張抒幻, 吳金榮*, 張濤
(1.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心, 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院, 淮南 232001)
在中國北部及中部大部分地區(qū)(以河南省為例)的冬季降雪天氣下,在瀝青路面上撒布鹽類融雪劑除冰化雪的過程會伴隨著凍融循環(huán)作用,對瀝青路面造成鹽分腐蝕作用[1-3],從而水穩(wěn)定性能大大受挫。
許多學(xué)者為改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性能對材料組分進行改性處理,葉樹鵬等[4]以聚酯纖維摻量為變量制備瀝青混合料試件,通過在NaCl溶液和Na2SO4溶液中進行侵蝕以及凍融劈裂試驗,發(fā)現(xiàn)聚酯纖維最佳摻量為0.4%時,透水瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比最大,水穩(wěn)定性最好。魏家光[5]通過浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、沖刷性能試驗,分析了聚酯纖維對礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響。結(jié)果表明:聚酯纖維的摻入能平均提升礫石瀝青混合料16%的殘留穩(wěn)定度、25%的凍融劈裂強度比;當(dāng)沖刷質(zhì)量損失降到最低值0.056%時,得出聚酯纖維最佳摻量為0.45%。 王修山等[6]進行凍融劈裂試驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚酯纖維摻量3%、硫酸鈣晶須(calcium sulfate whisker, CSW)摻量2.5%時,凍融劈裂強度比值最高,較基質(zhì)瀝青混合料提高了30%,并且聚酯纖維對瀝青混合料水穩(wěn)定性的改善效果較CSW好。
將鋼渣作為集料或填料應(yīng)用在瀝青混合料中,既能減少工業(yè)廢棄物堆積污染的現(xiàn)象,又能解決資源稀缺的問題[7]。學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)鋼渣粉與石灰石粉相比,鋼渣粉具有更細(xì)的粒度和更豐富的表面構(gòu)造,并且含有大量的CaO,是一種高堿性礦渣填料,更有利于增加與酸性瀝青膠漿的嵌合力和黏結(jié)性[8]。劉澔[9]采用鋼渣集料和鋼渣粉分別替代天然集料和礦粉制備瀝青混合料,評價其靜水和動水環(huán)境下的水敏感性,研究發(fā)現(xiàn)鋼渣粉和鋼渣集料均可提升瀝青混合料的長期抗凍融損害能力和抗動水損害性能,且兩者復(fù)摻時提升效果更顯著。Xiao等[10]采用80 ℃水浸試驗測試瀝青砂漿與集料的粘附性,并通過馬歇爾穩(wěn)定性試驗和凍融劈裂試驗分析不同填料對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,鋼渣粉部分替代礦粉提高了集料的瀝青覆蓋率以及瀝青砂漿與集料的粘附性,當(dāng)鋼渣粉替代礦粉的摻量為25%時水穩(wěn)定性最優(yōu)。 李繼文[11]研究不同摻量的鋼渣粉取代礦粉后瀝青混合料水穩(wěn)定性能的變化規(guī)律,并得出當(dāng)鋼渣粉替代量大于等于75%時,瀝青混合料的水穩(wěn)定性指標(biāo)顯著提高。
之前的研究大多數(shù)分析鋼渣粉或單一纖維對瀝青混合料的水穩(wěn)定性的影響,而對鋼渣研磨成的鋼渣粉和聚酯纖維同時加入瀝青混合料時的水穩(wěn)性能及其微觀機理的研究較少。在已有研究成果基礎(chǔ)上,現(xiàn)結(jié)合鋼渣粉、聚酯纖維、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolymer,SBS )改性瀝青以及AC-13級配的優(yōu)良特性,得出在復(fù)鹽凍融循環(huán)作用下的不同聚酯纖維摻量、以及最佳纖維摻量下不同鋼渣粉替代率的AC-13改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能的變化規(guī)律,以期設(shè)計出較適用于中國中部及北方地區(qū)降雪天氣下的瀝青路面材料,并提供一定的理論參考依據(jù)。
試驗級配采用AC-13,礦料級配如表1所示。
瀝青采用SBS改性瀝青I類D型;集料選用石灰?guī)r,填料采用鋼渣粉替代礦粉,鋼渣粉質(zhì)量替代率為0、25%、50%、75%、100%,基本性能指標(biāo)如表2所示;外摻劑采用聚酯纖維,質(zhì)量摻量為0、0.3%、0.4%、0.5%,各項指標(biāo)參數(shù)[12]如表3所示;混合型融雪劑溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%,其摻量配比為NaCl∶CaCl2∶CH2COONa=1∶1∶2。
表1 礦料級配Table 1 Mineral aggregate gradation
表2 石灰石S95礦粉和鋼渣粉填料基本性能指標(biāo)Table 2 Basic performance indexes of limestone S95 ore powder and steel slag powder filler
表3 聚酯纖維的技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical index of polyester fiber
最佳瀝青用量由室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗確定,結(jié)果表明聚酯纖維摻量為0、0.3%、0.4%、0.5%時,最佳瀝青用量分別為5.36%、5.51%、5.62%、5.68%。由于聚酯纖維的親油性,在纖維適宜摻量范圍內(nèi),瀝青混合料最佳瀝青用量隨著纖維摻量的增加而增加。
采用雙面擊實50次制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件[直徑(101. 6±0.25) mm、高(63. 5±1.3) mm],制作方法依據(jù)的是《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中T0702-201 試驗規(guī)程[13]。為模擬瀝青路面的浸水狀態(tài), 在凍融循環(huán)之前,采用常溫常壓浸泡飽水,試件飽水時間為100 h。綜合考慮除冰效果、經(jīng)濟環(huán)保效益來確定鹽水成分與濃度,因此采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的復(fù)合型融雪劑溶液,摻量配比為NaCl∶CaCl2∶CH2COONa=1∶1∶2。同時,選取凍融循環(huán)次數(shù)為0、2、4、6、8次,開展室內(nèi)復(fù)鹽凍融循環(huán)劈裂試驗(-20 ℃低溫13 h,40 ℃水浴11 h為1次鹽凍融循環(huán)),來模擬河南省內(nèi)冬季瀝青路面的除冰實況[14-15]。將凍融循環(huán)后的試件浸入(25±0.5) ℃的水浴箱中水浴不少于2 h,取出試件置于WDW-20微機控制電子萬能試驗機,調(diào)整試件和夾具位置,采用閉環(huán)加載50 mm/min進行劈裂試驗,試件加載方式如圖1所示。最后對試件取樣,進行SEM和XRD檢測。聚酯纖維摻量由X表示,鋼渣粉替代率由G表示,凍融循環(huán)次數(shù)由D表示。
圖1 加載方式Fig. 1 Loading way
瀝青混合料水穩(wěn)定性采用凍融劈裂抗拉強度比(TSR)來評價。采用凍融腐蝕因子K表征瀝青混合料受清水凍融作用和受鹽水凍融侵蝕作用的相對變化規(guī)律,K越大,說明抗鹽蝕能力越強[16]。其計算公式為
(1)
式(1)中:TSR為第n次凍融劈裂抗拉強度比,%;RTn為第n次凍融后試件劈裂抗拉強度,MPa;RT1為未經(jīng)過凍融試件的劈裂抗拉強度,MPa。
(2)
式(2)中:K為凍融腐蝕因子;fw為清水中相同凍融批次試件的劈裂抗拉強度,MPa;ff為鹽水中相同凍融批次試件的劈裂抗拉強度,MPa。
圖2和表4分別為清水溶液和復(fù)鹽溶液下凍融劈裂抗拉強度和TSR隨不同的纖維摻量和凍融次數(shù)的變化規(guī)律。圖2中D0、D2、D4、D6、D8分別指的是凍融循環(huán)0、2、4、6、8次。
圖2 不同聚酯纖維摻量下凍融劈裂抗拉強度 在不同溶液下的變化規(guī)律Fig.2 The variation of the tensile strength of different polyester fiber dosage in different solutions
表4 不同聚酯纖維摻量下的TSRTable 4 TSR of different polyester fiber dosage
同一聚酯纖維摻量下,無論是在清水中還是在鹽溶中,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試件的凍融劈裂抗拉強度均呈下降趨勢,尤其當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)從第4~第6次時試件的凍融劈裂抗拉強度和TSR下降幅度較大。
同一凍融循環(huán)次數(shù)下,無論是在清水還是在鹽水中,隨著聚酯纖維摻量的增加,試件的凍融劈裂抗拉強度和TSR均呈現(xiàn)出先增大后減小變化趨勢,劈裂抗拉強度和TSR達到峰值時,這時最佳聚酯纖維摻量為0.4%;當(dāng)聚酯纖維摻量從0增大到0.4%時,試件在清水中凍融循環(huán)0、2、4、6、8次后的凍融劈裂抗拉強度分別由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,增幅為13.8%~21.4%。試件在鹽水中凍融循環(huán)0、2、4、6、8次后的劈裂抗拉強度分別由1.042、0.915、0.856、0.731、0.656 MPa增大至1.326、1.223、1.164、1.003、0.951MPa,增幅為27.3%~45.0%。另外,在清水中的凍融循環(huán)2、4、6、8次后的TSR增幅為2.2%~6.7%;在鹽水中的凍融循環(huán)2、4、6、8次后的TSR增幅為5%~13.8%,這說明 0.4%聚酯纖維摻量改善了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。
此外,當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)和聚酯纖維摻量一定時,鹽水中瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度和TSR均小于清水中。
通過凍融劈裂抗拉強度和TSR,綜合確定最佳聚酯纖維摻量為0.4%,摻入聚酯纖維能夠增強瀝青混合料的抗鹽蝕性能和抗彎拉強度,對水穩(wěn)定性有改善作用。
在得出的瀝青混合料最佳聚酯纖維摻量之后,進一步探討最佳的鋼渣粉替換率。表5和圖3分別為清水溶液和復(fù)鹽溶液下凍融劈裂抗拉強度和TSR隨不同的鋼渣粉替代率和凍融次數(shù)的變化規(guī)律。
同一鋼渣粉替代率下,在清水中和在鹽水中試件的凍融劈裂抗拉強度和TSR均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈下降趨勢。說明凍融循環(huán)加劇水分鹽分對試件的侵蝕作用。
同一凍融循環(huán)次數(shù)下,無論是在清水還是在鹽水中,隨著鋼渣粉替代率的增加,瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度和TSR在鋼渣粉替代率為0~50%時,上升較快;在鋼渣粉替代率為50%~75% 時,上升較為緩慢;在鋼渣粉替代率為75%~100% 時,則是下降的趨勢。凍融劈裂抗拉強度和TSR達到峰值時,對應(yīng)的鋼渣粉最佳替代率為75%。相比于鋼渣粉替代率為0, 鋼渣粉替代率為75%下的瀝青混合料劈裂抗拉強度在清水中和鹽水中進行凍融循環(huán)0、2、4、6、8次后分別提升14.1%、16.5%、16.8%、17.3%、17.1%和17.7%、 20.8%、20.3%、22.4%、21.6%。在清水中的凍融循環(huán)2、4、6、8次后的TSR增幅為2%~2.6%;在鹽水中的凍融循環(huán)2、4、6、8次后的TSR增幅為2.2%~4.1%,這表明聚酯纖維和適量的鋼渣粉的組合可以很好地提高瀝青混合料抵抗鹽分水分侵蝕的能力。
表5 不同鋼渣粉替代率下的TSRTable 5 TSR of different slag powder substitution rates
當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)和鋼渣粉替代率一定時,瀝青混合料在鹽溶液中凍融劈裂抗拉強度和TSR均小于清水中。這是因為鹽水中Na+和醋酸陰離子對瀝青具有乳化作用[17-18]。相對于單純的水分子來說,鹽溶液對瀝青膜的侵蝕更強烈,進而導(dǎo)致瀝青混合料水穩(wěn)定性大大降低。
圖3 不同鋼渣粉替代率下凍融劈裂抗拉強度在 不同溶液下的變化規(guī)律Fig.3 The variation of the tensile strength of different slag powder substitution rates in different solutions
通過凍融劈裂抗拉強度和TSR,綜合確定AC-13聚酯纖維瀝青混合料的鋼渣粉最佳替代率為75%。鋼渣粉和礦粉以3∶1的比例作為填料加入聚酯纖維瀝青混合料之后,使得水穩(wěn)定性又進一步得到改善。隨后以X0G0、X0.4G0和X0.4G75這3種試件為代表進行凍融腐蝕因子K的研究,綜合分析出凍融循環(huán)次數(shù)以及鹽分侵蝕對瀝青混合料的水穩(wěn)定性的影響,進而反映出聚酯纖維與鋼渣粉對瀝青混合料的宏觀改性效果。
從圖4中可以看出,無論是哪一種試件,K都隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低,說明鹽分對試件侵蝕程度隨著凍融次數(shù)的增加愈加嚴(yán)重,即試驗?zāi)M的冬季冰雪天氣下使用融雪劑會對瀝青路面的水穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的破壞作用。X0G0的試件K降低程度最大,X0.4G0次之,X0.4G75降低程度最小。這說明了試件的抗侵蝕能力大?。篨0G0 圖4 典型瀝青混合料試件的凍融腐蝕因子Fig.4 Freeze-thaw corrosion factors of typical asphalt mixture specimens 聚酯纖維具有單絲抗拉強度高、韌性好、耐腐蝕、廉價等優(yōu)點且綜合改性能力優(yōu)異。摻入適量聚酯纖維能夠降低瀝青對溫度的敏感性,增強混合料的勁度、塑性、整體性,聚酯纖維在瀝青混合料中發(fā)揮穩(wěn)定劑和強化劑的作用[5],位于瀝青混合料中的聚酯纖維的微觀分布形態(tài)如圖5所示。圖5中X0、X0.4、X0.5分別指代聚酯纖維摻量為0%、0.4%、0.5%的瀝青混合料試件。 圖5 聚酯纖維在瀝青混合料中的微觀形態(tài)Fig.5 Micromorphology of polyester fiber in asphalt mixture 由圖5可以看出,與不加聚酯纖維的情況相比,0.4%摻量下的聚酯纖維末端部與瀝青連接形成“觸角”,對混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到錨固、嵌鎖的效果;纖維表面和纖維根部均與瀝青牢固黏結(jié),使集料表面的有效瀝青膜變密實,有效“結(jié)構(gòu)瀝青”增加,形成強度較高的界面層;整體上纖維在骨料中相互搭接,形成的致密、錯落有致、抗拉強度高、類似于“帶肋鋼筋”作用的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu),充分地起到加筋、增韌和穩(wěn)固的效果,還能夠限制礦料界面的相對滑移。聚酯纖維形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較好地分散和傳遞外界應(yīng)力,減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于聚酯纖維比表面積大和親油特性,增加了瀝青用量,聚酯纖維吸收了瀝青組分中的飽和分使得瀝青變稠,增加了瀝青的黏性,增強了瀝青與集料的裹覆搭接作用,增加了瀝青膜厚度,降低了瀝青膜脫落的風(fēng)險。當(dāng)遭受清水或鹽溶液凍融侵蝕時,聚酯纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)瀝青會阻止水分、鹽分的入侵,進而改善了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。 然而當(dāng)聚酯纖維摻量超過最佳用量達到0.5%時,聚酯纖維的分散性降低,聚酯纖維團使得瀝青裹覆骨料的能力下降,同時容易產(chǎn)生強度薄弱區(qū),瀝青混合料的綜合性能反而下降。 借助X射線衍射試驗(XRD)研究鋼渣粉和石灰?guī)rS95礦粉的礦物相組成,如圖6所示,存在于瀝青混合料中鋼渣粉和礦粉的微觀形態(tài)如圖7所示。圖7中G0、G75、G100分別指代最佳聚酯纖維摻量下鋼渣粉替代率為0%、75%、100%的瀝青混合料試件。 從圖6可知,鋼渣粉主要由碳酸鈣(CaCO3)、二氧化硅(SiO2)、氫鎂硅酸鹽[H(Mg2SiO4)8]、鎂鋁合金(Mg17Al12)、四氧化三鐵(Fe3O4)以及氧化鐵(FeO)礦物相組成。礦粉主要礦物相組成是黏土物質(zhì)[Al2Si2O5(OH)4]和二氧化硅(SiO2)?,F(xiàn)在普遍認(rèn)為鋼渣體積膨脹是f-CaO(游離氧化鈣)造成的,但粗鋼渣碎化成鋼渣粉的過程可以加速分解掉鋼渣中f-CaO,降低了鋼渣粉的水化膨脹性,保證了鋼渣粉瀝青膠漿的穩(wěn)定性[19]。因此鋼渣粉XRD衍射圖譜中未能找到明顯的f-CaO衍射峰。 圖6 XRD衍射結(jié)果Fig.6 XRD diffraction results 當(dāng)水分侵入瀝青混合料與鋼渣粉的接觸面時,其表面會發(fā)生水化反應(yīng)[20-21],反應(yīng)如式(3)和式(4)所示。適量的水化產(chǎn)物如C-S-H凝膠(水化硅酸鈣),可以增加黏結(jié)強度[22],其膠凝特性會使水化及鹽凍侵蝕減慢,并且可以填充混合料的微空隙[23]。此外,鋼渣粉顆粒中的微量元素S等可以對瀝青進行良性改性[20]。由于瀝青本身含有多種酸性基團,呈強堿性的鋼渣粉與改性瀝青接觸時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)吸附層,導(dǎo)致了瀝青的輕質(zhì)油分被吸收,從而提升與瀝青的界面黏結(jié)強度致使水分不易侵入[24]。 圖7 鋼渣粉和礦粉在瀝青混合料中的微觀形態(tài)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微觀(圖7)可以看出,鋼渣粉相對于礦粉來說,粒徑相對較小,顆粒棱角較明顯具有較粗糙的表面形貌。鋼渣粉與瀝青粘附后,由于自身的外觀特征會使瀝青膠結(jié)料強度更大,與瀝青嵌合能力較好。與礦粉-瀝青界面相比,鋼渣粉表面裹覆的瀝青厚度較厚,黏結(jié)程度較好,使得界面強度更高。 當(dāng)鋼渣粉替代率達到75%時,整個微觀圖中的混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯落有致,瀝青膜光滑且厚實,結(jié)構(gòu)瀝青比重較高。這是由于鋼渣粉具有比礦粉更大的比表面積,可以裹覆更多自由瀝青來形成更多“結(jié)構(gòu)瀝青”,增加混合料內(nèi)部有效瀝青膜厚度。同時鋼渣粉會很好地彌補礦粉的不足,進一步細(xì)化填料級配,填充礦粉不能填充的空隙,改善了瀝青膠漿性能,增強了混合料抗侵蝕性能。混合料在經(jīng)受鹽凍侵蝕時,具有較高表面能的集料更傾向于吸附極性強于瀝青的帶電粒子Na+、Ca+和 Cl-來降低自身表面能,達到能量穩(wěn)定狀態(tài);另一方面水分子會與醋酸陰離子的親水性極端(COO-)結(jié)合生成氫鍵,黏附在集料表面,并且這種黏附作用大于瀝青對集料的黏附作用,并隨凍融次數(shù)的增加會加速侵蝕瀝青甚至導(dǎo)致瀝青脫落[25]。由于瀝青、鋼渣粉和礦粉三者存在界面能量作用(圖8)以及鋼渣粉和礦粉的外貌形態(tài)的差異,這兩種填料之間會相互擠壓,相互產(chǎn)生不均勻作用力,使得自身吉布斯自由能增加。此時的填料會快速吸附瀝青發(fā)生極化反應(yīng),并產(chǎn)生范德華力,形成物理定向?qū)?。形成的物理定向?qū)泳o緊吸附瀝青分子,填料與瀝青的內(nèi)部黏聚力的增強效應(yīng)會降低水分和鹽分穿過瀝青膜浸入混合料內(nèi)部的幾率,從而減少水損害的發(fā)生。吸附瀝青的這個過程是由于填料為達到相對穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生能量交換來降低自身的吉布斯自由能[26]而自發(fā)產(chǎn)生的。 e為電子圖8 瀝青、鋼渣粉和礦粉三者界面能量作用模型Fig.8 Interface energy interaction model of asphalt steel slag powder and ore powder 當(dāng)填料僅為石灰石礦粉時,由于礦粉的粒徑相對較大,大顆粒較多, 而細(xì)小顆粒有部分粘結(jié),紋理較為平滑其與瀝青的相容性比較好。但是界面強度薄弱區(qū)會存在于礦粉不能填充的粗骨料形成的大空隙之中,從而削弱混合料抗侵蝕性能。 當(dāng)填料均為鋼渣粉時,瀝青中芳香分和飽和分等輕質(zhì)成分會被比表面積較大的鋼渣粉過度地吸收,瀝青的覆蓋率變低, “結(jié)構(gòu)瀝青” 很難出現(xiàn),使得混合料內(nèi)部產(chǎn)生較多孔隙結(jié)構(gòu),進而降低混合料抗水損害的能力。 通過對浸泡在清水和復(fù)鹽溶液中的瀝青混合料進行凍融劈裂試驗,得到如下結(jié)論。 (1)適量的聚酯纖維摻入瀝青混合料中,可以提高瀝青混合料抵抗鹽分侵蝕的能力。通過試驗結(jié)果以及SEM微觀圖可知,當(dāng)凍融劈裂抗拉強度和TSR達到峰值時聚酯纖維摻量為0.4%,這時在混合料內(nèi)部形成的聚酯纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會削弱水分、鹽分的侵蝕,進而改善了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。 (2)在最佳聚酯纖維摻量下,適量的鋼渣粉替代礦粉作為填料加入瀝青混合料中能進一步改善其水穩(wěn)定性,鋼渣粉替代率最佳值為75%。 (3)凍融腐蝕因子K說明了鹽分對試件侵蝕程度隨著凍融次數(shù)的增加愈加嚴(yán)重。試件的抗侵蝕能力大?。篨0G0 (4) 通過電鏡掃描(SEM)、X射線衍射(XRD)技術(shù)得出,鋼渣粉相對于礦粉來說,具有水化活性、高堿度和粗糙形貌等特征,可以提高與瀝青的相容性,從而增強混合料的抗水損害能力。3 材料改性機理分析
3.1 聚酯纖維改性機理分析
3.2 鋼渣粉改性機理分析
4 結(jié)論