樊向陽(yáng)
(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西柳州 545006)
研究發(fā)現(xiàn)表明,在瀝青的攪拌過(guò)程中,如果有錳離子的催化作用,那么瀝青分子之間就會(huì)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),將瀝青中的易氧化四氫萘類(lèi)烴轉(zhuǎn)化成不可逆的酮鍵,形成了酮—錳絡(luò)合物,這對(duì)于改善瀝青的粘附性,抗氧化,內(nèi)聚力具有重大意義,另外錳渣本身呈現(xiàn)弱堿性,其中的堿性成分能與瀝青中酸性成分發(fā)生反應(yīng),從而使瀝青和錳渣表現(xiàn)出良好的粘附性。廣西是我國(guó)錳礦的主產(chǎn)區(qū),占全國(guó)錳礦產(chǎn)量38.5%[1]。對(duì)廢棄錳礦渣的有效利用,能夠降低其對(duì)環(huán)境的影響。錳渣多作為新型混凝土的一種添加劑使用,對(duì)廢棄錳礦渣的利用主要在水泥及混凝土等無(wú)機(jī)材料領(lǐng)域[2,3],而對(duì)于像瀝青這一類(lèi)的有機(jī)材料的改性研究,國(guó)內(nèi)外現(xiàn)在研究都還較少。因此,在瀝青路面中使用錳渣礦粉,并對(duì)錳渣礦粉瀝青混合料的抗老化性能進(jìn)行深入研究,將有效的提高錳渣的利用水平。
1)試驗(yàn)原材料。瀝青:采用70號(hào)瀝青,其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足要求。集料:采用石灰?guī)r粗集料,細(xì)集料為花崗巖和細(xì)砂。采用AC-5I連續(xù)性密級(jí)配的瀝青砂粒進(jìn)行直剪試驗(yàn),采用AC-13連續(xù)性密級(jí)配的瀝青混合料進(jìn)行劈裂試驗(yàn)[4],其級(jí)配見(jiàn)表1。在制作瀝青混合料的過(guò)程中,錳渣礦粉對(duì)普通礦粉的質(zhì)量代替百分比分別為0,20%,40%,60%,80%,100%。普通礦粉:采用石灰?guī)r礦粉,化學(xué)成分見(jiàn)表2。錳渣礦粉:采用高爐水淬錳鐵礦渣經(jīng)過(guò)粉磨后得到的錳渣礦粉,化學(xué)成分見(jiàn)表3。經(jīng)對(duì)比錳渣中有較高含量的SiO2,其活性高于石灰?guī)r礦粉。2)室內(nèi)瀝青混合料老化方法。模擬瀝青混合料的短期老化有多種方法,其中常用的有延時(shí)拌和法、烘箱加熱、微波加熱等,長(zhǎng)期老化的方法有延時(shí)烘箱加熱、加壓氧化法、紫外線處理等。本文采用烘箱加熱和延時(shí)烘箱加熱使瀝青混合料分別達(dá)到短期老化和長(zhǎng)期老化的效果。在恒溫烘箱中加熱4 h,加熱溫度為135℃,模擬短期老化;在恒溫烘箱中加熱5 d,10 d,加熱溫度為85℃,模擬長(zhǎng)期老化。目前瀝青混合料抗老化性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)多采用彎曲試驗(yàn)[5]及低溫劈裂試驗(yàn)[6,7],試驗(yàn)的主要指標(biāo)有彎拉應(yīng)變、彎拉強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、勁度模量等。本文通過(guò)對(duì)老化后的錳渣礦粉瀝青混合料進(jìn)行直剪試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn),并且以粘聚力、內(nèi)摩擦角和劈裂強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)的指標(biāo),研究錳渣礦粉瀝青混合料的抗老化性能[8]。
表1 礦料的級(jí)配
表2 礦粉的主要化學(xué)成分 %
表3 錳渣礦粉粒徑分布
對(duì)未老化和老化后的瀝青混合料基準(zhǔn)試件做直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)使用應(yīng)變控制式直剪儀,在20℃的室溫下進(jìn)行加載。直剪試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 錳渣礦粉瀝青混合料直剪試驗(yàn)結(jié)果
由表4可知:1)用錳渣礦粉代替石灰?guī)r礦粉可以有效的提高瀝青混合料的內(nèi)摩擦角和粘聚力,有效的提高了瀝青砂礫的粘附性。2)隨著錳渣礦粉代替量的增加,瀝青混合料的內(nèi)摩擦角不斷升高。錳渣礦粉的代替百分比越大,內(nèi)摩擦角的提高速率越大。如在老化5 d的情況下,錳渣礦粉代替量為60%,80%,100%的混合料其粘聚力相對(duì)于石灰?guī)r礦粉瀝青混合料分別提高了3.09%,3.86%,6.18%。3)隨著錳渣礦粉代替量的增加,瀝青混合料的粘聚力不斷提高。當(dāng)錳渣礦粉的代替百分比小于80%時(shí),瀝青混合料的粘聚力有較大的提高速率;當(dāng)錳渣礦粉的代替百分比大于80%時(shí),瀝青混合料粘聚力提高的速率降低。如在老化5 d的情況下,錳渣礦粉代替量為60%,80%,100%的混合料其粘聚力相對(duì)于石灰?guī)r礦粉瀝青混合料分別提高了35.1%,55.2%,59.1%。
評(píng)價(jià)錳渣礦粉對(duì)瀝青混合料抗老化性能,直剪試驗(yàn)是一種新的方法,而劈裂試驗(yàn)是相對(duì)成熟的試驗(yàn)方法。通過(guò)劈裂試驗(yàn),說(shuō)明不同錳渣代替量和老化時(shí)間對(duì)瀝青混合料劈裂強(qiáng)度、勁度模量的影響。
1)錳渣礦粉摻量對(duì)不同老化程度混合料劈裂強(qiáng)度的影響。
代替量為0,20%,40%,60%,80%,100%的錳渣瀝青混合料在老化前、老化5 d、老化10 d的情況下的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。
表5 錳渣礦粉瀝青混合料劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa
由表5可知:a.無(wú)論是否經(jīng)過(guò)老化,隨著錳渣礦粉代替百分比的增大瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度不斷提高。如在老化5 d的情況下,錳渣礦粉代替量為80%的混合料其劈裂強(qiáng)度相對(duì)于石灰?guī)r礦粉瀝青混合料提高了12.5%。b.相同錳渣礦粉代替量下,隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)劈裂強(qiáng)度不斷提高。在老化前至老化5 d段劈裂強(qiáng)度的提高較大,在老化5 d至老化10 d段的提高較小。如在錳渣礦粉代替量為80%的情況下,老化5 d較未老化混合料的劈裂強(qiáng)度提高了98.3%,老化10 d較老化5 d混合料的劈裂強(qiáng)度提高了5.1%,說(shuō)明瀝青混合料的老化速度降低。c.加入錳渣礦粉之前,老化10 d的瀝青混合料其劈裂強(qiáng)度為1.09 MPa,代替量為20%的錳渣礦粉瀝青混合料老化5 d對(duì)應(yīng)的劈裂強(qiáng)度為1.08 MPa。由此說(shuō)明,加入錳渣礦粉能夠有效延緩瀝青混合料的老化。
2)錳渣礦粉摻量對(duì)不同老化程度混合料勁度模量的影響。
代替量為0,20%,40%,60%,80%,100%的錳渣瀝青混合料在老化前、老化5 d、老化10 d的情況下的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。
表6 錳渣礦粉瀝青混合料勁度模量試驗(yàn)結(jié)果 MPa
由表6可知:a.相同錳渣礦粉代替量下,隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng),勁度模量不斷提高。相同的老化狀態(tài)下,隨著錳渣礦粉代替量的增加,勁度模量逐漸降低。這說(shuō)明錳渣礦粉的摻入能夠降低混合料的勁度,從而降低其脆性。b.未加錳渣礦粉的混合料老化5 d后的勁度模量是194 MPa,錳渣礦粉代替量為80%的瀝青混合料老化10 d后的勁度模量是195 MPa??梢?jiàn)錳渣礦粉代替量為80%的瀝青混合料老化10 d后的老化性能相當(dāng)于未加錳渣礦粉的混合料老化5 d后的老化性能。說(shuō)明錳渣礦粉的摻入能夠使瀝青混合料的壽命得到延長(zhǎng),老化時(shí)間得到延緩。
1)使用錳渣礦粉代替石灰?guī)r礦粉能提高瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度,從而提高抗老化性能。2)使用錳渣礦粉代替石灰?guī)r礦粉能提高瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度,降低其勁度模量,從而使其抗老化性能得到了有效的提高。3)綜合考慮瀝青混合料性能和經(jīng)濟(jì)性方面的因素,建議采用錳渣礦粉代替百分比為80%。
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