钢渣填料沥青胶浆性能研究

符 浩，姚立阳，马先伟，吕大为，欧一文

(河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036)

钢渣作为固体废弃物排放量巨大，其回收利用率不足25%，与日本、欧美等发达国家80%以上的高利用率相比有很大的提升空间。同时，我国常见的沥青路面中用的优质石灰岩材料日益匮乏，供不应求导致材料成本增加，亟需找到相应的替代材料[1-3]。科学认识与处理钢渣，把其用作道路工程材料可同时解决钢渣废弃物堆放与优质道路材料资源匮乏问题。

碱性钢渣具有良好的棱角性与力学性能，可替代沥青混合料中粗、细集料，众多学者为此开展了相应研究。曾国伟采用钢渣替换AC-13级配中粒径2.36 mm以上的石灰石粗骨料[4]；Hassan以AC-20级配为基础，用钢渣颗粒作为细集料替代石灰石进行研究[5]；沈凡与谢君对钢渣混凝土的路用性能进行了相应研究[6-7]。

大多研究者侧重于把钢渣作为集料进行研究，将磨细的钢渣粉作为矿粉填料进行研究少有提及；一个重要原因是以往钢渣的易磨性差，通过机械活化提高钢渣胶凝性的经济成本增加，限制了钢渣的综合利用，导致其在填料方面的运用成本增加[8]。目前，对钢渣易磨性进行的研究取得了一定进展，蒋亮发现改质后钢渣的易磨性显著提升，经二次粉磨之后,粒度分布由原来的100 μm量级进化到10 μm量级以内，变化巨大[9]。

随着技术不断进步，使钢渣粉作为填料运用在道路上的可能性大大提高，钢渣粉作为碱性集料与沥青中的酸性物质产生化学反应后，会增强胶浆的黏结性，因此，有必要对钢渣作为填料运用于道路工程中开展更多研究。钢渣沥青胶浆的研究很少，对其分析时重点参考其他沥青胶浆的研究成果与方案。研究者多从DSR、BBR及布氏黏度试验方案中选择若干个，采用不同类型沥青及水泥、消石灰、赤泥及不同性质的矿粉，改变实验温度与粉胶比，研究沥青胶浆的高温、低温等流变性能[10-16]。部分研究者在常规沥青三大指标及其他实验基础上研究了胶浆的流变性能[17-18]。

不同材料组合下合适的粉胶比差别也会很大。许新权建议合适的粉胶比范围为1.0～1.3[10]，而李曙斌建议合适粉胶比范围为0.8～1.0[12]。本文以河钢集团舞钢公司生产的钢渣作为研究对象，分析钢渣沥青胶浆性能，并以普通的石灰石矿粉沥青胶浆作为对照组。

1 试验方案

1.1 沥青胶浆制备

借鉴已有研究成果，发现矿粉与沥青的比值为0.6～1.6时形成的沥青胶浆性能较好，众多研究者也是在此范围内开展相应研究。粉胶比过大，胶浆的低温性能变差，本文选择0.6、0.8、1.0、1.2、1.4五种粉胶比，对石灰石填料沥青胶浆与钢渣填料沥青胶浆展开对比研究。

为了消除填料颗粒粒径对沥青胶浆性能的影响，试验中所用钢渣粉放置一年以上，钢渣填料通过磨耗试验机磨耗后再通过0.075 mm方孔筛筛分得到，实验用石灰石填料也通过0.075 mm方孔筛筛分得到。具体方法如下：

(1)填料放入105 ℃烘箱中恒温4 h，除去水分，保持干燥；(2)将一定质量的沥青加热到150 ℃，保持温度不变，称量好的填料加入到沥青中，不断用小铁勺人工搅拌，为了保证沥青胶浆的均匀性，填料分2～3次加入；(3)填料完全加入到沥青后继续搅拌10 min，趁热制备试验所需的试样。

1.2 沥青三大指标试验

沥青及其胶浆的针入度、延度、软化点三大指标试验应用很广，为了减少人为因素影响，尽量减少试件移动中温度的影响。针入度选择了15 ℃、25 ℃、30 ℃三种温度，随后在这三种温度下求解针入度指数并评价胶浆的感温性能；延度试验选择了5 ℃、15 ℃、25 ℃三种温度，分析胶浆在低温及常温下的抗开裂能力。软化点实验按照试验规程进行，寻找胶浆变软时滴落到底板上的温度，依此来评价其高温性能。

1.3 布氏旋转黏度试验

黏度试验采用美国Brookfield DV-II型旋转黏度仪，温度选取时，参考许新权[11]，最终在110 ℃、135 ℃、175 ℃三种温度进行布氏旋转黏度试验。

将制备好的沥青胶浆试样在烘箱中加热到软化点以上(100 ℃左右)保温30～60 min备用，合适的转子和盛样筒放在己控温至试验温度的烘箱中保温，维持1.5 h；调平仪器，仪器设置到试验要求的温度，预热5 min后取出胶浆试样，适当搅拌后加入盛样筒。盛样筒和转子安装完毕后保温15～30 min后开始测试。每隔60 s读1次数，取3次读数的平均值作为测定值。

2 原材料性能

2.1 钢渣基本性能介绍

钢渣的含水量为0.62%，比表面积为410 m2/kg，其主要化学成分如表1所示。钢渣为碱性集料，能与弱酸性沥青发生化学结合，提高胶浆黏结力，磨耗后的钢渣再通过0.075 mm筛孔筛分得到钢渣粉。

表1 钢渣主要成分 %

2.2 石灰石矿粉基本性能介绍

矿粉来自石灰石磨细后的粉状颗粒，取样来自施工现场，按照相应规程测得技术指标如表2所示。

表2 石灰石矿粉技术指标

2.3 沥青基本性能介绍

沥青采样地点为中亚路桥公司三工区夏李西拌和站，规格为70号A级，进行常规的沥青针入度、延度、软化点三大指标试验及布氏黏度试验，试验温度如前所述，结果见表3。

表3 基质沥青基本性能

3 试验结果分析

在对胶浆性能分析时，图中图例“SHJ”代表石灰石填料沥青胶浆，“GZJ”代表钢渣填料沥青胶浆，fa代表粉胶比。软化点仅直接显示温度，针入度、延度及黏度都显示了三个温度下的胶浆数值，计算得到针入度指数、黏温指数来评价胶浆的感温性能。

3.1 延度结果分析

低温下沥青胶浆材料呈玻璃态且比较脆，受力后容易开裂。延度试验通过测定试件在一定条件下拉伸至断裂的长度，间接反映了沥青胶浆低温下抵抗开裂的能力，其数值越大说明材料抗拉及抗开裂性能越好。钢渣沥青胶浆与石灰石沥青胶浆在5 ℃、15 ℃、25 ℃三种温度下延度随粉胶比的变化规律，如图1所示。

图1 两种沥青胶浆延度随粉胶比变化规律

图2 两种沥青胶浆软化点随粉胶比变化规律

首先，两种沥青胶浆在三种温度下的延度均小于基质沥青，所有粉胶比下的钢渣沥青胶浆的延度小于石灰沥青胶浆，说明填料的加入降低了沥青的低温流变性能，钢渣替代石灰石填料后胶浆的低温变形性能会进一步降低。其次，在5 ℃、15 ℃较低温度下，钢渣沥青胶浆比石灰沥青胶浆减小的延度值，大部分在5 cm以内，个别值略大，但都在10 cm以内；温度升高至常温下的25 ℃，两种胶浆延度差值明显大于5 ℃、15 ℃的情况，大部分差值在10 cm以上。分析试件断裂形状时发现，较高温度和较低粉胶比时，试件中间部位为均匀拉长的细丝，断裂呈典型的黏性破坏；大粉胶比与低温时，胶浆断裂形式由黏性破坏转化为脆性断裂。粉胶比为0.6～1.0时，延度值基本呈线性减小趋势，粉胶比为1.0～1.2时出现拐点，延度值减小趋势加快，粉胶比1.4时延度值降低到很小。沥青胶浆的粉胶比增加，其低温流变性能与抗开裂能力明显变差，选择粉胶比时，钢渣填料沥青胶浆不宜大于1.0。

3.2 软化点测试分析

沥青胶浆的软化点随粉胶比的变化规律，如图2所示。从图2与表3可以看出：两种胶浆的软化点均高于基质沥青，说明石灰石矿粉及钢渣粉的添加改善了沥青的高温性能。钢渣沥青胶浆与石灰沥青胶浆的软化点差别与粉胶比关联很大。粉胶比为0.6～0.8时，钢渣沥青胶浆的软化点略小于石灰石沥青胶浆，差值在1 ℃内，粉胶比1.0以上时，钢渣沥青胶浆的软化点都高于石灰石沥青胶浆，差值在2 ℃内。软化点均随粉胶比增大而增大，但是在不同粉胶比下的增大趋势不同；粉胶比0.6～0.8时增长幅度较小，近似线性增长；粉胶比0.8～1.2时增幅有所提升，粉胶比1.2～1.4时，迅速增长。胶浆与集料形成的沥青混合料应具有一定的高温稳定性，胶浆的软化点数值较大比较合适，增速应大于线性增长阶段，故胶浆比应大于0.8。

3.3 针入度及针入度指数结果分析

针入度试验间接反映了沥青的黏稠状态，为了使结果更准确，除了严格采取平行试验外，本文在25 ℃试验基础上又增加了15 ℃、30 ℃ 两种温度下的针入度数值如图3所示，依此计算出不同粉胶比的针入度指数，如图4所示。。

图3 两种沥青胶浆针入度随粉胶比变化规律

图4 两种沥青胶浆针入度指数粉胶比变化规律

从图3、图4可以看出：两种沥青胶浆的针入度均随粉胶比增大呈逐渐降低趋势，说明随着粉胶比的增加胶浆的稠度增加，同一温度下钢渣沥青胶浆的针入度明显大于石灰沥青胶浆，说明钢渣沥青胶浆的高温性能优于石灰石沥青胶浆。在较低粉胶比下，随着粉胶比增加，胶浆的针入度线性降低，与任俐璇的试验结果接近[18]，但是随着粉胶比持续增大，在1.0～1.2时针入度会出现明显拐点，针入度降低的趋势增加。结合软化点试验结果，从沥青胶浆黏稠度和高温稳定性分析，采用的钢渣沥青胶浆粉胶比应在1.0以上。

由15 ℃、25 ℃、30 ℃三种温度的针入度数值计算得到针入度指数，其数值越大，沥青胶浆性能越接近于固体状的集料，其流动性及黏附性差；针入度指数越小，胶浆性能越接近于流体呈现黏流态，黏结力大幅度降低，抗变形能力也会逐渐丧失；在中间范围内时胶浆呈现高弹态，其高温稳定性及低温抗裂性才能得到有效保证。计算得到基质沥青胶浆的针入度指数为0.37，属于熔凝胶沥青，本次试验中添加石灰石或者钢渣填料后，形成的胶浆针入度数值均大于5而小于10，因此数值越小认为感温性越好。

分析表明，钢渣沥青胶浆的针入度指数均大于石灰石沥青胶浆。随着粉胶比增加，二者的针入度指数逐渐增大，但是增大趋势不同。在较小粉胶比时二者基本呈现线性缓慢增加趋势，随后出现拐点，超过拐点后，增速迅速增加；石灰石沥青胶浆与钢渣沥青胶浆的拐点分别出现在粉胶比为1.2与1.0时，其原因是多余的填料导致的过大粉胶比，引发与沥青未结合的填料出现“团聚”现象，胶浆性能更类似于固体集料，变硬变脆。从针入度指数观察可知，钢渣沥青胶浆的粉胶比应小于1.2。

3.4 黏度试验结果分析

两种胶浆的布氏黏度均随粉胶比的增大呈现逐渐增大的趋势，如图5～图7所示，但是这种趋势在175 ℃高温时不明显，在温度110 ℃、135 ℃较为明显。分析图7也可以看出，在175 ℃时几种粉胶比的钢渣沥青胶浆与石灰石沥青胶浆布氏黏度差别很小。究其原因是高温下胶浆的性能以黏流态为主，此时略微增大的粉胶比对胶浆性能影响不大。分析发现，不论是在何种温度与粉胶比下，钢渣沥青胶浆的布氏黏度都大于石灰石沥青胶浆，说明钢渣沥青胶浆的硬度偏大，稠度偏大。随着粉胶比由0.6均匀地增加到1.4，胶浆布氏黏度增加幅度不同，低粉胶比时，基本上线性缓慢增加，在0.8～1.0时有明显拐点，随后布氏黏度增加明显；拐点出现在0.8或者1.0附近。

图5 两种沥青胶浆布氏黏度随粉胶比变化规律

图6 石灰沥青胶浆布氏黏度随温度变化规律

图7 钢渣沥青胶浆布氏黏度随温度变化规律

图8 两种沥青黏温指数随粉胶比变化规律

图6、图7中不同粉胶比下不同温度的两种胶浆其变化趋势几乎一样，说明钢渣沥青胶浆与石灰沥青胶浆呈现相同的变化规律。黏温曲线大致呈现幂函数的形式，与许新权等人的结论一致。选择黏温指数VTS进一步分析胶浆的感温性能。考虑到175 ℃时胶浆呈现黏流态，选择110 ℃、135 ℃两种温度的布氏黏度值。采用Walther与Saal推荐的经验公式：

(1)

式中：T为摄氏温度( ℃)，TK为开氏温度(K),TK=T+273.13。

η为沥青胶浆黏度，单位是Pa·s,由于采用布氏黏度仪，读数单位是mPa·s，η×103数值就是黏度仪显现的数字，η1,η2分别为温度TK1，TK2对应的黏度(mPa·s)，本文采用110+273.13与135+273.13两个数值，计算得到黏温指数随粉胶比变化规律如图8所示，计算得到的黏温指数往往是负值，这是因为胶浆黏度与温度是负相关，对应计算得到黏度的两次对数与温度一次对数之间也是负相关，最终显现的黏温指数实际取绝对值。

由图8可知：两种沥青胶浆的黏温指数随着粉胶比增大均呈现减小趋势，这是因为作为石灰石或钢渣粉的矿粉对沥青起体积增强和物化增强作用，得到的胶浆性能与基质沥青(对应的黏温指数为3.54)相比有一定程度的改善。针入度试验也反映了胶浆的感温性能，其数值随着粉胶比增大而逐渐增大，但是其数值越大说明感温性越小，黏温指数的绝对值越小其感温性越小，粉胶比的增加降低了沥青较为敏感的感温性能。

黏温指数虽然随着粉胶比增大而减小，但是减小趋势不同，在粉胶比0.6～1.0时，黏温指数有较大幅度减小，粉胶比1.0以上时，这种减小趋势明显下降，粉胶比1.2与1.4时差别不大，充分说明：粉胶比大于1.2后，通过增大粉胶比来改善胶浆感温性能的效果不显著，考虑到粉胶比0.6～1.0时黏温指数的下降趋势较明显，建议采用的粉胶比范围为1.0～1.2。

4 结语

采用常规沥青三大指标与布氏黏度试验对0.6、0.8、1.0、1.2、1.4五种粉胶比的钢渣填料沥青胶浆进行稠度、延展性能、高温性能及黏度分析，对照石灰石填料沥青胶浆，得到相应结论。

(1)钢渣沥青胶浆的延展性能均小于石灰石沥青胶浆，随着粉胶比增大，胶浆的延展性能逐渐降低，粉胶比在0.6～1.0时，均匀线性减小，在1.0～1.2时减小趋势加快，粉胶比1.4时延度值极小。

(2)二者的软化点差值与粉胶比关联很大，当粉胶比0.6～0.8时，钢渣沥青胶浆的软化点略小于石灰沥青胶浆，在1 ℃以内，当粉胶比1.0～1.4时，钢渣沥青胶浆的软化点略大于石灰沥青胶浆，在2 ℃以内。软化点随粉胶比增大其增速不同；当粉胶比0.6～0.8时，近似线性缓慢增长，粉胶比0.8～1.2时增速加快，当粉胶比1.2～1.4时，增速明显加快。

(3)由于钢渣本身的硬度大，同一温度下钢渣沥青胶浆的针入度明显大于石灰石沥青胶浆，当粉胶比在0.6～1.0时，针入度随粉胶比增大近似线性增加，当粉胶比1.0～1.2时出现拐点，针入度降低的趋势增加。

(4)钢渣沥青胶浆的针入度指数均大于石灰石沥青胶浆。随着粉胶比增加，二者的针入度指数逐渐增大，但是增大趋势不同。较小粉胶比下线性缓慢增加，随后迅速增加，增速拐点出现在1.0～1.2。

(5)钢渣沥青胶浆布氏黏度均大于石灰沥青胶浆，黏度随粉胶比增大而增加，以粉胶比1.0为分界点，增速先慢后快，175 ℃下胶浆呈现黏流态，二者差别不大。

(6)黏温曲线呈现幂函数形式，在110 ℃、135 ℃时计算得到的黏温指数随粉胶比增大呈现的减小趋势以粉胶比1.0为分界点，减速前快后慢。

(7)钢渣替代石灰石矿粉填料后，沥青胶浆的高温性能有所提升，低温性能与感温性能有所下降，建议合适的钢渣沥青胶浆粉胶比为1.0。