醋酸改性钢渣与沥青粘附性图像评价方法*

胡俊兴，郭庆林，李懿明，李晓旭

（河北工程大学土木工程学院，河北邯郸 056038）

我国每年开采的砂石超过22亿吨，如此巨大的需求量必将加速砂石资源的枯竭［1］。而钢渣作为一种工业废弃物，其大量堆积对空气、水体与土壤造成污染，破坏生态环境，如果能利用其耐磨、强度高、成本低等特点，钢渣将会是一种潜在的性能优良的工程集料，可在道路建设中发挥巨大的作用。但钢渣中的游离氧化钙在遇水后会生成Ca(OH)2导致钢渣体积增加近一倍［2］，严重阻碍钢渣在路面中的大规模应用。研究表明醋酸溶液能够有效地浸出钢渣中的钙离子，在合适的浓度与浸泡时间条件下，钙离子的浸出率达到80%左右［3-4］，可降低钢渣膨胀率76%以上［5］，因此可利用醋酸解决钢渣膨胀率过高的难题。

下一步应继续探讨钢渣集料应用于沥青路面的可能性，粘附性作为一种检验沥青路面集料工程质量的指标，直接或间接影响着沥青混合料的水稳定性［6］，而水稳定性对沥青路面的寿命有着较大的影响［7］。但目前国内对沥青与集料粘附性的水煮、水浸方法，由于条件不严谨、结果分析主观性等特点，一直都处于质疑和改进之中［8］。

基于此，本文为验证醋酸改性钢渣作为良好工程集料的可能性，提出利用像素法评价醋酸改性钢渣与沥青的粘附性方法，该方法能够更加快捷、定量地表征改性钢渣的粘附性，为钢渣的应用增加科学依据。

1 原材料

选用的钢渣为邯钢钢渣，性能见表1。

表1 钢渣样品性能Table 1 Properties of steel slag samples

选用东明产70号石油沥青，并对基质沥青各项技术指标进行浊定，结果见表2。

表2 70号沥青基本性能指标Table 2 Basic performance index of 70 asphalt

选用醋酸性能见表3。

表3 醋酸性能Table 3 Acetic acid performance

2 试验过程

2.1 粘附性试验方法

本试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011），对9.5mm粒径钢渣进行水浸法试验如图1所示，对13.2mm粒径钢渣进行水煮法试验如图2所示。

图1 改性钢渣水浸法试验Fig. 1 Water immersion test of modified steel slag

图2 改性钢渣水煮法试验Fig. 2 Boiling test of modified steel slag

2.2 像素法评价方法

（1）对水煮法/水浸法后钢渣进行拍照，过程中保证光照充分，将拍摄后图像设置为同一像素。

（2）对拍摄后的钢渣图像进行整体选择，并调出“直方图”工作栏，查看整体像素数量p1。

（3）利用“颜色提取”工具对钢渣表面的沥青脱落面进行选择，在“直方图”工作栏，查看沥青脱落面的像素数量p2，如图3所示。

图3 钢渣表面沥青脱落部分的像素Fig. 3 Pixels of asphalt shed on steel slag surface

（4）利用公式(1)计算沥青剥落程度。

3 试验结果分析

3.1 水浸法评价沥青与集料的粘附性

采用像素法对图像进行处理，并结合规范要求的粘附性等级表进一步修正沥青与集料粘附等级，结果见表4。

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

由表4可知，9.5mm粒径的改性钢渣随着浸酸时间的增加，钢渣的粘附性呈现出下降的趋势，3%体积分数的醋酸短时间内对钢渣的粘附性影响较小，与未改性钢渣粘附性相差不大。钢渣浸泡在5%、10%体积分数的醋酸中12h对粘附性影响最大，分别有44.7%以及47.3%的沥青膜在浸水后发生脱落的现象。

另外，在评价钢渣粘附性等级时，目浊法与图像检浊法出现明显差别，粘附性等级为5级时，目浊法与图像检浊法结果基本一致；判定4级粘附性等级时，对于剥落率为14.5%的改性钢渣会出现目浊法与像素法评价不一的情况；判定3级粘附性等级时，像素法计算钢渣与沥青膜剥落率分别为29.4%和30.8%，判断粘附性等级为3级和2级，而传统目浊法粘附性等级分别为2和3级。结果表明，在评价沥青粘附性时，目浊法判定《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）要求的剥落面积为10%、30%的界限时会出现差异，实验过程中，33%情况下会出现目浊法与像素法评价粘附性等级不同的情况。

3.2 水煮法评价沥青与钢渣的粘附性

采用像素法对图像进行处理，并结合规范要求的粘附性等级表进一步修正沥青与集料粘附等级，结果见表5。

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

由表5可知，13.2mm的改性钢渣随着浸酸时间的增加，钢渣的粘附性呈现出下降的趋势，浸泡在3%体积分数/3h的醋酸中对钢渣的粘附性影响较小，与未改性钢渣粘附性相差不大。钢渣浸泡在10%体积分数/12h的醋酸中对其粘附性影响最大，出现近60%的沥青膜浸水后脱落的现象。

另外，在评价钢渣粘附性等级时，目浊法与图像检浊法出现明显差别。粘附性等级为5级时，目浊法与图像检浊法结果基本一致；判定4级粘附性等级时，目浊法判定3组试件均达到要求，而像素法则判定均未达到4级粘附性等级，剥落率分别为13.1%、10.9%、10.4%，均超过规范要求的剥落面积不大于10%。；判定3级粘附性等级时，对于24.3%剥落率的改性钢渣粘附性判断出现差异。判定2级粘附性等级评价一致。结果表明：水煮法评价改性钢渣粘附性时，目浊法在10%、30%界限判断时会出现差异，实验过程中会出现44%情况下目浊法与像素法评价粘附性等级不同的情况。

3.3 不同的粘附性试验对改性钢渣粘附性的影响

对水浸法、水煮法下不同改性钢渣的剥落率进行比较，结果如图4所示。

图4 醋酸改性钢渣在不同评价方法下的剥落率Fig. 4 Peeling rate of steel slag modified by acetic acid under different evaluation methods

由图4可以看出，未改性钢渣的剥落率分别为0.6%、0.7%，与沥青粘附性能良好。而改性后的钢渣，其粘附性均有所降低。从整体来看，水浸法与水煮法评价改性钢渣的粘附性等级时，结果基本一致。改性后的钢渣其粘附性相较与未改性钢渣明显降低，可能是由于酸改性，消耗掉钢渣表面大量的碱性物质，导致其粘附性降低。虽然醋酸改性能增加钢渣表面的微小孔隙［9］，提高钢渣与沥青的物理吸附作用，但从其粘附性结果来看，这种物理吸附作用明显低于沥青与钢渣碱性物质之间形成的化学粘结作用。

由图4也可以看出，12h的浸酸时间对钢渣的粘附性均产生较大影响，钢渣的粘附性均降低至粘附性2级，浸泡时间对钢渣粘附性的影响为12h>6h>3h。多数的改性钢渣剥落率处于在10%～30%之间，此区间的醋酸改性钢渣的数量占其总数的50%左右，不满足《道路用钢渣》(GB/T 25824-2010）规定的沥青混合料用钢渣粘附性等级不小于4级的要求。因此考虑到实际需要，多数醋酸改性钢渣处于3级粘附性等级，建议在拌和沥青混合料时加入抗剥落剂，以提高钢渣与沥青的粘附性。

4 结论

本文采用像素法，探讨了醋酸改性钢渣在不同改性条件下的粘附性，通过试验可以得到如下结论。

（1）9.5mm、13.2mm的醋酸改性钢渣在水煮法、水浸法中的粘附性变化规律基本相同，两种粘附性评价试验差异并不显著。目浊法在10%、30%剥落面积界限判定时会出现失误，整体失误率在30%～40%左右。

（2）醋酸改性能增加钢渣表面的微小孔隙，提高钢渣与沥青的物理吸附作用，但其效果明显低于沥青与钢渣碱性物质之间的化学粘结力形成的作用。

（3）考虑到实际需要，50%情况下醋酸改性钢渣处于3级粘附性等级，建议在拌和沥青混合料时加入抗剥落剂，提高钢渣与沥青的粘附性等级，达到不小于4级的要求。