。钢渣粉中除了上述元素,还含有相当一部分的铁元素。

(3)矿粉的加入同时增大了沥青的蠕变劲度模量和蠕变曲线斜率,钢渣粉胶浆的S较石灰石粉胶浆低5.18%,而m值较石灰石粉胶浆高0.50%,表现出更好的低温抗开裂性能,提高了沥青胶浆的低温流变性能。

[1]冯艳瑾.钢渣细料与钢渣粉在SMA-13沥青混合料中的应用研究[J].江西建材,2017(21):90-93．

[2]谢君.钢渣沥青混凝土的制备、性能与应用研究[D].武汉理工大学,2013．

[3]邱小明,吴金保.利用超细钢渣粉制备高性能混凝土的试验研究[J].江西建材,2002(1):13-15．

[4]朱春阳,杨毅,刘学建.不同标号沥青的弯曲梁流变试验对比分析研究[J].中外公路,2007,27(4):289-291．