改性石灰?guī)r礦粉中消石灰摻量的檢驗(yàn)方法

紀(jì)洪杰，李居銅，孔珍珍，張愛勤

(1.威海市文登公路管理局，山東文登 264400；2.山東交通學(xué)院 山東省高校路面結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250357)

改性石灰?guī)r礦粉中消石灰摻量的檢驗(yàn)方法

紀(jì)洪杰1，李居銅2，孔珍珍2，張愛勤2

(1.威海市文登公路管理局，山東文登 264400；2.山東交通學(xué)院 山東省高校路面結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250357)

借鑒公路工程EDTA測(cè)定石灰穩(wěn)定土中石灰劑量的原理，針對(duì)摻加消石灰粉改性的石灰?guī)r礦粉，提出一種適合檢驗(yàn)其中消石灰摻量的修正方法。通過化學(xué)分析與計(jì)算確定，采用該方法檢測(cè)改性石灰?guī)r礦粉中的消石灰摻量時(shí)，試驗(yàn)代表性取樣100 g，加入600 mL的氯化銨標(biāo)準(zhǔn)溶液才能將消石灰粉中的鈣離子全部溶出。消石灰摻量的檢測(cè)結(jié)果宜按礦料中消石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算，以便控制改性石灰?guī)r礦粉的生產(chǎn)質(zhì)量。

石灰?guī)r礦粉；EDTA；標(biāo)準(zhǔn)曲線；消石灰；摻量

威海市是魯東半島花崗巖分布的典型地區(qū)，石灰?guī)r原料缺乏且CaCO3含量較低。因此，當(dāng)?shù)夭捎没◢弾r筑路時(shí)，為提高瀝青與花崗巖的黏附性，增強(qiáng)花崗巖瀝青混合料的抗水剝落能力，常在石灰?guī)r礦粉填料中摻加一定比例的生石灰粉或者消石灰粉[1-2]，通常采用后者。但由于該地區(qū)生產(chǎn)工藝與技術(shù)比較單一，造成礦粉中的消石灰粉摻量難以控制，質(zhì)量波動(dòng)較大，致使該地區(qū)采用摻加消石灰粉改性石灰?guī)r礦粉的方法改善瀝青混合料水穩(wěn)定性的效果不夠理想[3-4]。為控制消石灰粉的生產(chǎn)質(zhì)量，保證對(duì)花崗巖瀝青路面水穩(wěn)性的改善效果，本研究探討了EDTA法檢測(cè)消石灰改性石灰?guī)r礦粉中消石灰摻量的適用性。

1 消石灰改性石灰?guī)r礦粉的應(yīng)用現(xiàn)狀

花崗巖、砂巖、石英巖等酸性石料堅(jiān)硬、致密、耐磨性強(qiáng)，骨架嵌擠作用充分，用于鋪筑瀝青路面的突出問題是SiO2含量高，與瀝青的粘附性差，修建路面的耐久性難以滿足設(shè)計(jì)要求。因此，使用時(shí)必須采取抗剝落措施。一般，除使用針入度較小的高稠度瀝青外，可同時(shí)采取用干燥的、細(xì)消石灰粉或生石灰粉、水泥作為填料的一部分或者摻加抗剝劑等改善方法。

摻加消石灰粉改善熱拌瀝青混合料的粘附性，在國內(nèi)外得到普遍認(rèn)可：1)消石灰能降低集料表面電荷，降低其表面能而不與氫鍵結(jié)合，達(dá)到較好的水穩(wěn)性。2)消石灰可使集料表面活化，提高瀝青與其粘附力。3)消石灰可以提高瀝青自身粘性。4)消石灰能生成獨(dú)立的石灰石結(jié)晶質(zhì)，增強(qiáng)與瀝青的粘結(jié)。

文獻(xiàn)[5]中要求：當(dāng)粗集料與瀝青的粘附性達(dá)不到要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)確定消石灰粉的摻加劑量，因各地石質(zhì)不同，不宜照搬。一般，在瀝青混合料中加入摻量(礦質(zhì)混合料中消石灰的質(zhì)分?jǐn)?shù)量)為1.5%～2.0%的消石灰代替礦粉，以便達(dá)到規(guī)范規(guī)定的有關(guān)水穩(wěn)性指標(biāo)要求。為改善瀝青與花崗巖的粘附性，提高花崗巖瀝青路面的抗水損害能力，威海市常以消石灰替代部分石灰?guī)r礦粉的預(yù)拌方法進(jìn)行施工，其控制摻量為2.0%[6]。采用干法摻加石灰粉是我國最常用的方法之一，即將石灰粉與礦粉預(yù)混為成品，再加入拌和樓，或?qū)⑹曳酆偷V粉一起加入拌和樓，使其在拌和過程中均勻分散在瀝青混合料中。干法工藝簡單，成本較低，但改善效果有限，由于現(xiàn)行規(guī)范缺乏石灰摻加劑量的檢測(cè)方法，因而摻加數(shù)量和生產(chǎn)質(zhì)量較難控制。

2 消石灰摻量檢測(cè)方法的確定

對(duì)于控制礦粉中消石灰的摻加劑量，我國目前尚未制定相應(yīng)的檢驗(yàn)方法。為嚴(yán)格控制礦粉中消石灰粉的摻量，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，減少負(fù)面影響，借鑒文獻(xiàn)[7]水泥或石灰穩(wěn)定土中水泥或石灰劑量(土中水泥或石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù))測(cè)定方法(EDTA滴定法)，優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)分析確定較為合理的檢驗(yàn)石灰?guī)r礦粉中消石灰摻量的方法。

2.1檢測(cè)方法

EDTA滴定法適用于工地快速測(cè)定水泥和石灰等無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土中的灰劑量，并可用以檢查混合料拌和的均勻性。其優(yōu)點(diǎn)是不受水泥和石灰穩(wěn)定土齡期(7 d以內(nèi))的影響，且簡便快速。

EDTA滴定法的原理是，先用質(zhì)量濃度為10%的NH4Cl弱酸溶出石灰(水泥)穩(wěn)定材料中的鈣離子，然后用EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液奪取鈣離子，繪制EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的消耗量與相應(yīng)的石灰(水泥)劑量的近似線性關(guān)系[8]。其化學(xué)反應(yīng)方程式[9]為

Ca(OH)2+ 2NH4Cl → CaCl2+ 2NH3·H2O.

由試驗(yàn)原理推測(cè)，檢測(cè)摻加消石灰粉改性石灰?guī)r礦粉中消石灰粉的摻量，可以通過鈣離子的含量確定，用EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的消耗量來標(biāo)定鈣離子。因此，選用EDTA滴定法確定礦粉中的消石灰摻量是完全可行的。

2.2試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

表1 EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液滴定7種消石灰摻配的礦粉試驗(yàn)結(jié)果

1)確定消石灰改性石灰?guī)r礦粉代表性試樣的量

取工地礦粉和消石灰粉試樣各100 g，用烘干法測(cè)定礦粉和消石灰粉中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.34%和0.22%。參照石灰穩(wěn)定土中石灰劑量的測(cè)定方法，每份混合料配制300 g。以消石灰粉和礦粉中實(shí)際水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算，配制消石灰粉摻量(按外摻法計(jì))分別為0%，10%，20%，30%，40%，50%，60%的7種比例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)定結(jié)果見表1。

由表1可以看出，消石灰粉摻量為0～30%時(shí)，EDTA消耗量呈較明顯增長趨勢(shì)；消石灰粉摻量>30%時(shí)，EDTA消耗量緩慢增長，且增量變化很小。該現(xiàn)象顯然同消石灰摻量與EDTA體積消耗量呈正比的結(jié)論相矛盾，這說明僅簡單地借鑒此方法，配制300 g混合料試樣進(jìn)行試驗(yàn)，不適合消石灰改性礦粉的石灰摻量檢測(cè)。

采用化學(xué)方法分析導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因。EDTA滴定灰劑量試驗(yàn)中需加入質(zhì)量濃度為10%氯化銨溶液600 mL以溶出試樣中的Ca2+，化學(xué)反應(yīng)方程式為

Ca(OH)2+2NH4Cl→CaCl2+2NH3·H2O.

計(jì)算結(jié)果說明，消石灰摻量為60%時(shí)所需氯化銨溶液為1 625.3 mL。也就是說，當(dāng)消石灰摻量為60%時(shí)，至少應(yīng)加入1 625.3 mL的氯化銨溶液，才能將消石灰中的鈣離子全部溶出。可見，按照EDTA滴定灰劑量的方法，僅取用600 mL氯化銨溶液是不夠的，這是造成試驗(yàn)結(jié)論與實(shí)際不符的主要原因。因此，要借鑒EDTA滴定法檢測(cè)消石灰改性石灰?guī)r礦粉中的石灰劑量，必須依照該試驗(yàn)原理進(jìn)行取樣修正。

考慮礦粉與消石灰粉均為細(xì)粒料，<0.075 mm顆粒的質(zhì)量均達(dá)80%以上，按照取樣原則，可減少代表性試樣的試驗(yàn)數(shù)量。若將試驗(yàn)試樣由300 g減少至100 g，則所需氯化銨溶液的體積約為542 mL。通常，石灰穩(wěn)定土中石灰劑量為8%～14%，文獻(xiàn)[7]中采用5種試樣，每種2個(gè)樣品，為溶出試樣中的Ca2+，在燒杯內(nèi)先加入質(zhì)量濃度為10%的氯化銨溶液600 mL。

若工地實(shí)際消石灰粉摻量達(dá)到70%時(shí)，按同樣的方法計(jì)算得出需要質(zhì)量濃度為10%的氯化銨溶液的體積為595 mL。

考慮試驗(yàn)時(shí)需將消石灰粉中的Ca2+充分溶出，可以加入過量的氯化銨溶液，因此，對(duì)于100 g消石灰改性石灰?guī)r礦粉代表性試樣，按照文獻(xiàn)[7]的方法，加入600 mL質(zhì)量濃度為10%的氯化銨溶液進(jìn)行絡(luò)合滴定試驗(yàn)滿足要求。

2)試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所需4種試劑分別為：濃度為0.1 mol/m3乙二胺四乙酸二鈉(簡稱EDTA二鈉)標(biāo)準(zhǔn)液、質(zhì)量濃度為10%的氯化銨(NH4Cl)溶液、質(zhì)量濃度為1.8%的氫氧化鈉(內(nèi)含三乙醇胺)溶液、鈣紅指示劑，按照規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法配制試劑。

3)繪制消石灰改性石灰?guī)r礦粉EDTA標(biāo)準(zhǔn)曲線

組配消石灰粉摻量分別為0%，10%，20%，30%，40%，50%，60%，70% 8種消石灰改性石灰?guī)r礦粉，取100 g試樣進(jìn)行滴定實(shí)驗(yàn)。檢測(cè)步驟為：稱取9種試樣，每種平行取2個(gè)樣品，分別將試樣置于潔凈的燒杯中，并加入600 mL質(zhì)量濃度為10%的氯化銨溶液；按110～120次/min攪拌速率攪拌3 min，靜置沉淀，并將上部清液移至300 mL燒杯內(nèi)攪勻待測(cè)；用移液管吸取10 mL液體放入200 mL錐形瓶內(nèi)，加入500 mL質(zhì)量濃度為1.8%的氫氧化鈉(內(nèi)含三乙醇胺)溶液，調(diào)節(jié)溶液pH值為12.5～13.0，然后加入約0.2 g鈣紅指示劑，搖勻至溶劑呈玫瑰紅色；記錄滴定管中EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液初始體積V1，用EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，觀察并記錄溶液變至純藍(lán)色(終點(diǎn))滴定管中EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液體積V2；計(jì)算EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的消耗量。

滴定9種消石灰摻量的石灰?guī)r礦粉所消耗的EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液的試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 8種消石灰粉摻量的改性石灰?guī)r礦粉EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液滴定試驗(yàn)結(jié)果

以消耗EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)液的平均體積為縱坐標(biāo)，消石灰粉摻量為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1。

圖1 消石灰改性石灰?guī)r礦粉EDTA標(biāo)準(zhǔn)曲線

3 試驗(yàn)可靠性驗(yàn)證

表3 現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)結(jié)果

從工地取消石灰改性石灰?guī)r礦粉試樣，采取上述方法用EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行檢測(cè)，EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定時(shí)的消耗量如表3所示。由表3知，EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的消耗量為45.93 mL，對(duì)照查找標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖1)，確定所對(duì)應(yīng)的消石灰粉摻量為33%。按照密級(jí)配瀝青混凝土中，礦粉用量一般為礦質(zhì)混合料總量的5%換算，該消石灰摻量應(yīng)為礦料總量的1.65%，滿足文獻(xiàn)[5]中消石灰摻量的基本要求。

4 結(jié)論

根據(jù)石灰穩(wěn)定土的灰劑量檢測(cè)原理，通過試驗(yàn)分析探索出改性石灰?guī)r礦粉中消石灰摻量的檢測(cè)方法。結(jié)論如下：1)可以利用EDTA滴定法檢測(cè)石灰石礦粉中消石灰的摻量。2)與EDTA滴定石灰穩(wěn)定土中石灰劑量取樣300 g相比，檢測(cè)礦粉中消石灰摻量時(shí)的取樣應(yīng)降低為100 g。3)按100 g濕混合料配制試樣，加入600 mL新配制的質(zhì)量濃度為10%的氯化銨溶液。4)將試驗(yàn)確定的消石灰摻量換算成礦料中消石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以便依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定與控制。

[1]張愛勤，孫式霜，郝秀紅，等.提高花崗巖瀝青混合料界面水穩(wěn)性的研究[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，16(2)：75-78.

[2]張愛勤，董吉福，王志輝，等.路用石灰?guī)r礦粉的改性研究[J].中外公路，2009，29(1)：223-225.

[3]宮本輝，朱峰，張愛勤.石灰石填料表面改性的試驗(yàn)研究[J].中外公路，2012，32(3)：305-308.

[4]LI Jing，ZHANG Ai-qin.Surface Modification Research for Asphalt Mixture Filler[J].Applied Mechanics and Materials, 2012,174-177(5):821-825.

[5]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院. JTG D50—2006 公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[6]宋宗平.瀝青混合料中摻加消石灰粉替代部分礦粉施工質(zhì)量控制[J].施工技術(shù)，2012,41(371):101-103.

[7]交通部公路科學(xué)研究院. JTG E51—2009 公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社，2009.

[8]王志強(qiáng).影響石灰土石灰劑量測(cè)定準(zhǔn)確定的因素及改進(jìn)措施[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2010(232):109-111.

[9]曲玥.影響穩(wěn)定土中石灰劑量測(cè)定結(jié)果的因素分析[J].山西建筑，2012,38(12):137-139.

[10]楊戈，陳璟，閆增輝.基于高溫性能的瀝青膠漿中消石灰摻量確定方法[J].城市道橋與防洪，2011(2):71-74.

ResearchonTestMethodofLimeDosageofModifiedLimestonePowder

JIHong-jie1，LIJu-tong2，KONGZhen-zhen2，ZHANGAi-qin2

(1.WendengHighwayAdministrationofWeihaiCity,Wendeng264400,China;2.KeyLaboratoryofPavementStructureandMaterialsofShandongHigherInstitutions,ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China)

This paper uses the principle of EDTA titrating lime dosage in the lime stabilized soil of highway engineering and puts forward the modified method which is suitable to test the slaked lime dosage. Through the chemical analysis and calculation, all the calcium ions in the slaked lime can be dissolved by using the representative sample in which 100 g of the slaked lime is mixed with 600 mL of the ammonium chloride standard solution when the method is adopted to detect the lime dosage of modified limestone powder. The test result of slaked lime dosage should be calculated according to the quality percentage of the slaked lime of the aggregate in order to control the production quality of the modified limestone powder.

limestone powder, EDTA;standard curve;slaked lime;lime dosage

郎偉鋒)

2014-08-01

紀(jì)洪杰(1968—)，男，山東文登人，威海市文登公路管理局工程師，主要研究方向?yàn)榈缆放c橋梁施工技術(shù)和試驗(yàn)檢測(cè).

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.03.014

U414.103

A

1672-0032(2014)03-0066-05