钢渣集料微观与表观形貌特征试验分析

张保卫，郑 新，朱富万，郑炳锋,4，高壮元，吴威伟

(1. 徐州市公路事业发展中心，徐州 221006； 2. 苏交科集团股份有限公司，南京 210019；3. 新型道路材料国家工程研究中心，南京 211112； 4. 东南大学，南京 211189)

近年来，随着优质筑路材料的紧缺与价格上涨，一些工业弃渣由于具备加工后应用为筑路材料的可能性而逐渐进入工程技术人员的视野。钢渣作为炼钢过程中产生的副产品，其物理力学参数与加工碎石较为类似，且目前已被应用在国内的多个工程中，整体使用情况良好，尤其是其抗磨耗性能、高温稳定性能较加工碎石提升明显[1-4]。然而，现有研究成果对钢渣形态特征还缺少系统认识。本文主要采用相关图像测量方法对钢渣的外观形态特征开展研究，为钢渣在公路工程中的应用机理提供解释与支撑。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

试验选择钢渣、石灰岩和玄武岩三种集料，其中，钢渣为转炉钢渣，产地为江苏南京；石灰岩产地为浙江诸暨；玄武岩产地为安徽天长。原材料如图1所示，图中三种原材料粒径范围均为9.5～13.2 mm。三种原材料的技术指标如表1所示。由表1可知，相较于石灰岩和玄武岩，钢渣密度大、吸水率大、压碎值小、黏附性和坚固性良好。从图1可以看出，钢渣表面没有较明显的破碎面，而玄武岩和石灰岩均具有两个以上的破碎面。

(a) 钢渣

(b) 石灰岩

(c) 玄武岩图1 原材料

表1 三种原材料的技术指标

1.2 检测仪器和试验方法

1.2.1 X射线衍射仪

使用布鲁克D8 advance型X射线衍射仪对材料进行X射线衍射，分析其衍射谱图，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息。

1.2.2 场发射扫描电子显微镜

本文采用赛默飞世尔Apreo 2C型扫描电子显微镜，其利用聚焦的高能电子束扫描样品，通过光束与物质间的相互作用激发各种物理信号，并对这些信号中的二次电子信号和被散射的电子信号进行收集、放大再成像，以表征物质的微观形貌。

1.2.3 压汞试验

采用麦克AutoPore IV9510型全自动压汞仪测量集料的孔隙特征，通过稳定增大仪器的压强，将汞压入试样的孔隙中，以此来测定集料中的孔隙尺寸与分布情况。将汞与待测物置于真空环境中时，由于残余的压力太小的缘故，包围着试样的汞并不能进入试样的孔隙当中。随着压力增大，汞开始被压入试样的孔隙中，结果可由电容性系统检测到。减少的汞的体积表征的是样品孔径的尺寸。压汞外力与相应孔径的大小成反比关系，即施加的外力越大，能进入的孔隙孔径越小，所以在试验时，随着压力增大，汞原子先被压入试样的大孔，随后分别是中孔、小孔和微孔。

1.2.4 集料图像测量系统

本文采用美国PINE公司AFA2C型集料图像测量系统(Aggregate-Image Measurement System，AIMS)，此系统主要由一套图像获取硬件和一台用于运行系统、分析数据的电脑组成，其中获取图像的硬件包括照相机、光学显微镜、集料托盘、逆光照明系统和顶部照明系统，系统外观如图2所示，系统内部如图3所示，用于放置骨料的旋转透明托盘和每种粒度骨料的AIMS骨料固定方向投影都带有背光。

图2 系统外观

图3 系统内部

高精度数码相机用于捕获骨料的投影图像并分析骨料的形状和棱角。此外，AIMS使用顶视灯和可调节的放大倍数显微镜拍摄骨料的表面纹理图像并分析骨料的纹理特性。AIMS评价标准如 表2 所示。

表2 AIMS评价标准

2 X射线结果分析

X射线衍射数据经由JADE软件处理后，得到沙钢钢渣的矿物组成如图4所示。

图4 沙钢钢渣的矿物组成

由图4可知，钢渣中含有硅酸三钙、硅酸二钙和氧化亚铁等矿物。钢渣中氧化亚铁的衍射峰较高，铁元素含量较高会使得钢渣具有较高的密度和较好的力学性能。同时，钢渣中含有一些无法识别的无规则峰和重叠峰，分析原因可能是钢渣由热闷法制得，制作过程中需要反复喷水，因此钢渣中晶体成型时间较短，晶体发育不完全，导致钢渣中的物质组成较为复杂。

3 扫描电镜结果分析

针对钢渣、玄武岩和石灰岩分别拍摄放大200倍和2 000倍的图像，不同放大倍数的图像如图5所示。由图5可见，在放大200倍条件下钢渣表面已存在较多孔隙，而相比之下石灰岩和玄武岩的结构较为致密。当放大2 000倍时，钢渣与玄武岩呈孔隙状，石灰岩仍较为致密。整体来看，岩石的孔隙结构与其形成机理相关：石灰岩是在失去水分后，长期紧压胶结形成，内部较为致密；而钢渣与玄武岩则是在高温条件下缓慢冷却形成，会产生较多孔隙。此外还可看出钢渣表面存在较多的粉体颗粒，根据水泥工艺理论，这些小颗粒具有较强的早期水化特性，在钢渣应用于水泥稳定碎石等结构时会起到一定辅助作用，此外还有利于增强沥青与集料之间的黏附效果[5]。

(a) 放大200倍的钢渣图像

(b) 放大2 000倍的钢渣图像

(c) 放大200倍的玄武岩图像

(d) 放大2 000倍的玄武岩图像

(e) 放大200倍的石灰岩图像

(f) 放大2 000倍的石灰岩图像图5 不同放大倍数的图像

为了更直观地看出钢渣表面粉体颗粒的分布样貌，将钢渣进行水洗烘干，将水洗与未水洗的样品放大40 000倍后进行比较，放大40 000倍后的图像如图6所示。由图6可以看出，水洗后的钢渣形貌排列非常整齐，呈颜色较深的六方板状，在转炉钢渣中该形貌属于硅酸盐相，联系上一节的结果来看，此形貌为硅酸三钙、硅酸二钙等硅酸盐相，而未水洗的钢渣表面仍有小粒径的粉末状物质出现。

(a) 水洗后钢渣样品

(b) 未水洗钢渣样品图6 放大40 000倍后的图像

4 压汞结果分析

结合扫描电镜的观测结果，针对钢渣、玄武岩开展压汞试验。根据高性能全自动压汞仪的测试数据，集料的压汞试验过程如图7所示，集料各个孔径的汞增量如图8所示。从图7和图8中可看出，随着外界压力的增大，汞的侵入量不断增加。集料质量和各自最大汞侵入量相乘，所得结果即是集料的总孔隙体积。钢渣在压力小于1 000 psia时汞侵入量占总侵入量的50%以上，且1 000 psia压力对应的孔径是0.15 nm，说明钢渣孔隙直径主要分布在大于0.15 nm范围内。

图7 集料的压汞试验过程

图8列出了部分压力情况下，孔隙的直径和该直径孔隙所占汞总侵入量的百分比。借由上述方法可以算出集料孔隙的粒径分布和占比情况，压汞试验结果如表3所示。由表3可以看出，钢渣的总孔隙率显著高于玄武岩，约为玄武岩的3.5倍；钢渣的平均孔隙尺寸为0.074 μm，约为玄武岩的1.7倍；钢渣中孔径大于1 μm的孔隙占比达到65.24%，而玄武岩中孔径大于1 μm的孔隙占比为45.11%。这可能是因为钢渣和玄武岩的形成方式不同：玄武岩是天然矿物沉积形成，结构较为致密；钢渣的孔隙是高温水淬冷却之后各部分材料的收缩而形成，所以钢渣孔隙的孔径大部分都大于1 μm。

(a) 钢渣

(b) 玄武岩图8 集料各个孔径的汞增量

表3 压汞试验结果

根据调研，孔径尺寸大于0.5 μm的孔隙占比与沥青吸收量直接相关，且呈线性关系[5]。沥青吸收量增加能够使沥青混合料的稳定性能得到一定程度的提升，但是孔隙率过大又会导致消耗的沥青量增大，经济效益降低。所以，要选择孔隙率适中的材料作为沥青混合料的集料。

5 AIMS结果分析

5.1 棱角性分析

棱角性分析通过梯度响应方向改变量的平均值表征，计算公式为

(1)

式中，θ为集料图像边缘点的梯度向量角度；n为集料图像边缘点的总数量；i为集料图像边缘的第i个点。

不同粒径钢渣、石灰岩和玄武岩的棱角性指数如表4所示。从表4可以看出，在两种粒径规格条件下，钢渣的棱角性指数均明显高于石灰岩和玄武岩，平均高约20%。

表4 不同粒径钢渣、石灰岩和玄武岩的棱角性指数

不同粒径集料的棱角性指数分布如图9所示，从图9可以看出：不同粒径范围的钢渣棱角性主要分布在中棱角性和高棱角性，所占比例约为90%，部分分布在极高棱角性，而石灰岩和玄武岩棱角性主要分布在中棱角性；钢渣在中棱角性的分布比石灰岩和玄武岩低，但是在高棱角性部分，钢渣的占比是石灰岩、玄武岩的三倍左右。较高的棱角性指数能够增强集料之间的嵌挤作用，提高沥青混合料的高温稳定性能，但是随着棱角性指数的增加，沥青更容易从集料的棱角处剥落，对集料与沥青的黏附不利，会导致混合的水稳定性能降低。在施工过程中，过高的棱角性指数会导致白点的出现。

图9 不同粒径集料的棱角性指数分布

5.2 表面纹理分析

集料图像测量系统通过小波分析法获取粗集料表面纹理信息，计算公式为

(2)

式中，D为分解函数；N为一张图像中细节系数的总数量；i为第i张高精度图像；j为小波指数；x、y为转换域中细节系数的横、纵坐标。

不同粒径钢渣、石灰岩和玄武岩的表面纹理指标平均值如表5所示，不同粒径钢渣、石灰岩和玄武岩的表面纹理分布如图10所示。由表5和图10可以看出，石灰岩的表面纹理指标主要分布在光滑区域，4.75～9.5 mm和9.5～12.5 mm粒径的石灰岩光滑区域的占比分别为78.5%和86%，在粗糙区域的占比分别为2.5%和5.8%；而在同等粒径下，钢渣的表面纹理指标平均值在石灰岩和玄武岩之间，略低于玄武岩，但相较石灰岩提升明显；而钢渣和玄武岩的表面纹理指标分布很相似，在光滑、粗糙、非常粗糙区域都有分布，其中有60%左右分布在粗糙区域。这说明钢渣和玄武岩均具有较高的表面纹理指数，集料的表面纹理指数越高，越能增加集料与沥青之间的接触面积，增强集料的黏附性能，从而提升沥青混合料的抗水损性能[6]。

表5 不同粒径钢渣、石灰岩和玄武岩的表面纹理指标平均值

图10 不同粒径钢渣、石灰岩和玄武岩的表面纹理分布

5.3 球度分析

球度指标由集料的长轴长、次轴长与短轴长(长度、宽度、高度)计算得到，计算公式为

(3)

式中，ds为短轴长；dl为次轴长；dL为长轴长。

由AIMS软件得到的不同粒径钢渣、石灰岩和玄武岩的球度平均值如表6所示。从表6可看出，钢渣集料的球度明显高于石灰岩与玄武岩，且粒径越大，球度指标越高。

表6 不同粒径钢渣、石灰岩和玄武岩的球度平均值

不同粒径钢渣、石灰岩和玄武岩的集料球度分布如图11所示，从图11中可看出，在两个粒径下，钢渣、石灰岩和玄武岩的球度分布都主要集中在中球度和高球度区域，但是同等粒径下钢渣集料的球度均大于石灰岩和玄武岩， 9.5～12.5 mm粒径范围内，钢渣集料的球度比石灰岩和玄武岩大15%以上，9.5～12.5 mm的钢渣低球度在低球度区域没有出现，取而代之的是占全体20%左右的极高球度，这也是该粒径下钢渣球度的平均值比玄武岩大很多的原因。

图11 不同粒径钢渣、石灰岩和玄武岩的集料球度分布

集料的球度指标越大，其三维长度越接近，形状就越接近球体。王志祥等[6]通过SBS改性沥青和集料之间的黏附性试验，发现随集料球度的增大，集料会更加圆润，集料和沥青间的黏附性增强，集料间的嵌挤作用先增强后减弱，所以集料的球度为0.65～0.75时，沥青混合料的水稳定性最佳。结合本文所得试验结果来看，钢渣集料的球度均为0.65～0.75，所制成的沥青混合料水稳定性优于同粒径下的石灰岩和玄武岩集料，尤其是在9.5～12.5 mm粒径下更为明显。

6 结论

(1) 在放大200倍与2 000倍条件下，钢渣内部孔隙丰富，而石灰岩与玄武岩则更为致密。此外，钢渣表面存在较多的粉体颗粒，有助于增强早期水化效果，以提升水稳定性以及沥青与集料之间的黏附效果。

(2) 钢渣的总孔隙率显著高于玄武岩，约为玄武岩的3.5倍；钢渣的平均空隙尺寸为0.074 μm，约为玄武岩的1.7倍；此外钢渣中孔径>1 μm的孔隙占比达到65.24%。

(3) 钢渣的棱角性整体比石灰岩和玄武岩集料高约20%，钢渣的表面纹理指标介于石灰岩和玄武岩之间，钢渣的球度指标优于石灰岩和玄武岩集料。综上，钢渣作为集料时能够形成更加良好的嵌挤效果与表面构造，并提供比石灰岩更良好的黏结界面。