改性钢渣微粉沥青胶浆路用性能研究.pdf

作 者 简 介：陈 通（），男，江 西 吉 水 人，本 科 学 历，高 级 工 程 师，主 要 从 事 道 路 桥 梁 设 计 技 术 工 作。改性钢渣微粉沥青胶浆路用性能研究陈通（江 西 省 交 通 设 计 研 究 院 有 限 责 任 公 司，江 西 南 昌）摘要：文 章 对硅 烷 偶 联 剂 处 理 钢 渣 微 粉 后 对 沥 青 胶 浆 路 用 性 能 的 影 响 进 行 研 究。研 究 显示，钢 渣 微 粉 掺 量 的 增 加 可 以 填 充 沥 青 胶 浆 中 的 空 隙 和 孔 隙，从 而 增 加 材 料 的 密 实 性 和 粘 着 性。但 钢 渣 的 模 量 显 著 大 于 沥 青，在 沥 青 胶 浆 受 拉 力 作 用 时 易 发 生 应 力 集 中 产 生 断 裂，造 成 沥 青 胶 浆延 度 下 降。结 果 表 明，加 入 硅 烷 偶 联 剂 可 显 著 改 善 钢 渣 微 粉 与 沥 青 胶 浆 之 间 的 相 容 性 和 粘 着 性，减 少 钢 渣 微 粉 对 沥 青 胶 浆 粘 度 和 延 度 的 影 响。关 键 词：钢 渣 微 粉；沥 青 胶 浆；硅 烷 偶 联 剂；路 用 性 能前言传 统 的 路 面 材 料 主 要 由 沥 青 作 为 胶 结 剂、矿 物集 料 作 为 填 充 料 组 成，但 是 由 于 全 球 沥 青 资 源 的 日益 减 少 以 及 车 辆 荷 载 不 断 增 大 等 因 素，传 统 沥 青 路面 材 料 性 能 已 经 无 法 满 足 日 益 增 长 的 交 通 荷 载 需求。与 此 同 时，全 球 每 年 产 生 的 钢 渣 总 量 已 经 超过亿 吨，钢 渣 中 含 有 大 量 的 重 金 属 和 放 射 性 元素 等 有 毒 有 害 物 质，不 但 会 对 土 壤、水 源 和 空 气 造成 严 重 的 污 染，还 会 给 人 类 的 健 康 带 来 巨 大 威胁。中 国 作 为 世 界 上 最 大 的 钢 铁 生 产 国 之 一，钢渣 的 再 利 用 问 题 更 是 亟 待 解 决。结 合 道 路 领 域 对 材 料 需 求 量 大 的 特 点，诸 多 学者 将 钢 渣 用 于 道 路 桥 梁 的 建 设 当 中。唐 咸 远 等用 钢 渣 微 粉 替 代 石 英 粉 制 备 超 高 性 能 混 凝 土，通 过正 交 试 验 设 计 确 定 钢 渣 微 粉 超 高 性 能 混 凝 土天立 方 体 抗 压 强 度 大 于。肖 杰 等通 过 复 合激 发 剂 提 高 钢 渣 微 粉 的 表 面 活 性，并 制 备 了 大 掺 量钢 渣 微 粉 的 水 泥 稳 定 碎 石，结 果 显 示 激 发 后 的 钢 渣微 粉 水 泥 稳 定 碎 石 微 观 孔 隙 与 裂 缝 数 量 显 著 减 少。陈 益 文 等研 究 显 示 钢 渣 微 粉 可 以 显 著 提 高 沥 青胶 浆 的 高 温 流 变 性 能，但 会 造 成 沥 青 与 集 料 的 粘 附性 下 降。对 此，李 超 等研 究 显 示 粗 钢 渣 沥 青 混 合料 的 粘 附 性 能 远 优 于 普 通 集 料 沥 青 混 合 料，但 细 集料 以 及 微 粉 类 材 料 易 造 成 沥 青 混 合 料 路 用 性 能 下降，这 主 要 是 由 于 钢 渣 在 陈 化 过 程 中 会 混 杂 其 他 矿物 成 分，易 引 起 钢 渣 微 粉 与 沥 青 的 粘 附 性 下 降。硅 烷 偶 联 剂 通 常 被 用 于 改 善 有 机 材 料 与 无 机材 料 间 的 界 面 作 用，通 过“桥 接”的 形 式 提 高 两 者 间的 粘 附 性。毋 伟 等对 超 细 二 氧 化 硅 使 用 硅 烷 偶联 剂，通 过 接 枝 工 艺 使 二 氧 化 硅 表 面 的 双 键 结 合 力削 弱。杜 慧 翔 等通 过 硅 烷 偶 联 剂 提 高 了 密 封 胶的 粘 附 性 能。铁 生 年 等通 过 硅 烷 偶 联 剂 提 高 了碳 化 硅 粉 体 的 分 散 性。肖 庆 一 等通 过 硅 烷 偶 联剂 改 善 了 花 岗 岩 以 及 玄 武 岩 集 料 的 粘 附 性 能，并 认为 硅 烷 偶 联 剂 可 增 加 集 料 的 疏 水 性 从 而 提 高 沥 青混 合 料 的 耐 久 性。综 上 所 述，硅 烷 偶 联 剂 可 提 高 材 料 与 沥 青 的 粘附 性 能，但 关 于 硅 烷 偶 联 剂 用 于 提 高 钢 渣 微 粉 沥 青胶 浆 路 用 性 能 的 研 究 较 少。因 此 本 文 采 用硅 烷 偶 联 剂 处 理 钢 渣 微 粉，并 将 其 以 不 同 掺 量 制 备沥 青 胶 浆。通 过 常 规 性 能 试 验、车 辙 因 子 以 及 多 重应 力 蠕 变 恢 复 试 验 研 究 了 钢 渣 微 粉 改 性 前 后 沥 青胶 浆 的 性 能 变 化，为 拓 宽 钢 渣 微 粉 在 沥 青 路 面 中 的应 用 提 供 理 论 依 据。原 材 料 与 试 验 方 法原 材 料试 验 所 用 钢 渣 源 自 萍 乡 某 钢 铁 厂，将 其 用 筛 进 行 筛 分 得 到 钢 渣 微 粉，过 筛 后 的 钢 渣微 粉 物 理 性 能 如 表所 示。基 质 沥 青 来 自 新 越 沥青 的号 基 质 沥 青，其 性 能 结 果 如 表所 示。硅 烷偶 联 剂购 自 淮 安 混 元 化 工 厂。表钢 渣 微 粉 物 理 指 标比 表 面 积（）平 均 粒 径（）（）（）（）（）（）（）钢 渣 微 粉 表 号 基 质 沥 青 的 技 术 指 标项 目技 术 要 求结 果方 法针 入 度（，）软 化 点（）延 度（，）闪 点（）相 对 密 度（）试 验 方 法 钢 渣 微 粉 的 改 性将 过 筛 的 钢 渣 微 粉 放 入烘 箱 中 烘 干 至 恒重，取 出 后 冷 却 放 入 容 器 中，在 容 器 中 倒 入 水 与 乙醇 比 例 为 的 溶 液 直 至值 在 之 间，再 在容 器 中 加 入（占 钢 渣 微 粉 质 量 比）的硅烷 偶 联 剂。将 容 器 放 入的 恒 温 水 浴，并 将 搅 拌器 开 至 的 转 速 搅 拌，并 静 置如图所 示，最 后 放 入的 真 空 干 燥 箱 中 干 燥 至恒 重，得 到 改 性 后 的 钢 渣 微 粉。图钢 渣 微 粉 的 偶 联 搅 拌 与 加 热 沥 青 胶 浆 的 制 备在 制 备 沥 青 胶 浆 前，将号 基 质 沥 青 放 至烘 箱 中 预 热。之 后 将 预 先 称 重 好 改 性 前 后的 钢 渣 微 粉 加 入 基 质 沥 青 中，并 手 动 搅 拌，最后 将 沥 青 胶 浆 放 至 高 速 剪 切 机 下，在与的 条 件 下 剪 切如 图所 示。在 上 述 条 件下 制 备 了 钢 渣 微 粉（改 性 前 后）掺 量 占 沥 青 质 量 比、以 及的 沥 青 胶 浆。图沥 青 胶 浆 高 速 剪 切 常 规 性 能 试 验依 据 公 路 工 程 沥 青 及 沥 青 混 合 料 试 验 规 程 中与对 沥 青 胶 浆 进 行延 度 与 软 化 点 试 验。流 变 性 能 试 验为 研 究 钢 渣 微 粉 沥 青 胶 浆 的 流 变 学 性 能，采 用 动 态 剪 切 流 变 仪 如 图所 示，将沥 青 胶 浆 浇 入 直 径 为的 夹 板 中，并 依 据测 试 其 高 温 性 能。多 重 应 力 蠕 变 恢 复 则 依 据 将 加 载 方 式 由 振 荡 更 改 为 蠕 变 恢 复加 载，通 过 和 应 力 水 平 下 的 蠕 变 恢复 率（）来 表 征 改 性 剂 对 沥 青 弹 性 水 平 的 影 响 以 及不 可 恢 复 蠕 变 柔 量（）则 表 征 抗 永 久 变 形 能 力，其中 试 验 温 度 为。研 究 的 试 验 步 骤 如 图所 示。图动 态 剪 切 流 变 仪原材料钢渣微粉的改性沥青胶浆的制备常规性能试验流变性能试验图试 验 过 程 与 步 骤试 验 结 果 与 分 析常 规 性 能 分 析由 图可 知，随 着 改 性 前 后 钢 渣 微 粉 的 掺 量 增加，沥 青 胶 浆 的 针 入 度 均 出 现 了 明 显 下 降，即 掺 入钢 渣 微 粉 会 使 沥 青 胶 浆 变 得 更 加 粘 稠 且 刚 度 更 大。钢 渣 微 粉 改 性 后 的 沥 青 胶 浆 针 入 度 略 大 于 改 性 前，这 是 由 于 硅 烷 偶 联 剂 会 在 钢 渣 微 粉 表 面 形 成 一 层保 护 膜，减 少 微 粉 颗 粒 之 间 的 黏 着 作 用，导 致 沥 青胶 浆 的 粘 度 降 低。此 外，无 论 改 性 与 否，随 着 钢 渣微 粉 掺 量 的 继 续 增 加，针 入 度 减 小 的 速 度 缓 慢 下降，这 可 能 是 因 为 当 钢 渣 微 粉 的 掺 量 达 到 一 定 程 度后，其 对 沥 青 胶 浆 的 影 响 已 经 趋 于 饱 和。图中 延 度 值 的 变 化 趋 势 与 针 入 度 值 相 似，这是 由 于 钢 渣 微 粉 的 加 入 可 以 填 充 沥 青 胶 浆 中 空 隙和 孔 隙，从 而 增 加 了 材 料 的 密 实 性 和 粘 着 性，但 钢渣 的 模 量 显 著 大 于 沥 青，在 沥 青 胶 浆 受 拉 力 作 用 时易 发 生 应 力 集 中 产 生 断 裂，造 成 沥 青 胶 浆 延 度 下降。硅 烷 偶 联 剂 的 加 入 能 够 改 善 钢 渣 微 粉 与 沥 青胶 浆 之 间 的 相 容 性 和 粘 着 性，减 少 了 钢 渣 微 粉 对 沥青 胶 浆 粘 度 和 延 度 的 影 响，但 是 在 高 浓 度 掺 量 下，的 作 用 时 较 小。原样钢渣微粉改性钢渣微粉0246810掺量/%706050403020针入度/dmm图钢 渣 微 粉 沥 青 胶 浆 改 性 前 后 针 入 度原样钢渣微粉改性钢渣微粉0246810掺量/%3020100延度/cm图钢 渣 微 粉 沥 青 胶 浆 改 性 前 后 延 度失 效 温 度 分 析当 沥 青 不 断 受 到 剪 切 应 力 时，其 黏 度 会 随 着 温度 的 升 高 而 逐 渐 降 低，直 到 黏 度 降 至 一 定 程 度，沥青 开 始 失 去 其 结 构 强 度，形 成 剪 切 带，此 时 所 对 应的 温 度 称 为 失 效 温 度，对 于 未 老 化 的 原 样 沥 青 而 言对 应 车 辙 因 子 为 时 的 温 度。通 常 情 况 下，失 效温 度 越 高，说 明 沥 青 的 抗 剪 切 能 力 越 强，其 路 用 性能 也 就 越 好。由 图可 知，随 着 钢 渣 微 粉 掺 量 的 增加，改 性 前 后 钢 渣 微 粉 沥 青 胶 浆 的 车 辙 因 子 对应 的 失 效 温 度 均 有 明 显 提 高，这 表 明 钢 渣 微 粉 能 够提 高 沥 青 胶 浆 的 高 温 稳 定 性 能。此 外，硅 烷 偶 联 剂改 性 后 的 钢 渣 微 粉 改 性 沥 青 胶 浆 高 温 性 能 提 升 更为 显 著，这 是 由 于 钢 渣 微 粉 的 表 面 经 过处 理后，与 沥 青 胶 浆 中 的 沥 青 分 子 发 生 化 学 反 应，形 成了 化 学 键 结 构，从 而 使 钢 渣 微 粉 与 沥 青 分 子 之 间 的相 互 作 用 力 增 强，形 成 了 更 加 稳 定 的 沥 青钢 渣 微粉 体 系。这 种 化 学 键 结 构 的 形 成，能 够 有 效 提 高 沥青 胶 浆 的 高 温 稳 定 性 能，使 得 沥 青 胶 浆 在 高 温 条 件下 具 有 更 好 的 抗 变 形 能 力，从 而 提 高 了 车 辙 因 子 对 应 的 失 效 温 度。原样钢渣微粉改性钢渣微粉0246810掺量/%90807060温度/图钢 渣 微 粉 沥 青 胶 浆 改 性 前 后 车 辙 因 子时 温 度原样钢渣微粉改性钢渣微粉0246810掺量/%3.63.02.41.81.20.1kPa不可恢复蠕变柔量/kPa图 不 可 恢 复 蠕 变 柔 量多 重 应 力 蠕 变 恢 复 分 析由 图与 图可 知，不 可 恢 复 蠕 变 柔 量 随 着 钢渣 微 粉 掺 量 的 增 加 而 逐 渐 减 小，且 经 过 硅 烷 偶 联 剂处 理 后 减 少 的 更 多。这 是 由 于 钢 渣 微 粉 会 导 致 沥青 分 子 之 间 的 空 隙 变 小，使 其 链 段 运 动 减 小，从 而增 加 了 沥 青 胶 浆 的 粘 度。高 粘 度 的 沥 青 胶 浆 对 于剪 切 的 抵 抗 力 更 大，进 而 导 致 不 可 恢 复 蠕 变 柔 量 增大。而 硅 烷 偶 联 剂 能 够 与 钢 渣 微 粉 表 面 上 的 氢 氧基 反 应 生 成 化 学 键，形 成 与 油 墨 颜 料 类 似 的 覆 盖层，进 而 有 效 提 高 钢 渣 微 粉 与 沥 青 之 间 的 相 容 性，并 降 低 了 颗 粒 之 间 的 摩 擦 力 和 沥 青 分 子 的 内 聚 力，从 而 减 小 了 沥 青 胶 浆 的 粘 度，降 低 了 不 可 恢 复 蠕 变柔 量。此 外，随 着 钢 渣 微 粉 掺 量 的 增 加，的不 可 恢 复 蠕 变 柔 量 的 降 幅 更 大。这 是 由 于 的 不 可 恢 复 蠕 变 柔 量 相 对 于 的 不 可 恢 复 蠕变 柔 量 更 加 敏 感，对 改 性 效 果 的 检 测 更 加 准 确。原样钢渣微粉改性钢渣微粉0246810掺量/%4.23.63.62.43.2kPa不可恢复蠕变柔量/kPa图 不 可 恢 复 蠕 变 柔 量原样钢渣微粉改性钢渣微粉0246810掺量/%161412108640.1kPa蠕变恢复率/%图 不 可 恢 复 蠕 变 柔 量由 图与 图可 知，在 的 条 件 下，原样 钢 渣 微 粉 沥 青 胶 浆 的 蠕 变 恢 复 率 从逐 渐 降低 到，而 钢 渣 微 粉 改 性 后 的 沥 青 胶 浆 的 蠕 变恢 复 率 从逐 渐 提 高 到，再 降 低 至。在 的 条 件 下，原 样 钢 渣 微 粉 沥 青胶 浆 的 蠕 变 恢 复 率 从 逐 渐 降 低 到，而 钢渣 微 粉 改 性 后 的 沥 青 胶 浆 的 蠕 变 恢 复 率 从 逐渐 提 高 到，再 降 低 至。这 表 明 钢 渣 微 粉经 硅 烷 偶 联 剂 处 理 后 能 够 显 著 提 高 沥 青 胶 浆 的 蠕变 恢 复 率，对 于 改 善 沥 青 混 合 料 的 抗 蠕 变 性 能 具 有较 好 的 效 果 且 在 掺 量 为时 达 到 最 大 蠕 变 恢复 率。原样钢渣微粉改性钢渣微粉02468104.03.53.02.52.01.51.03.2kPa蠕变恢复率/%图 不 可 恢 复 蠕 变 柔 量结语钢 渣 微 粉 沥 青 胶 浆 是 当 前 道 路 研 究 领 域 的 热点 之 一，偶 联 剂 改 性 有 效 提 升 了 其 路 用 性 能。本 研究 对 改 性 钢 渣 微 粉 沥 青 胶 浆 的 路 用 性 能 进 行 了 初步 探 讨，可 得 以 下点 结 论，证 实 了 其 理 论 可 行 性，后 续 可 对 钢 渣 微 粉 沥 青 胶 浆 路 面 耐 久 性 能 进 行 进一 步 研 究：（）钢 渣 微 粉 掺 量 的 增 加 会 使 沥 青 胶 浆 变 得 更加 粘 稠 和 刚 度 更 大，从 而 减 小 针 入 度；（）加 入 硅 烷 偶 联 剂 可 以 改 善 钢 渣 微 粉 与 沥 青胶 浆 之 间 的 相 容 性 和 粘 着 性，减 少 钢 渣 微 粉 对 沥 青胶 浆 粘 度 和 延 度 的 影 响；（）钢 渣 微 粉 能 够 提 高 沥 青 胶 浆 的 高 温 稳 定 性能，使 得 沥 青 胶 浆 在 高 温 条 件 下 具 有 更 好 的 抗 变 形能 力，从 而 提 高 车 辙 因 子 对 应 的 失 效 温 度。加入 硅 烷 偶 联 剂 后，钢 渣 微 粉 改 性 沥 青 胶 浆 高 温 性 能提 升 更 为 显 著。参 考 文 献：程 劲 钊，杜 素 军一 般 工 业 固 废 在 公 路 行 业 应 用 及 政 策 与标 准 现 状 交 通 节 能 与 环 保，（）：于 华 洋，马 涛，王 大 为，等中 国 路 面 工 程 学 术 研 究 综 述中 国 公 路 学 报，（）：唐 咸 远，马 杰 灵，罗 杰，等钢 渣 微 粉 生 态 型 超 高 性 能 混 凝土 力 学 性 能 影 响 因 素 分 析 硅 酸 盐 通 报，（）：肖 杰，龙 晨 杰，何 建 刚，等大 掺 量 激 活 钢 渣 微 粉水 泥 稳定 碎 石 性 能 及 微 观 特 性 中 国 公 路 学 报，（）：陈 益 文钢 渣 微 粉 表 面 特 性 及 沥 青 胶 浆 高 温 流 变 性 能 研 究 福 建 建 筑，（）：李 超，陈 宗 武，谢 君，等钢 渣 沥 青 混 凝 土 技 术 及 其 应 用 研究 进 展 材 料 导 报，（）：毋 伟，陈 建 峰，屈 一 新硅 烷 偶 联 剂 的 种 类 与 结 构 对 二 氧化 硅 表 面 聚 合 物 接 枝 改 性 的 影 响 硅 酸 盐 学 报，（）：杜 慧 翔，黄 活 阳，王 文 鹏，等硅 烷 偶 联 剂 的 偶 联 作 用 机 理及 其 在 密 封 胶 中 的 应 用 化 学 与 黏 合，（）：铁 生 年，李 星硅 烷 偶 联 剂 对 碳 化 硅 粉 体 的 表 面 改 性 硅 酸 盐 学 报，（）：肖 庆 一，钱 春 香，解 建 光偶 联 剂 改 善 沥 青 混 凝 土 性 能 及油 石 界 面 试 验 研 究 东 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版），（）：（上 接 第页）通 过 现 场 调 查，结 合 以 上 检 测 数 据 可 以 得 出 结论：级 配的 芯 样 空 隙 最 少，最 为 密 实，路 用 性 能 检测 指 标 最 佳。结语本 文 选 取 大 广 高 速 武 吉 北 段年 微 表 处 路段 作 为 试 验 段，探 索 就 地 热 再 生 养 护 技 术 在 高 速 公路 微 表 处 路 面 养 护 的 可 行 性，通 过 目 标 配 合 比 设 计确 定 了 再 生 剂 用 量、矿 料 级 配 和 油 石 比，并 对 混 合料 性 能 进 行 了 验 证，在 目 标 配 合 比 的 基 础 上 进 行 施工，得 到 五 个 级 配 的 试 验 段，通 过 施 工 后 检 测 数 据和 通 车年 后 跟 踪 检 测 数 据 可 知：级 配试 验 段（）各 项 检 测 数 据 满 足 技 术 要 求，铺 面 效 果 良 好，地 热 再 生 养 护 技 术 在 高 速 公 路 微 表处 路 面 具 有 可 行 性。参 考 文 献：王 红 永含 微 表 处 复 杂 结 构 层 的 沥 青 路 面 就 地 热 再 生 施 工技 术 研 究 交 通 世 界，（）：张 建就 地 热 再 生 技 术 在 有 微 表 处 的 沥 青 路 面 养 护 中 的 应用 现 代 交 通 技 术，（）：金 刚，徐 亚 林，张 兴 明，等就 地 热 再 生 在 高 速 公 路 微 表 处 路面 维 修 中 的 应 用 交 通 世 界，（）：尚 云 龙，黄 云 勇，杨 洪 生，等 年 全 国 公 路 养 护 技 术 学术 年 会 论 文 集 厦 门：中 国 公 路 学 会：