錳渣礦粉瀝青混合料抗老化性能研究

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)原材料及方法

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

2 直剪試驗(yàn)結(jié)果及分析

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%。

3 劈裂試驗(yàn)

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。

4 結(jié)語(yǔ)

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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