钢渣粉/聚酯纤维沥青混合料水稳定性研究

2023-02-25张抒幻吴金荣张涛

科学技术与工程 2023年2期

张抒幻，吴金荣*，张涛

(1.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，淮南 232001； 2.安徽理工大学土木建筑学院，淮南 232001)

在中国北部及中部大部分地区(以河南省为例)的冬季降雪天气下，在沥青路面上撒布盐类融雪剂除冰化雪的过程会伴随着冻融循环作用，对沥青路面造成盐分腐蚀作用[1-3]，从而水稳定性能大大受挫。

许多学者为改善沥青混合料的水稳定性能对材料组分进行改性处理，叶树鹏等[4]以聚酯纤维掺量为变量制备沥青混合料试件，通过在NaCl溶液和Na2SO4溶液中进行侵蚀以及冻融劈裂试验，发现聚酯纤维最佳掺量为0.4%时，透水沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比最大，水稳定性最好。魏家光[5]通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、冲刷性能试验，分析了聚酯纤维对砾石沥青混合料水稳定性能的影响。结果表明：聚酯纤维的掺入能平均提升砾石沥青混合料16%的残留稳定度、25%的冻融劈裂强度比；当冲刷质量损失降到最低值0.056%时，得出聚酯纤维最佳掺量为0.45%。王修山等[6]进行冻融劈裂试验发现当聚酯纤维掺量3%、硫酸钙晶须(calcium sulfate whisker， CSW)掺量2.5%时，冻融劈裂强度比值最高，较基质沥青混合料提高了30%，并且聚酯纤维对沥青混合料水稳定性的改善效果较CSW好。

将钢渣作为集料或填料应用在沥青混合料中，既能减少工业废弃物堆积污染的现象，又能解决资源稀缺的问题[7]。学者们研究发现钢渣粉与石灰石粉相比，钢渣粉具有更细的粒度和更丰富的表面构造，并且含有大量的CaO，是一种高碱性矿渣填料，更有利于增加与酸性沥青胶浆的嵌合力和黏结性[8]。刘澔[9]采用钢渣集料和钢渣粉分别替代天然集料和矿粉制备沥青混合料，评价其静水和动水环境下的水敏感性，研究发现钢渣粉和钢渣集料均可提升沥青混合料的长期抗冻融损害能力和抗动水损害性能，且两者复掺时提升效果更显著。Xiao等[10]采用80 ℃水浸试验测试沥青砂浆与集料的粘附性，并通过马歇尔稳定性试验和冻融劈裂试验分析不同填料对沥青混合料水稳定性的影响。结果表明，钢渣粉部分替代矿粉提高了集料的沥青覆盖率以及沥青砂浆与集料的粘附性，当钢渣粉替代矿粉的掺量为25%时水稳定性最优。李继文[11]研究不同掺量的钢渣粉取代矿粉后沥青混合料水稳定性能的变化规律，并得出当钢渣粉替代量大于等于75%时，沥青混合料的水稳定性指标显著提高。

之前的研究大多数分析钢渣粉或单一纤维对沥青混合料的水稳定性的影响，而对钢渣研磨成的钢渣粉和聚酯纤维同时加入沥青混合料时的水稳性能及其微观机理的研究较少。在已有研究成果基础上，现结合钢渣粉、聚酯纤维、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolymer，SBS )改性沥青以及AC-13级配的优良特性，得出在复盐冻融循环作用下的不同聚酯纤维掺量、以及最佳纤维掺量下不同钢渣粉替代率的AC-13改性沥青混合料的水稳定性能的变化规律，以期设计出较适用于中国中部及北方地区降雪天气下的沥青路面材料，并提供一定的理论参考依据。

1 试验材料及试验方法

1.1 原材料

试验级配采用AC-13，矿料级配如表1所示。

沥青采用SBS改性沥青I类D型；集料选用石灰岩，填料采用钢渣粉替代矿粉，钢渣粉质量替代率为0、25%、50%、75%、100%，基本性能指标如表2所示；外掺剂采用聚酯纤维，质量掺量为0、0.3%、0.4%、0.5%，各项指标参数[12]如表3所示；混合型融雪剂溶液的质量分数为15%，其掺量配比为NaCl∶CaCl2∶CH2COONa=1∶1∶2。

表1 矿料级配Table 1 Mineral aggregate gradation

表2 石灰石S95矿粉和钢渣粉填料基本性能指标Table 2 Basic performance indexes of limestone S95 ore powder and steel slag powder filler

表3 聚酯纤维的技术指标Table 3 Technical index of polyester fiber

1.2 最佳沥青用量

最佳沥青用量由室内标准马歇尔试验确定，结果表明聚酯纤维掺量为0、0.3%、0.4%、0.5%时，最佳沥青用量分别为5.36%、5.51%、5.62%、5.68%。由于聚酯纤维的亲油性，在纤维适宜掺量范围内，沥青混合料最佳沥青用量随着纤维掺量的增加而增加。

1.3 试验设计

采用双面击实50次制作标准马歇尔试件[直径(101. 6±0.25) mm、高(63. 5±1.3) mm]，制作方法依据的是《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中T0702-201 试验规程[13]。为模拟沥青路面的浸水状态，在冻融循环之前，采用常温常压浸泡饱水，试件饱水时间为100 h。综合考虑除冰效果、经济环保效益来确定盐水成分与浓度，因此采用质量分数为15%的复合型融雪剂溶液，掺量配比为NaCl∶CaCl2∶CH2COONa=1∶1∶2。同时，选取冻融循环次数为0、2、4、6、8次，开展室内复盐冻融循环劈裂试验(-20 ℃低温13 h，40 ℃水浴11 h为1次盐冻融循环)，来模拟河南省内冬季沥青路面的除冰实况[14-15]。将冻融循环后的试件浸入(25±0.5) ℃的水浴箱中水浴不少于2 h，取出试件置于WDW-20微机控制电子万能试验机，调整试件和夹具位置，采用闭环加载50 mm/min进行劈裂试验，试件加载方式如图1所示。最后对试件取样，进行SEM和XRD检测。聚酯纤维掺量由X表示，钢渣粉替代率由G表示，冻融循环次数由D表示。

图1 加载方式Fig. 1 Loading way

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

沥青混合料水稳定性采用冻融劈裂抗拉强度比(TSR)来评价。采用冻融腐蚀因子K表征沥青混合料受清水冻融作用和受盐水冻融侵蚀作用的相对变化规律，K越大，说明抗盐蚀能力越强[16]。其计算公式为

(1)

式(1)中：TSR为第n次冻融劈裂抗拉强度比，%；RTn为第n次冻融后试件劈裂抗拉强度，MPa；RT1为未经过冻融试件的劈裂抗拉强度，MPa。

(2)

式(2)中：K为冻融腐蚀因子；fw为清水中相同冻融批次试件的劈裂抗拉强度，MPa；ff为盐水中相同冻融批次试件的劈裂抗拉强度，MPa。

2.2 聚酯纤维最佳掺量的确定

图2和表4分别为清水溶液和复盐溶液下冻融劈裂抗拉强度和TSR随不同的纤维掺量和冻融次数的变化规律。图2中D0、D2、D4、D6、D8分别指的是冻融循环0、2、4、6、8次。

图2 不同聚酯纤维掺量下冻融劈裂抗拉强度在不同溶液下的变化规律Fig.2 The variation of the tensile strength of different polyester fiber dosage in different solutions

表4 不同聚酯纤维掺量下的TSRTable 4 TSR of different polyester fiber dosage

同一聚酯纤维掺量下，无论是在清水中还是在盐溶中，随着冻融循环次数的增加，试件的冻融劈裂抗拉强度均呈下降趋势，尤其当冻融循环次数从第4～第6次时试件的冻融劈裂抗拉强度和TSR下降幅度较大。

同一冻融循环次数下，无论是在清水还是在盐水中，随着聚酯纤维掺量的增加，试件的冻融劈裂抗拉强度和TSR均呈现出先增大后减小变化趋势，劈裂抗拉强度和TSR达到峰值时，这时最佳聚酯纤维掺量为0.4%；当聚酯纤维掺量从0增大到0.4%时，试件在清水中冻融循环0、2、4、6、8次后的冻融劈裂抗拉强度分别由1.305、1.198、1.125、1.019、0.956 MPa增大至1.485、1.393、1.342、1.223、1.161 MPa，增幅为13.8%～21.4%。试件在盐水中冻融循环0、2、4、6、8次后的劈裂抗拉强度分别由1.042、0.915、0.856、0.731、0.656 MPa增大至1.326、1.223、1.164、1.003、0.951MPa，增幅为27.3%～45.0%。另外，在清水中的冻融循环2、4、6、8次后的TSR增幅为2.2%～6.7%；在盐水中的冻融循环2、4、6、8次后的TSR增幅为5%～13.8%，这说明 0.4%聚酯纤维掺量改善了沥青混合料的水稳定性。

此外，当冻融循环次数和聚酯纤维掺量一定时，盐水中沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度和TSR均小于清水中。

通过冻融劈裂抗拉强度和TSR，综合确定最佳聚酯纤维掺量为0.4%，掺入聚酯纤维能够增强沥青混合料的抗盐蚀性能和抗弯拉强度，对水稳定性有改善作用。

2.3 钢渣粉最佳替代率的确定

在得出的沥青混合料最佳聚酯纤维掺量之后，进一步探讨最佳的钢渣粉替换率。表5和图3分别为清水溶液和复盐溶液下冻融劈裂抗拉强度和TSR随不同的钢渣粉替代率和冻融次数的变化规律。

同一钢渣粉替代率下，在清水中和在盐水中试件的冻融劈裂抗拉强度和TSR均随着冻融循环次数的增加呈下降趋势。说明冻融循环加剧水分盐分对试件的侵蚀作用。

同一冻融循环次数下，无论是在清水还是在盐水中，随着钢渣粉替代率的增加，沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度和TSR在钢渣粉替代率为0～50%时，上升较快；在钢渣粉替代率为50%～75% 时，上升较为缓慢；在钢渣粉替代率为75%～100% 时，则是下降的趋势。冻融劈裂抗拉强度和TSR达到峰值时，对应的钢渣粉最佳替代率为75%。相比于钢渣粉替代率为0，钢渣粉替代率为75%下的沥青混合料劈裂抗拉强度在清水中和盐水中进行冻融循环0、2、4、6、8次后分别提升14.1%、16.5%、16.8%、17.3%、17.1%和17.7%、 20.8%、20.3%、22.4%、21.6%。在清水中的冻融循环2、4、6、8次后的TSR增幅为2%～2.6%；在盐水中的冻融循环2、4、6、8次后的TSR增幅为2.2%～4.1%，这表明聚酯纤维和适量的钢渣粉的组合可以很好地提高沥青混合料抵抗盐分水分侵蚀的能力。

表5 不同钢渣粉替代率下的TSRTable 5 TSR of different slag powder substitution rates

当冻融循环次数和钢渣粉替代率一定时，沥青混合料在盐溶液中冻融劈裂抗拉强度和TSR均小于清水中。这是因为盐水中Na+和醋酸阴离子对沥青具有乳化作用[17-18]。相对于单纯的水分子来说，盐溶液对沥青膜的侵蚀更强烈，进而导致沥青混合料水稳定性大大降低。

图3 不同钢渣粉替代率下冻融劈裂抗拉强度在不同溶液下的变化规律Fig.3 The variation of the tensile strength of different slag powder substitution rates in different solutions

通过冻融劈裂抗拉强度和TSR，综合确定AC-13聚酯纤维沥青混合料的钢渣粉最佳替代率为75%。钢渣粉和矿粉以3∶1的比例作为填料加入聚酯纤维沥青混合料之后，使得水稳定性又进一步得到改善。随后以X0G0、X0.4G0和X0.4G75这3种试件为代表进行冻融腐蚀因子K的研究，综合分析出冻融循环次数以及盐分侵蚀对沥青混合料的水稳定性的影响，进而反映出聚酯纤维与钢渣粉对沥青混合料的宏观改性效果。

从图4中可以看出，无论是哪一种试件，K都随着冻融循环次数的增加而降低，说明盐分对试件侵蚀程度随着冻融次数的增加愈加严重，即试验模拟的冬季冰雪天气下使用融雪剂会对沥青路面的水稳定性造成严重的破坏作用。X0G0的试件K降低程度最大，X0.4G0次之，X0.4G75降低程度最小。这说明了试件的抗侵蚀能力大小：X0G0

图4 典型沥青混合料试件的冻融腐蚀因子Fig.4 Freeze-thaw corrosion factors of typical asphalt mixture specimens

3 材料改性机理分析

3.1 聚酯纤维改性机理分析

聚酯纤维具有单丝抗拉强度高、韧性好、耐腐蚀、廉价等优点且综合改性能力优异。掺入适量聚酯纤维能够降低沥青对温度的敏感性，增强混合料的劲度、塑性、整体性，聚酯纤维在沥青混合料中发挥稳定剂和强化剂的作用[5]，位于沥青混合料中的聚酯纤维的微观分布形态如图5所示。图5中X0、X0.4、X0.5分别指代聚酯纤维掺量为0%、0.4%、0.5%的沥青混合料试件。

图5 聚酯纤维在沥青混合料中的微观形态Fig.5 Micromorphology of polyester fiber in asphalt mixture

由图5可以看出，与不加聚酯纤维的情况相比，0.4%掺量下的聚酯纤维末端部与沥青连接形成“触角”，对混合料内部结构起到锚固、嵌锁的效果；纤维表面和纤维根部均与沥青牢固黏结，使集料表面的有效沥青膜变密实，有效“结构沥青”增加，形成强度较高的界面层；整体上纤维在骨料中相互搭接，形成的致密、错落有致、抗拉强度高、类似于“带肋钢筋”作用的空间网格结构，充分地起到加筋、增韧和稳固的效果，还能够限制矿料界面的相对滑移。聚酯纤维形成的网状结构较好地分散和传递外界应力，减少了应力集中现象。由于聚酯纤维比表面积大和亲油特性，增加了沥青用量，聚酯纤维吸收了沥青组分中的饱和分使得沥青变稠，增加了沥青的黏性，增强了沥青与集料的裹覆搭接作用，增加了沥青膜厚度，降低了沥青膜脱落的风险。当遭受清水或盐溶液冻融侵蚀时，聚酯纤维网状结构及结构沥青会阻止水分、盐分的入侵，进而改善了沥青混合料的水稳定性。

然而当聚酯纤维掺量超过最佳用量达到0.5%时，聚酯纤维的分散性降低，聚酯纤维团使得沥青裹覆骨料的能力下降，同时容易产生强度薄弱区，沥青混合料的综合性能反而下降。

3.2 钢渣粉改性机理分析

借助X射线衍射试验(XRD)研究钢渣粉和石灰岩S95矿粉的矿物相组成，如图6所示，存在于沥青混合料中钢渣粉和矿粉的微观形态如图7所示。图7中G0、G75、G100分别指代最佳聚酯纤维掺量下钢渣粉替代率为0%、75%、100%的沥青混合料试件。

从图6可知，钢渣粉主要由碳酸钙(CaCO3)、二氧化硅(SiO2)、氢镁硅酸盐[H(Mg2SiO4)8]、镁铝合金(Mg17Al12)、四氧化三铁(Fe3O4)以及氧化铁(FeO)矿物相组成。矿粉主要矿物相组成是黏土物质[Al2Si2O5(OH)4]和二氧化硅(SiO2)。现在普遍认为钢渣体积膨胀是f-CaO(游离氧化钙)造成的，但粗钢渣碎化成钢渣粉的过程可以加速分解掉钢渣中f-CaO，降低了钢渣粉的水化膨胀性，保证了钢渣粉沥青胶浆的稳定性[19]。因此钢渣粉XRD衍射图谱中未能找到明显的f-CaO衍射峰。

图6 XRD衍射结果Fig.6 XRD diffraction results

当水分侵入沥青混合料与钢渣粉的接触面时，其表面会发生水化反应[20-21]，反应如式(3)和式(4)所示。适量的水化产物如C-S-H凝胶(水化硅酸钙)，可以增加黏结强度[22]，其胶凝特性会使水化及盐冻侵蚀减慢，并且可以填充混合料的微空隙[23]。此外，钢渣粉颗粒中的微量元素S等可以对沥青进行良性改性[20]。由于沥青本身含有多种酸性基团，呈强碱性的钢渣粉与改性沥青接触时发生化学反应形成化学吸附层，导致了沥青的轻质油分被吸收，从而提升与沥青的界面黏结强度致使水分不易侵入[24]。

图7 钢渣粉和矿粉在沥青混合料中的微观形态Fig.7 Microstructure of steel slag powder and ore powder in asphalt mixture

3Cao·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2yH2O+

(3-x)Ca(OH)2

(3)

2Cao·SiO2+mH2O=xCaO·SiO2yH2O+

(2-x)Ca(OH)2

(4)

由SEM微观(图7)可以看出，钢渣粉相对于矿粉来说，粒径相对较小，颗粒棱角较明显具有较粗糙的表面形貌。钢渣粉与沥青粘附后，由于自身的外观特征会使沥青胶结料强度更大，与沥青嵌合能力较好。与矿粉-沥青界面相比，钢渣粉表面裹覆的沥青厚度较厚，黏结程度较好，使得界面强度更高。

当钢渣粉替代率达到75%时，整个微观图中的混合料内部结构错落有致，沥青膜光滑且厚实，结构沥青比重较高。这是由于钢渣粉具有比矿粉更大的比表面积，可以裹覆更多自由沥青来形成更多“结构沥青”，增加混合料内部有效沥青膜厚度。同时钢渣粉会很好地弥补矿粉的不足，进一步细化填料级配，填充矿粉不能填充的空隙，改善了沥青胶浆性能，增强了混合料抗侵蚀性能。混合料在经受盐冻侵蚀时，具有较高表面能的集料更倾向于吸附极性强于沥青的带电粒子Na+、Ca+和 Cl-来降低自身表面能，达到能量稳定状态；另一方面水分子会与醋酸阴离子的亲水性极端(COO-)结合生成氢键，黏附在集料表面，并且这种黏附作用大于沥青对集料的黏附作用，并随冻融次数的增加会加速侵蚀沥青甚至导致沥青脱落[25]。由于沥青、钢渣粉和矿粉三者存在界面能量作用(图8)以及钢渣粉和矿粉的外貌形态的差异，这两种填料之间会相互挤压，相互产生不均匀作用力，使得自身吉布斯自由能增加。此时的填料会快速吸附沥青发生极化反应，并产生范德华力，形成物理定向层。形成的物理定向层紧紧吸附沥青分子，填料与沥青的内部黏聚力的增强效应会降低水分和盐分穿过沥青膜浸入混合料内部的几率，从而减少水损害的发生。吸附沥青的这个过程是由于填料为达到相对稳定状态产生能量交换来降低自身的吉布斯自由能[26]而自发产生的。