基于微观表面自修饰的沥青混凝土用钢渣集料性能调控研究

Asphalt binder absorption and volume expansion caused by steel slag aggregate result in cost rise and durability degradation of asphalt concrete, seriously hindering the engineering application of steel slag asphalt concrete. Based on the literature reviews and the previous studies of the project applicant, the engineering application problems are planned to be researched. The work mechanism of micro surface self-modification behavior will be discussed based on the carbonation reaction of steel slag, and the directional surface self-modification behavior are also investigated by adjusting the conditions of carbonation reaction. The aim of directional self-modification is to fully fill the surface microspores and generate a dense product layer consist of carbonates simultaneously, which can provide property controlled steel slag aggregate with low asphalt absorption and high volume stability. The durability of property controlled steel slag based asphalt concrete will be fully evaluated based on the performance changes of asphalt-aggregate interface and asphalt concrete. The underlying data will be collected from test roads for the Life Cycle Assessment (LCA) of steel slag asphalt pavement to establish a suitable ecological assessment method, and the ecology characteristic of property controlled steel slag based asphalt concrete will be further quantified according to this method. Research results will provide scientific evidence for the feasibility of using steel slag based asphalt concrete in engineering, and the practical significance is great.

钢渣集料的沥青吸收行为、体积膨胀潜能给沥青混凝土的成本及耐久性带来不利影响，严重阻碍了钢渣沥青混凝土的工程应用。本项目拟在总结国内外研究成果和项目申请人前期工作的基础上，对钢渣沥青混凝土工程应用面临的现实问题进行研究。针对钢渣可自发进行碳化反应的特点，研究钢渣微观表面自修饰行为的工作机制；通过调节碳化反应条件引导钢渣进行定向自修饰：充分填充表面孔隙、形成致密的碳酸盐产物层，实现对钢渣吸收沥青和体积膨胀问题的双重调控，获取性能可控的钢渣集料；基于沥青-集料界面粘结性能以及沥青混凝土路用性能的变化，双尺度揭示钢渣沥青混凝土的耐久性特征；以建成且长期服役的钢渣沥青试验段为基础数据采集对象，基于材料全寿命周期评价方法，建立适用于钢渣沥青路面的生态评价机制，量化本研究中性能调控后的钢渣集料用于沥青路面时的生态特征。研究成果为钢渣沥青混凝土的工程适用性提供科学依据，具有十分重要的现实意义。

为实现对钢渣吸收沥青和体积膨胀问题的双重调控，本项目研究团队对钢渣表面特征及其自修饰行为、钢渣表面自修饰效果及性能辅助控制技术、钢渣沥青混凝土的耐久性和生态性等内容开展了深入研究，主要内容包括：（1）揭示钢渣材料性能的变异性，明确钢渣表面特征分析用样品的制取原则；确定主要元素富集区域的叠加规律以及叠加区域与矿物相种类、表面显微形貌的对应关系；分析孔隙主要存在形态及其位置分布特点；明晰矿物碳化反应次序以及碳化产物对钢渣表面孔隙原位填充和迁移填充的过程。（2）评价钢渣的自修饰行为对其表面孔隙和活性物质的调控效果；探明钢渣表面碳化产物层冻融循环损伤下的破坏机制，从集料表面增强以及集料-沥青胶浆粘附增强方面针对性地提出可有效控制钢渣集料表面性能缺陷的辅助技术措施。（3）基于沥青-集料界面粘结性能以及沥青混凝土性能的变化，双尺度揭示钢渣沥青混凝土的耐久性特征；基于材料全寿命周期评价方法，量化钢渣沥青混凝土路面的生态特征。获得的重要结论有：（1）钢渣表面硅酸盐矿物区与Fe相关矿物相（RO和铁的氧化物）区相间分布，少量f-CaO镶嵌于硅酸盐矿物区内或者与其相接；钢渣表面的孔主要分布于硅酸盐矿物区以及硅酸盐矿物区与Fe相关矿物区的交界面上；受硅酸盐矿物数量及分布影响，钢渣自修饰行为难以实现碳化产物对表面孔隙的完全填充，以位于硅酸盐矿物区孔的原位填充为主，孔隙填充率约为48%。（2）进入陈化钢渣表面碳化产物层内部的水，冻融循环损伤下反复产生冻胀和收缩造成产物层破坏，有机改性陈化钢渣表面和调节沥青胶浆组成这两种技术措施均能有效保护产物层，提高陈化钢渣沥青混凝土的冻融耐久性。（3）陈化钢渣与SBS改性沥青及部分水泥复合使用，制备的沥青混凝土具有优良的耐久性和生态性。本项目研究成果为钢渣沥青混凝土的工程适用性提供科学依据，具有十分重要的现实意义。