片麻岩粗骨料和钢渣细骨料在沥青混合物中的利用外文翻译资料

 2022-07-07 08:07

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片麻岩粗骨料和钢渣细骨料在沥青混合物中的利用

Zongwu Chen , Shaopeng Wu , Jin Wen , Meiling Zhao , Mingwei Yi , Jiuming Wan

武汉理工大学建筑硅酸盐材料国家重点实验室，武汉430070

武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉430070

重点

片麻岩和钢渣分别用作粗集料和细集料。

改进的技术增强了细骨料角度和砂等效。

杂质层阻碍了原始WSFA的风化过程。

风化过程降低了改性WSFA的孔隙率。

具有粗片麻岩和改性WSFA的HMA获得满意的性能。

文章信息

文章历史：
2015年2月13日收到
2015年3月31日修订后收到
2015年5月1日接受
2015年5月16日在线提供

摘要

自然资源短缺和环境污染问题促进了沥青路面劣质自然资源和固体废弃物的循环利用。而钢渣细集料和下片麻岩骨料很少在中国由于一些糟糕的表现在沥青混合料中的应用。本研究的主要目的是探讨在沥青混合料中同时使用片麻岩粗集料和钢渣细集料的可行性。提出了一种提高钢渣细集料质量的新方法。然后全面检测了与沥青粘附和吸收直接相关的原料特性。最后对沥青混合料的马歇尔稳定性和商、抗裂性、湿敏性、体积稳定性和变形抗力等性能进行了评价。结果表明，改性WSFA（风化钢渣细集料）比原WSFA具有更低的沥青吸收率。由片麻岩粗集料和改性WSFA组成的沥青混合料具有较好的抗裂性、抗潮性、体积稳定性和抗变形性。

2015 Elsevier Ltd.保留所有权利。

  1. 介绍

热拌沥青混合料（HMA）按重量计含有超过90%的矿物集料[1]。因此，沥青路面的施工与养护消耗了巨大的自然资源。据估计，仅在2010约630吨和560吨的HMA存在天然骨料在中国消耗[2]。沥青混合料回收利用劣质的自然资源[3]和部分废弃物，如拆除废渣[2,4]、钢渣[5–7]、再生沥青路面（RAP）[8,9]等，是降低高质量自然资源需求的有效途径。

钢渣，工业废料，占原钢产量的13%[10]。在文献中对钢渣粗集料在沥青混合料中应用的可行性进行了评价。结果表明，钢渣粗集料在沥青混合料中的引入提高了力学性能[11,12]和路面性能如水分稳定性[6,10]，抗滑强度[5,7,10]，变形和抗裂性[5,10,13]。沥青混合料闸门因性能差、成本高而鲜有报道。一方面，钢渣骨料在储存过程中的角化度和清洁度变差[7,14]。钢渣中含有游离石灰（F-CaO），其水化导致体积不稳定。有限的研究表明，当钢渣用于沥青混合料时，钢渣的总膨胀应在1%以内。另一方面，钢渣是多孔材料[5]，孔隙引起的沥青吸收过多导致成本高[5,7]。因此，建议使用钢渣细骨料或100%钢渣的HMA[16]。

片麻岩集料与沥青之间的粘附行为直接关系到沥青混合料的许多性能，如抗乳化性和抗裂性，证明是较差的[3]。这是因为片麻岩是酸性岩石，而片麻岩的表面比常用的骨料[3]更光滑，酸的特征和层状结构导致片麻岩和沥青结合料之间的化学和物理上的粘附性较差。用高质量细集料代替片麻岩混合物的精细部分[17]或在片麻岩混合物中使用抗剥落剂[3,18,19]是改善粘附行为的两种常用方法。

本研究的目的是探讨在沥青混合料中同时使用片麻岩粗集料和钢渣细集料的可行性。提出了一种提高钢渣细集料质量的新方法。对沥青粘附性和吸附性的原料特性进行了全面的检测和分析。最后对沥青混合料的性能进行了评价。与常规试验方法不同，裂纹抗力和湿敏性分别由断裂能和保留率表征。用改进的方法测定了体积稳定性和抗变形性。图1描述了本研究的实验设计程序。2.材料和方法

2.1材料

片麻岩粗集料和三种类型的细集料为石灰石，原生WSFA（风化钢渣细骨料）和改性WSFA。片麻岩和石灰岩来自湖北省武穴。钢渣是一种碱性氧化炉（BOF）炉渣，由武汉钢铁冶金冶金渣公司提供。改性WSFA样品由两个部分组成：尺寸大于1.18毫米，两个部分按沥青混合料的比例混合。根据ASTM标准对聚集体的基本物理性能进行测试，结果见表1。

原始WSFA和修饰WSFA的制备如下。结果表明，破碎钢渣块产生的钢渣细集料（粒度小于4.75 mm）中的颗粒与杂质（粉煤灰、粉尘和污泥）严重相关。风化过程是提高钢渣体积稳定性的常用方法[20]。涂层层包括在风化过程中在钢渣颗粒表面凝固的复杂杂质（见图2）。这是因为钢渣中含有一些硅酸盐矿物[21]，硅酸盐矿物的水化使杂质层凝固。被杂质层紧密覆盖的风化渣称为原始WSFA。原球体的轮廓为椭球形，导致低细集料角（FAA）（见表1）。表1中的低砂当量（SE）也表明原始WSFA的表面含有大量粘土或其他游离杂质。除了生产问题，随机堆栈和缺乏有效的管理也有助于它。

提出了一种提高钢渣细集料质量的新方法。首先对新破碎钢渣细集料进行振动筛，将其分为两部分。粒度大于1.18毫米的部分用鼓筛进一步处理，分别安装在入口和出口的顶部和底部的四个高压水射流清洗颗粒，并通过筛孔排出被污染的杂质（见图2中的图片b）。获得尺寸超过1.18mm的清洁颗粒。两部分（大于1.18毫米以下）进行风化处理。在风化作用下，尺寸小于1.18 mm的部分易结块，因此需要搅拌和粉碎。用这种方法处理的两种方法被称为改进的WSFA。终止原始WSFA和改良WSFA的风化期均为12个月。

本研究还采用了亲水性因子为0.76的沥青加脂剂D70（渗透级），渗透量为66（0.1℃，25℃，100 g和5秒），延展性为151 cm（5厘米/分钟，15℃），软化点为46.9℃。

2.2方法

2.2.1原材料特性

根据前人的研究成果和材料特性，从理论上解释了片麻岩粗集料和钢渣细集料在沥青混合料中的可行性。用D8超前X射线衍射（XRD）和AXIOS X射线荧光（XRF）测定了物相和化学组成。表面特性，包括表面纹理，累积孔隙体积和孔径分布也进行了评价。用JSM-5610LV扫描电子显微镜（SEM）观察表面织构。基于吸附试验得到的吸附等温线分析了孔隙特征。

2.2.2沥青混合料设计

本研究采用Superpave程序设计了最大标称尺寸为12.5 mm的沥青混合料。各种矿物混合物的颗粒组成和不同矿物混合物的级配曲线如图3所示。考虑到每种混合料中只有细集料类型不同，采用细集料的名称来描述沥青混合料。使用体积控制方法，以始终如一地保持不同混合物的体积组成。因此，在质量合格率的坐标系中，不同混合物的级配曲线并不完全重叠。在各种混合物中，片麻岩粗集料的体积分数为49%。原始WSFA和修改后的WSFA均占体积的47%。石灰石粉末填料按体积计为4%。

2.2.3马歇尔试验

马歇尔试验是按照ASTM D6927[22]进行的。采用超重力平板压实机（SGC）压实的圆柱形试件，对试样进行了直径100 mm、厚度63.5 mm的试样制备。试样的空隙率为4%。首先将样品浸泡在60℃的Hu浴浴中30～40分钟，然后用HM -3000主装载机测量样品的Marshall稳定性（KN）和流动（mm），其恒定变形速率为50毫米/分钟。从水浴去除试样到最终LoA的经过时间。D测定不应超过30 s。作为评价沥青混合料永久变形抗力的指标，商商（MQ）（Kn/mm）可算作稳定度（KN）与流量（mm）的比值。

2.2.4抗裂湿敏性

根据AASHTO T322〔23〕和AASHTO T28 3〔24〕分别进行沥青混合料的抗裂性和湿敏性。标本的制备与马歇尔试验相似。试样的空隙应保持在7%。采用湿式冻融破坏模型。一种湿气冻融破坏包括在18℃下冻结16小时，在60℃下解冻24小时，并考虑三次冻融循环。每个沥青混合料至少制备12个试样，平均分为四个组。一组为对照组，另一组为1、2, 3次冻融循环。HM3000型主装载机在常温20℃恒温变形率为50 mm／min的条件下进行了间接拉伸试验，以裂缝能量及其保留率（Rfe）为指标，分别评价各种沥青混合料的抗裂性和湿敏性。图4示出了典型的间接拉伸结果。断裂能指的是应力应变所包围的面积。断裂能和RFE可用下列方程计算：

其中Fe＝断裂能，KJ/M3；EF＝失效应变，无量纲；RFE＝断裂能的保持率；%；Fe为I循环后的试样的平均Fe值，KJ/M3；Fe0为对照组的平均Fe值，KJ/M3。

2.2.5沥青混合料膨胀试验

虽然已经提出了许多方法来评价钢渣的体积稳定性，但是确定钢渣-沥青混合料的体积膨胀行为的方法或设备没有得到很好的发展。本研究提出了一种评价钢渣沥青混合料体积稳定性的新方法。在SGC中压实的试样仍保持在模具中，可以固定试样。密封模具底部，仅从试样的上表面渗入试样，与路面的实际情况相符合（参见图5中的PICTURAL）。水浴为60℃，采用数字图像采集装置记录表面的日变化（见图5中的图像B）。通过图像处理软测量可以确定在整个表面上发生的裂纹区域的百分比（受红线限制）。以百分含量作为衡量钢渣沥青混合料体积稳定性的指标。

2.2.6高温变形抗力

采用轮对跟踪装置进行高温变形抗力测试。该装置通常用于HMA试验，板料采用300times;300 mm的尺寸。然而，为了与SubPaVE沥青混合料相匹配，采用了一种改进的试验方法，采用圆柱形试样压实在SGC中。试样和试验装置的制备如图6所示。（1）首先在SGC中压实沥青混合料，并用自动锯切设备对圆柱形试样进行锯切。（2）将两块混凝土砌块组合在双层板坯结晶器中。用隔离剂涂覆锯切块的边界。（3）在混凝土砌块与板坯结晶器之间填充固化剂，固化后呈刚性。试验在0.7 MPa重复车轮下进行。在60℃的温度下，车轮（50 mm宽）向后滚动，并将试样表面和车轮速度设定为42通/分钟，动态稳定性（DS）可以由以下方程计算：

其中DS是动态稳定的，PAS/mm；S是车轮速度，PAS/min；L45和L60分别是沥青混凝土在45和60min的测试时间的垂直变形，mm。

3.结果与讨论

3.1材料表征

3.1.1物理化学成分，表面结构

以前的研究证明，片麻岩是一种酸性岩石，由于SiO2含量高，在化学组成。扫描电镜照片表明片麻岩富含片状层状结构和光滑结构〔3〕。酸特性、片状和光滑结构分别在片麻岩和沥青粘结剂之间存在较差的化学和物理粘附。采用高质量细集料代替石灰石，代替片麻岩细集料是提高粘结性能的常用方法[3，17]。这是由于IrimStand是一种碱性石料，表现出粗表面结构，碱度和粗结构有利于集料与沥青结合料之间的化学和物理粘附。因此，通常采用石灰岩代替片麻岩。

为了全面评价钢渣细集料在片麻岩沥青混合料中的可行性，应先检测不同WSFA的材料特性。钢渣通常含有一定比例的F-氧化钙。F- CaO的水化将导致明显的体积膨胀。因此，建议不直接使用钢渣。钢渣应经受风化处理。风化的主要目的是消除钢渣利用前的体积不稳定性。除F—CaO外，钢渣中的硅酸盐（C2S、C3S）也会水合。钢渣的实际风化机理如下：（1）F- CaO、C2S和C3S首先与水接触生成Ca（OH）2。然后，Ca（OH）2通过在空气中吸收CO2（G）而转化为CaCO3。原始WSFA和改性WSFA的XRD结果经过12个月的风化处理（见图7）证实了这一过程。从图7中进一步发现，原始WSFA具有比修饰的WSFA更复杂的峰，表明涂层含有许多复杂的杂质。图8中的图A表明原始WSFA表面上的杂质没有密集堆叠。表面纹理发生明显变化，凹凸外观发生位移，改性后的WSFA在风化12个月后仍保持凹凸不平、粗糙的表面纹理（见图8中的图片B）。

碱度M= W（CaO）/[W（SiO2） W（P2O5）]，建议采用Byason〔25〕，对钢渣活性进行评价。钢渣被划分为三个等级的基础上alkalinityin中国：低碱度渣（m＜1.8），中间碱度渣（1.8＜m＜2.5）和高碱度渣（m＞2.5）[ 26 ]。根据XRF结果计算了本研究所采用的原始WSFA和改性WSFA的碱度。结果表明，原WSFA和改性WSFA均为中碱性渣（见表2）。虽然原WSFA的平均碱度仅比改性WSFA的值低0.5，但标准偏差比改性WSFA的标准偏差高100%。这主要是因为杂质使元件不稳定。

由于表面结构缺陷和碱度不稳定，未建议使用WSFA。然而，改性WSFA同时具有粗表面和强碱度。因此，理论上改性的WSFAF将与沥青结合料获得良好的物理和化学粘附性。其效果是否与石灰石一样明显，将通过以下章节的性能测试来完全确定。

3.1.2孔隙体积和孔隙分布

骨料孔隙特征与沥青质吸收行为直接相关。吴等人。〔7〕通过压汞仪证明钢渣为多孔材料。但由于微孔的压力过高，导致微孔等微孔（宽度不超过2 nM）和一些介孔（宽度在2～50 nm）的变形甚至崩塌。通过氮气吸附实验（27）对微孔和中孔的孔体积和孔径分布进行了最佳分析。因此，根据氮素吸附结果，确定了风化对WSFA孔隙特性的影响。改性WSFA样品由两部分组成：SiSiOx和1.18 mm以下，根据沥青混合料的比例混合两部分。根据IUPAC分类组〔28〕，各种WSFA的等温线均显示H4滞后环，其与微孔和中孔区的狭缝形孔相关联。采用孔径在40 nm以下的模型。

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