李 松， 張 彩 利， 丁 維 哲， 王 犇， 李 天 豪

(河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401 )

0 引 言

鋼渣與天然石料相比具有優(yōu)異的力學(xué)性能，鋼渣路用已經(jīng)成為道路行業(yè)新焦點(diǎn)．瀝青和集料黏附性能與集料表面特性有關(guān)，黏附性影響瀝青路面的水穩(wěn)定性、耐久性等[1]．鋼渣為工藝巖，其表面構(gòu)造、化學(xué)組分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等不同于一般自然界巖石的，表面展現(xiàn)出特殊的性質(zhì)，這直接或間接影響、制約瀝青混合料的性能，故只有對鋼渣-瀝青界面黏附特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，才能發(fā)揮鋼渣瀝青混合料路用性能潛力．鋼渣多孔結(jié)構(gòu)易吸收瀝青，其高堿度化學(xué)成分易與弱酸性瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，表面形貌易影響與瀝青物理作用[2]．相關(guān)學(xué)者對瀝青-集料界面作用性能已做了大量研究，甘新立[3]認(rèn)為集料孔隙分布特征影響瀝青與集料黏附性能及對瀝青吸附量．陳國明等[4]研究了集料表面粗糙度與瀝青混合料水穩(wěn)定性能關(guān)系．楊文鋒等[5]認(rèn)為集料吸收瀝青受集料孔隙分布特征影響，提出集料孔隙吸收瀝青量約為7.5%．李繼文[6]研究了鋼渣粉物理化學(xué)性質(zhì)與瀝青相容性關(guān)系．孫煒[7]研究了瀝青膜與集料界面之間作用強(qiáng)度關(guān)系．成志強(qiáng)等[8]利用表面能及拉脫試驗研究了瀝青膜從集料界面剝落機(jī)制．Huang等[9]研究了瀝青膜在集料界面上流變行為，發(fā)現(xiàn)集料界面會吸附瀝青中的極性組分，并且與極性組分發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)．虞將苗等[10]采用原子力顯微鏡研究了微觀尺度下瀝青與集料黏附作用，發(fā)現(xiàn)化學(xué)作用對瀝青-集料界面黏附性能影響顯著．王元元[11]采用紫外分光光度計研究了集料對瀝青吸附量，探討了瀝青-集料界面在無水條件下的黏附性能．

綜上所述，目前關(guān)于瀝青-集料界面作用性能已有廣泛研究．然而，對鋼渣集料吸附瀝青機(jī)理方面研究還不夠全面和系統(tǒng)．鑒于此，本文以石灰?guī)r為對照，從鋼渣集料孔隙吸附、化學(xué)反應(yīng)、表面黏結(jié)3個角度分析鋼渣與瀝青黏附機(jī)理，結(jié)合室內(nèi)試驗評價鋼渣集料水穩(wěn)定性．

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

1.1.1 集料 本研究所用集料為熱悶鋼渣、冷棄陳渣(外觀如圖1所示)及石灰?guī)r，均來自唐山，所用鋼渣均在自然條件下陳化半年．集料主要技術(shù)指標(biāo)見表1，基本化學(xué)成分見表2．所用鋼渣基本性能指標(biāo)均滿足規(guī)范《道路用鋼渣》(GB/T 25824—2010)技術(shù)要求．

表1 集料主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical indicators of aggregate

表2 集料基本化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.2 Basic chemical composition analysis results of aggregate

1.1.2 瀝青 選用京博70#道路石油瀝青，各項性能指標(biāo)見表3，其性能均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中相關(guān)技術(shù)要求．

表3 瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.3 Asphalt technical indicators

(a)熱悶鋼渣

1.2 試驗方案

1.2.1 壓汞儀試驗 采用美國Quantachrome公司PM-33-18型壓汞儀對集料樣品進(jìn)行孔隙特征分析．選取具有代表性、粒徑相同的集料與瀝青按照油石比0%、1.0%、1.5%、2.0%進(jìn)行拌和，拌和時集料溫度為180 ℃，瀝青溫度為140 ℃，為了保證試驗結(jié)果的精確性，各油石比取6粒，對結(jié)果求平均值．

1.2.2 傅里葉紅外光譜試驗 采用德國布魯克公司V80型傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)對樣品官能團(tuán)進(jìn)行對比分析．通過振動磨機(jī)將熱悶鋼渣研磨成粉，取0.075 mm以下鋼渣粉進(jìn)行溴化鉀壓片；將加熱至180 ℃的鋼渣粉與140 ℃的瀝青按質(zhì)量比2∶1進(jìn)行均勻拌和，制備成鋼渣粉瀝青膠漿；同時，將基質(zhì)瀝青作為對照組進(jìn)行試驗．

1.2.3 接觸角儀試驗 采用德國KRUSS公司DAS30光學(xué)接觸角儀對集料與瀝青的接觸角進(jìn)行測定．將集料切割成3 cm×3 cm×3 cm平面光滑的立方塊，徹底清洗干凈集料表面后烘干；將加熱好的140 ℃瀝青滴在不同溫度(25、45、65、85、105 ℃)集料表面，每組溫度進(jìn)行3次平行試驗，對結(jié)果求平均值．

1.2.4 原子力顯微鏡試驗 采用韓國Park NX10型原子力顯微鏡(AFM)對集料表面微觀特征進(jìn)行測定，測定區(qū)域面積為10 μm×10 μm．將集料切割成3 cm×3 cm×3 cm平面光滑的立方塊，用1000#砂紙打磨集料表面，消除切割紋理，徹底清洗干凈集料表面，進(jìn)行烘干．

1.2.5 掃描電鏡試驗 采用美國FEI公司的Quanta 450FEG掃描電鏡對熱悶鋼渣-瀝青、石灰?guī)r-瀝青界面特征進(jìn)行分析．將熱悶鋼渣、石灰?guī)r加熱至180 ℃，放入140 ℃基質(zhì)瀝青中15 s，一半裸露在外部，然后取出待其自然冷卻．

1.2.6 水穩(wěn)定性評價試驗 選取熱悶鋼渣、冷棄陳渣，以石灰?guī)r為對比，分別進(jìn)行不同時間下水煮法試驗．試驗方法按照規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行．

根據(jù)表4中級配，按最佳油石比5.2%、5.2%、4.9%、5.1%分別成形熱悶鋼渣瀝青混合料、冷棄陳渣瀝青混合料、石灰?guī)r瀝青混合料、鋼渣石灰?guī)r瀝青混合料(粗集料為冷棄陳渣、細(xì)集料為石灰?guī)r)試件，按照規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行殘留穩(wěn)度和凍融劈裂強(qiáng)度(TSR)試驗．

表4 級配篩孔質(zhì)量通過百分率Tab.4 Percentage of gradation sieve quality passing

2 結(jié)果與討論

2.1 集料孔隙結(jié)構(gòu)對瀝青吸附影響

2.1.1 鋼渣集料孔隙特征 瀝青與集料高溫拌和時，在高溫流動性和毛細(xì)孔張力共同作用下，瀝青在集料孔隙中進(jìn)行滲透，影響瀝青滲透性最主要的因素為孔徑大小與孔隙數(shù)量，即孔小而多者，孔隙里氣-液界面上毛細(xì)管張力愈高，瀝青滲透性愈好，從而增加集料與瀝青黏附性．

采用壓汞儀測定未裹覆瀝青的集料孔隙特征，結(jié)果見表5．由表5可見，鋼渣孔隙結(jié)構(gòu)較石灰?guī)r有很大不同，熱悶鋼渣、冷棄陳渣總進(jìn)汞量為石灰?guī)r的11.3倍、10.5倍，說明鋼渣孔體積大于石灰?guī)r的．基于Xoaotb孔隙分類標(biāo)準(zhǔn)，將孔隙按照孔徑大小分為4種類型，即大孔(>1 μm)、中孔(0.1～1 μm)、小孔(0.01～0.1 μm)、微孔(<0.01 μm)[12]．熱悶鋼渣、冷棄陳渣、石灰?guī)r小于1 μm孔隙分別占總進(jìn)汞量的74.30%、69.40%、14.54%，說明鋼渣孔隙以小孔、中孔為主，提供大部分孔體積，而石灰?guī)r以大孔為主，微孔、小孔、中孔發(fā)育較差．另外，熱悶鋼渣、冷棄陳渣總孔隙率為石灰?guī)r的5.7倍、4.2倍，說明鋼渣表面有豐富的開口孔隙數(shù)量．鋼渣孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育比石灰?guī)r復(fù)雜，這種特性易吸附瀝青，增強(qiáng)了鋼渣與瀝青力學(xué)連接效應(yīng)，在一定程度上提高了鋼渣與瀝青總黏附力．

表5 集料孔隙結(jié)構(gòu)特征分布參數(shù)Tab.5 Feature distribution parameters of aggregate pore structure

2.1.2 鋼渣集料孔隙特征對瀝青吸附影響 集料孔徑大小不同，對瀝青吸附能力差異較大．采用壓汞儀對裹覆0%、1.0%、1.5%、2.0%瀝青的集料進(jìn)行孔徑變化分析，結(jié)果如圖2所示．由圖可以

郭熙《早春圖》不是遵照畫家某一時段特定的視角所觀察到的形態(tài)獨(dú)立創(chuàng)作而成，而是綜合了多個角度，呈現(xiàn)出一幅既有仰視又有俯視甚至還有平視，由遠(yuǎn)及近，富于張力的完整的畫面。如果完全遵循某一時刻固定的視角來描繪，那么從仰視視角創(chuàng)作就只能看到山頂局部，無法看到山下的景色；從俯視視角就只能看到近處山前的屋舍、陸地、小山丘，無法看到遠(yuǎn)處的層巒疊嶂、萬壑綿延。因此，《早春圖》“步步移，面面觀”的移動空間所要表現(xiàn)的是郭熙內(nèi)心想要表達(dá)的物象和藝術(shù)感，而非真正客觀意義上的空間存在，這也表明了山水畫的美學(xué)是不可能完全真實的。

(a)熱悶鋼渣

看出，集料各孔徑進(jìn)汞增量Q均隨著油石比增大而逐漸減小，說明瀝青填充集料孔隙程度逐漸加深，集料孔隙體積為吸附較多瀝青提供了條件，即集料孔隙體積會影響瀝青與集料黏附性能．鋼渣孔隙體積大，不僅增加了鋼渣與瀝青接觸的內(nèi)表面積，還增大了瀝青在鋼渣表面中的嵌入深度及錨固作用．當(dāng)油石比增加為2.0%時，各集料微孔、小孔、中孔進(jìn)汞增量均接近0%，而大孔還存在進(jìn)汞增量，說明孔徑為0.01～1 μm的孔隙相對于大孔更加有利于吸收瀝青，即孔徑為0.01～1 μm的孔隙是影響瀝青與集料黏附性能的主要因素．鋼渣孔隙以0.01～1 μm孔徑為主，故鋼渣吸附瀝青能力高于石灰?guī)r的，吸附瀝青膜較厚，不易從界面脫落，所形成油石界面黏結(jié)強(qiáng)度較石灰?guī)r大．

2.2 集料化學(xué)成分對瀝青吸附影響

2.2.1 FT-IR表征 瀝青與集料界面黏附機(jī)理雖然復(fù)雜，但其本質(zhì)為物理化學(xué)吸附作用，瀝青中羧酸、酸酐和硫氧化物等極性官能團(tuán)易與堿性集料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)．因此采用FT-IR分析基質(zhì)瀝青與鋼渣粉作用后官能團(tuán)變化，以基質(zhì)瀝青、鋼渣粉作為對照，結(jié)果如圖3所示．由圖可以看出，基質(zhì)瀝青在2 750～3 067 cm-1處出現(xiàn)了寬而散的吸收峰，這是典型羧酸官能團(tuán)存在的特征，為瀝青能與集料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)提供了前提條件；2 870 cm-1處是烷烴類C—H鍵伸縮振動峰；1 473 cm-1處是C—CH3不對稱鍵振動峰，1 380 cm-1處是—CH2— 對稱鍵伸縮振動峰[13]．鋼渣在3 150～3 750 cm-1處吸收帶由O—H或N—H鍵相互作用產(chǎn)生；750～1 200 cm-1處吸收帶由C—H面外伸縮振動、Si—O伸縮振動及Si—H彎曲振動引起[14]；500～750 cm-1處吸收帶由C—H面外彎曲振動、N—O彎曲振動及C—S彎曲振動引起．與基質(zhì)瀝青譜圖對比，發(fā)現(xiàn)鋼渣瀝青膠漿在整個波數(shù)區(qū)間大部分吸收峰與基質(zhì)瀝青變化趨勢一致，為瀝青吸收峰與鋼渣吸收峰的正負(fù)疊加；在3 070～4 000 cm-1及1 780～2 730 cm-1處吸收峰強(qiáng)度增加，說明瀝青膠漿組分分子之間相互作用增強(qiáng)．瀝青膠漿在3 300～3 750 cm-1處是新產(chǎn)生的吸收帶，是胺和酰胺N—H伸縮振動峰及SiO—H伸縮振動峰引起[15]；在2 140～2 260 cm-1處出現(xiàn)了較微弱的R—C≡N鍵振動峰，表明鋼渣與瀝青之間會發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)．化學(xué)反應(yīng)發(fā)生必會形成新化學(xué)鍵，且不可逆，在界面相充當(dāng)鍵橋連接，加強(qiáng)鋼渣與瀝青界面之間作用力．

圖3 FT-IR譜圖Fig.3 FT-IR spectra

2.2.2 接觸角 瀝青與集料界面要形成牢固黏結(jié)層，在黏附初期就要保證瀝青能很好潤濕集料，瀝青在集料表面擴(kuò)散及潤濕會產(chǎn)生能量交換，而能量交換強(qiáng)度取決于瀝青潤濕集料能力[11]．從表面能理論來分析，瀝青與集料的接觸角θ表征瀝青潤濕集料能力，即接觸角越小，黏附功越大，黏附強(qiáng)度越好，水穩(wěn)定性越好[16]．

因此采用接觸角儀對瀝青與不同溫度下集料的接觸角進(jìn)行測定，結(jié)果如圖4所示．由圖可見，集料溫度影響其與瀝青接觸角，原因在于集料表面溫度升高，瀝青分子熱運(yùn)動加劇，增大了瀝青對集料浸潤程度，使接觸角伴隨著集料溫度增大而減?。诩蠝囟认嗤?，接觸角大小為石灰?guī)r>熱悶鋼渣>冷棄陳渣，說明接觸角與集料堿性有關(guān)．基于表面能理論，可以認(rèn)為鋼渣與瀝青界面黏附性能較石灰?guī)r好，原因在于鋼渣是高堿性集料，瀝青中酸性極性分子與鋼渣表面堿性活性分子產(chǎn)生能量交換，增加了瀝青對鋼渣表面的浸潤性能．

圖4 集料與瀝青接觸角Fig.4 Aggregate and asphalt contact angle

2.3 集料表面微觀特性對瀝青吸附影響

2.3.1 鋼渣集料表面形貌分析 在動水壓力及行車荷載作用下，表面光滑集料相比粗糙集料而言剪切阻力較低，一旦形成剪切破壞，剪切力便會擴(kuò)展到整個瀝青混合料路面．對集料表面形貌進(jìn)行AFM檢測，并計算表面形貌相關(guān)參數(shù)．采用機(jī)械設(shè)計與摩擦領(lǐng)域中常用到的輪廓算術(shù)平均偏差Ra作為粗糙度分析參數(shù)，Ra是指在取樣長度內(nèi)輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值，其計算公式如式(1)所示，結(jié)果如表6和圖5所示．

表6 集料表面形貌相關(guān)參數(shù)Tab.6 Related parameters of aggregate surface morphology

(1)

式中：Ra為粗糙度的平均值，nm；Zj為掃描圖中第j點(diǎn)高程，nm；N為AFM掃描的測試點(diǎn)數(shù)．

由圖5可以看出，鋼渣與石灰?guī)r表面紋理特征不同，鋼渣呈現(xiàn)出較粗糙紋理形態(tài)，“山峰”高度較高，“山谷”深度較深，主要特點(diǎn)是表面高低起伏強(qiáng)度較大，“山峰”和“山谷”層次較分明；石灰?guī)r表面部分區(qū)域較光滑，在“山峰”和“山谷”區(qū)域高低起伏強(qiáng)度較?。杀?可以看出，熱悶鋼渣、冷棄陳渣粗糙度為石灰?guī)r的3.3倍、3.7倍，表面積為石灰?guī)r的1.7倍、2.2倍，說明鋼渣粗糙度、表面積均大于石灰?guī)r的．由力學(xué)理論可知，瀝青與集料間黏附性來源于兩者分子間作用力，而分子間作用力和集料表面積密切相關(guān)[17]．集料表面越粗糙，則表面積越大，集料表面吸附瀝青膜越厚，使得瀝青-集料界面相黏結(jié)強(qiáng)度越好，相應(yīng)的瀝青與集料總黏附力越大[4]．即鋼渣與瀝青的抗水害能力會較石灰?guī)r好．

2.3.2 鋼渣集料表面黏附力分析 集料與瀝青吸附特性不僅與集料表面微觀形貌有關(guān)，還應(yīng)考慮到集料自身黏附力對瀝青-集料界面黏附強(qiáng)度的影響．對集料黏附力進(jìn)行AFM檢測，結(jié)果如圖6所示．

(a)熱悶鋼渣

圖7 集料平均黏附力Fig.7 Aggregate average adhesion

由圖7可見，石灰?guī)r平均黏附力為熱悶鋼渣的64.7%，為冷棄陳渣的57.1%，說明鋼渣黏附力大于石灰?guī)r的．在不考慮其他影響因素下，從黏附力來分析，鋼渣比石灰?guī)r與瀝青黏結(jié)強(qiáng)度大．

2.3.3 鋼渣-瀝青界面形貌分析 采用掃描電鏡對熱悶鋼渣-瀝青、石灰?guī)r-瀝青界面進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示，圖中黑色部分為瀝青，具有一定表面紋理部分為集料．由圖8可見，鋼渣因為表面粗糙不規(guī)則的紋理，鋼渣與瀝青接觸形成相互嵌擠狀態(tài)，通過錨固作用，瀝青膜不易從鋼渣表面脫落，增加了兩者界面之間機(jī)械咬合力，進(jìn)而提高了鋼渣與瀝青的黏附性．而石灰?guī)r因為粗糙度較低，局部區(qū)域較為光滑，與瀝青沒有形成一定的嵌入深度，未能形成較好機(jī)械咬合力，致使石灰?guī)r與瀝青黏附程度比較低，如果當(dāng)瀝青自身抗拉強(qiáng)度大于石灰?guī)r-瀝青界面黏附強(qiáng)度時，瀝青膜在外力作用下易于從表面脫落，造成嚴(yán)重水損害現(xiàn)象．

2.4 集料與瀝青水穩(wěn)定性評價

2.4.1 水煮法試驗 對瀝青與集料黏附等級r進(jìn)行水煮法評價試驗，結(jié)果如圖9所示．由圖可以看出，集料與瀝青黏附等級隨著水煮時間延長而降低，水煮時間對不同類型集料影響程度不同．在相同水煮時間下，不同類型鋼渣黏附等級均大于石灰?guī)r的，當(dāng)水煮時間為10 min時，鋼渣與瀝青黏附等級還為3級，而石灰?guī)r與瀝青黏附等級僅為2級，這說明與石灰?guī)r相比，鋼渣與瀝青之間黏附性更好．

圖9 集料黏附等級Fig.9 Aggregate adhesion grade

(a)熱悶鋼渣-瀝青界面500倍形貌

2.4.2 水穩(wěn)定性試驗 對不同集料的瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性評價試驗，結(jié)果如圖10所示．由圖可以看出，熱悶鋼渣、冷棄陳渣、石灰?guī)r、鋼渣石灰?guī)r瀝青混合料殘留穩(wěn)定度S分別為100%、105%、89%、104%，熱悶鋼渣、冷棄陳渣、石灰?guī)r、鋼渣石灰?guī)r瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度R分別為95%、86%、82%、90%，說明不同類型鋼渣瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度均比石灰?guī)r高，即鋼渣集料比石灰?guī)r具有更優(yōu)良的抗水害能力．

(a)殘留穩(wěn)定度

2.4.3 鋼渣瀝青混合料體積穩(wěn)定性試驗 鋼渣集料中含有游離氧化鈣、游離氧化鎂，這兩種物質(zhì)具有結(jié)構(gòu)致密、水化速率較慢的特點(diǎn)，遇水會產(chǎn)生體積膨脹，將會引起鋼渣瀝青混合料體積穩(wěn)定性的降低．故對鋼渣瀝青混合料膨脹量進(jìn)行檢驗，使用試件為馬歇爾試件，試驗結(jié)果如表7所示．

由表7可見，熱悶鋼渣瀝青混合料和石灰?guī)r瀝青混合料膨脹量均小于1.5%，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)技術(shù)要求；但冷棄陳渣瀝青混合料膨脹量大于1.5%，不滿

表7 不同瀝青混合料膨脹量試驗結(jié)果Tab.7 Expansion test results of different asphalt mixtures

足規(guī)范技術(shù)要求．用石灰?guī)r細(xì)集料替代冷棄陳渣細(xì)集料后，鋼渣石灰?guī)r瀝青混合料膨脹量較冷棄陳渣瀝青混合料降低了36.8%，且滿足規(guī)范技術(shù)要求，這說明冷棄陳渣細(xì)集料活性較大，嚴(yán)重影響著鋼渣瀝青混合料的體積穩(wěn)定性，用石灰?guī)r細(xì)集料代替冷棄陳渣細(xì)集料可以降低鋼渣瀝青混合料的膨脹性．

3 結(jié) 論

(1)鋼渣孔隙結(jié)構(gòu)比石灰?guī)r的豐富，具有孔體積大、孔隙率大的特點(diǎn)，增大了鋼渣與瀝青機(jī)械咬合力與黏結(jié)內(nèi)表面積；鋼渣以小孔、中孔為主，鋼渣孔徑為0.01～1 μm的孔隙相對于大孔更有利于吸收瀝青．

(2)瀝青與鋼渣粉作用后，瀝青出現(xiàn)兩處新的吸收峰，在3 300～3 750 cm-1處胺和酰胺N—H伸縮振動峰及SiO—H伸縮振動峰，在2 140～2 260 cm-1處的R—C≡N鍵振動峰，說明瀝青與鋼渣發(fā)生了一定的化學(xué)反應(yīng)，提高了鋼渣-瀝青界面相作用強(qiáng)度；在集料溫度相同時，鋼渣與瀝青接觸角比石灰?guī)r與瀝青的小，瀝青對鋼渣具有很好的潤濕能力，提高了鋼渣與瀝青的黏附性．

(3)鋼渣具有更大的粗糙度、表面積，增大了鋼渣與瀝青相互黏結(jié)面積及錨固作用；鋼渣黏附力比石灰?guī)r的大，增大了鋼渣與瀝青總黏附力．

(4)在同等水煮時間下，鋼渣與瀝青黏附等級一直大于石灰?guī)r的；鋼渣瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度均比石灰?guī)r的高，即鋼渣集料與瀝青具有更優(yōu)秀的黏附性．