磁鐵礦瀝青混合料路用性能及微波除冰特性

劉 佳, 羅陽明

(1.廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000；2. 廣西南玉鐵路有限公司，廣西 南寧 530000 )

0 引言

自然界中蘊藏著豐富的磁鐵礦石，其主要成分是Fe3O4，具有優(yōu)良的磁性[1]。此外，磁鐵礦集料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，如較高的抗壓強(qiáng)度、較低的磨損值，完全滿足用作瀝青或混凝土混合料中集料的必要條件。因此，磁鐵礦可以替代建筑材料中的常規(guī)集料用作低成本的微波吸收劑[2]。

針對冬季道路除冰問題，目前常用的道路除冰技術(shù)有化學(xué)除冰法[3-4]和物理機(jī)械法[5]。化學(xué)除冰法主要在道路上撒布除冰鹽，降低冰點從而起到融冰化雪的目的，雖然這種方法操作簡單，成本低，但對環(huán)境污染嚴(yán)重，會使結(jié)構(gòu)鋼腐蝕嚴(yán)重。對于物理機(jī)械法，除冰作業(yè)需要大量車輛，而且路面結(jié)構(gòu)可能在除冰過程中被破壞。為了快速有效地清除路面冰雪，研究者們探索了微波除冰技術(shù)。Rajavaram等[6]發(fā)現(xiàn)磁鐵礦對微波加熱非常有利，因此，摻磁鐵礦的瀝青路面的微波加熱效率也大幅提升[4,7]。此外，基于微波加熱的多相流體熱物理傳遞，Sun等[8]從理論上對瀝青混合料中的傳熱機(jī)理進(jìn)行了研究。目前已經(jīng)開發(fā)出微波除冰車，并將其成功應(yīng)用于瀝青路面養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域[9]。

當(dāng)然，隨著能源價格上漲，利用微波技術(shù)進(jìn)行大面積融冰仍是一個挑戰(zhàn)。此技術(shù)的關(guān)鍵在于提高材料的微波吸收能力和瀝青混合料在微波輻射下的微波加熱效率。因此，本研究以磁鐵礦集料為吸波材料，設(shè)計了4種不同磁鐵礦含量的瀝青混合料，研究了磁鐵礦集料對瀝青混合料表面溫度和除冰效率的影響。

1 試驗

1.1 原材料

采用了磁鐵礦和石灰?guī)r兩種集料，按照規(guī)范《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)進(jìn)行集料的性能檢測，檢測結(jié)果如表1所示。石灰石填料和消石灰的性能分別見表2和表3，其性能按照規(guī)范《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)進(jìn)行檢測。根據(jù)規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)對所用瀝青進(jìn)行了檢測，結(jié)果如表4所示。

表1 集料的性能Tab.1 Properties of aggregates

表2 石灰石填料的性能Tab.2 Properties of limestone filler

表3 消石灰的性能Tab.3 Properties of hydrated lime

表4 瀝青的性能Tab.4 Properties of asphalt

1.2 制備試件

1.2.1集料級配

圖1 瀝青混合料集料級配Fig.1 Gradation of aggregate of asphalt mixture

瀝青混合料級配采用AC-13的中值級配，如圖1所示。按照磁鐵礦替代量的不同，共設(shè)計了4組瀝青混合料，如表5所示。第1組瀝青混合料試件全部采用石灰?guī)r集料。其余3組用相同體積磁鐵礦集料部分或全部代替石灰?guī)r集料。在第2組中，0.075～2.36 mm的石灰?guī)r集料被相同粒徑范圍的磁鐵礦集料取代；在第3組中，2.36～13.2 mm的石灰?guī)r集料被同粒徑的磁鐵礦集料取代；在第4組，所有石灰?guī)r集料均被磁鐵礦取代。

表5 瀝青混合料組成設(shè)計Tab.5 Mix design of asphalt mixture

1.2.2試件制備

根據(jù)規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)制備試件，試件制備過程如下：首先按順序?qū)⒓訜岷蟮募稀r青、石灰石填料和消石灰(1.2%集料質(zhì)量)加入至150 ℃溫度的攪拌機(jī)中，開啟攪拌機(jī)，使其以75 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)3 min，使瀝青混合料各原材料進(jìn)行勻質(zhì)混合。隨后，將混合料倒入模具中，制備瀝青混合料試件。其中，用于評價低溫性能和水穩(wěn)定性的試件為直徑(101.6±0.25)mm、高度(63.5±1.35)mm的馬歇爾試件；用于評價高溫性能的試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。

1.3 試驗表征

1.3.1微觀結(jié)構(gòu)

將磁鐵礦研磨成粉體，用掃描電鏡(SEM，S4800)分析其形貌。掃描電鏡分辨率為3.5 nm，測試條件為真空，測試電壓為3.0 kV。測試前對樣品進(jìn)行噴金處理。

1.3.2高溫性能

The primary endpoint was development of thrombosis of the operated segment,bleeding and surgical site infection,the need for re-interventions and amputations within 30 days after primary revascularization.

采用動穩(wěn)定度作為瀝青混合料高溫性能的評價指標(biāo)。測試過程中，實心橡膠輪與試件之間的接觸壓力為0.7 MPa，施加在試件上的載荷約為78 kg，試驗溫度為60 ℃。動穩(wěn)定度根據(jù)式(1)計算，采用每組4個樣本的平均結(jié)果作為評價指標(biāo)。

(1)

式中，DS為混合料的動穩(wěn)定度；d1，d2分別為t1(45 min)和t2(60 min)時的車轍變形；N為碾壓速度，42次/min。

1.3.3低溫性能

采用低溫劈裂強(qiáng)度試驗檢測瀝青混合料的低溫性能。本試驗采用的馬歇爾試件根據(jù)馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實法制備。測試溫度為-10 ℃，加載速率為1.0 mm/min，試件的低溫劈裂強(qiáng)度按式(2)計算：

(2)

1.3.4水穩(wěn)定性

采用凍融劈裂強(qiáng)度試驗檢測瀝青混合料的水穩(wěn)定性。本試驗采用的馬歇爾試件由馬歇爾擊實儀雙面各擊實75次制備。將試件在真空度為98 kPa的水中浸泡15 min，然后轉(zhuǎn)移到溫度為-18 ℃的容器中保存16 h；隨后將其置于溫度為60 ℃的水中24 h；最后，將試件置于溫度為25 ℃的水中2 h。使用加載條(寬度12.7 mm，內(nèi)曲率半徑50.8 mm)沿垂直直徑平面的方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，誘發(fā)開裂破壞，加載速率為50 mm/min。凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)可以根據(jù)式(3)和式(4)計算。每次試驗測試4個試件，取平均結(jié)果。

(3)

(4)

式中，RT為試件的劈裂強(qiáng)度；P為最大荷載；t為試驗前試件的高度；D為試件直徑；RT1，RT2為試件凍融前后的劈裂強(qiáng)度；TSR為凍融劈裂強(qiáng)度比。

1.3.5微波加熱效率

(5)

式中，MHE為微波加熱效率；T為試件的最終溫度；T0為試件的原始溫度；t為總加熱時間。

1.3.6微波除冰時間

將3個熱電偶埋在試件表面，然后在試件表面凍結(jié)一層10 mm厚的冰。試件和冰被置于溫度為-10 ℃，-15 ℃和-20 ℃的制冷裝置中分別達(dá)到恒溫。取出后，將其立即放入微波爐進(jìn)行微波輻射，并用溫度檢測儀測量和記錄熱電偶的溫度。當(dāng)表面溫度達(dá)到0 ℃時，將加熱時間記錄為微波除冰時間。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 高溫性能

瀝青混合料的高溫性能通過圖2所示的動穩(wěn)定度進(jìn)行評估。結(jié)果表明，僅含石灰?guī)r的瀝青混合料的動穩(wěn)定度為1 189次/mm，第2～4組的動穩(wěn)定度分別達(dá)到1 400，1 969次/mm和2 032次/mm。第1～4組的60 min和45 min的變形差分別為0.53，0.45，0.32 mm和0.30 mm。這說明磁鐵礦的加入可以提高瀝青混合料的抗車轍性能，這也意味著集料的強(qiáng)度和集料形成的骨架結(jié)構(gòu)對瀝青混合料高溫性能貢獻(xiàn)很大。從圖3所示的磁鐵礦形態(tài)可以看出，磁鐵礦具有一定的棱角性，因此可以形成互鎖的骨架結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)抗車轍破壞的能力。此外，磁鐵礦具有比石灰?guī)r(方解石，Mohs硬度，3)[10]更高的硬度和壓碎磨損值，在動穩(wěn)定度測試中能夠承受較高的車轍強(qiáng)度[11]。

圖2 瀝青混合料的高溫性能Fig.2 High temperature performance of asphalt mixture

圖3 磁鐵礦SEM圖Fig.3 SEM picture of magnetite

2.2 低溫性能

瀝青混合料的低溫性能通過低溫劈裂強(qiáng)度進(jìn)行評估，如圖4所示。結(jié)果表明，4組瀝青混合料試件在-10 ℃的劈裂強(qiáng)度值分別為2.11，2.03，1.96 MPa 和1.90 MPa。因此，磁鐵礦的加入會使瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度略微降低。隨著溫度的降低，瀝青混合料逐漸發(fā)生的收縮和變形會使集料之間的觸點被拉開[12]，繼而造成混合料低溫性能的劣化。因此，瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度主要取決于瀝青與集料之間的黏附力[13]。圖4結(jié)果表明石灰?guī)r明顯比磁鐵礦更有利于與瀝青進(jìn)行黏結(jié)，因此，瀝青與磁鐵礦之間的弱黏附性是影響瀝青混合料低溫性能的主要因素。為了改善磁鐵礦瀝青混合料的低溫性能，應(yīng)適當(dāng)降低磁鐵礦的摻入比例，或?qū)Υ盆F礦集料進(jìn)行物理化學(xué)改性，比如增大磁鐵礦集料的粗糙程度，利用消石灰對磁鐵礦集料進(jìn)行預(yù)處理等。這是因為粗糙程度高的集料必然與瀝青的黏附力較高，而消石灰可以使骨料表面呈堿性，從而提高瀝青與磁鐵礦之間的黏附力。

圖4 瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度Fig.4 Low temperature splitting strengths of asphalt mixture

2.3 水穩(wěn)定性

為了研究瀝青混合料的水穩(wěn)定性，得到了圖5所示的凍融劈裂強(qiáng)度比。結(jié)果表明，第1～4組的TSR值分別為82.2%，86.7%，88.7%和91.0%，說明隨著磁鐵礦含量的增加，瀝青混合料的水穩(wěn)定性逐漸提高[14]。其中，第1組的TSR達(dá)到82.2%，超過了規(guī)范《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中所要求的80%。

圖5 瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比Fig.5 Freeze-thaw splitting strength ratios of asphalt mixture

為了研究消石灰的加入對瀝青的改性效果，進(jìn)行了改性前后瀝青的紅外光譜檢測試驗，如圖6所示。隨著消石灰的采用，對照組的化學(xué)鍵和分子官能團(tuán)發(fā)生了明顯的變化。改性瀝青中2 849～2 944 cm-1處的C-H鍵彎曲振動峰在狹窄范圍內(nèi)被壓縮。改性瀝青在3 641.82 cm-1處有明顯的-OH伸縮振動峰。-OH能使集料表面呈堿性，使游離瀝青易于黏附在集料表面。因此，加入消石灰可能會使磁鐵礦瀝青混合料的水穩(wěn)定性得到改善。

圖6 消石灰加入前后瀝青的紅外光譜Fig.6 Infrared spectra of asphalt before and after adding hydrated lime

2.4 瀝青混合料表面溫度

瀝青混合料表面溫度與微波輻射時間的關(guān)系如圖7所示。當(dāng)摻入較細(xì)的磁鐵礦集料后，瀝青混合料的表面溫度在120 s微波輻射時間內(nèi)由14 ℃提高到35 ℃，MHE為0.18 ℃/s，而只含石灰?guī)r集料的瀝青混合料在相同的微波輻射時間內(nèi)由14 ℃提高到22 ℃，其MHE僅為0.07 ℃/s。此外，當(dāng)摻入較粗的磁鐵礦集料后，瀝青混合料的MHE進(jìn)一步提高至0.31 ℃/s，這主要是由于較粗的磁鐵礦集料具有較高的微波發(fā)熱效率。將瀝青混合料中的石灰?guī)r集料全部替換為磁鐵礦集料后，其MHE最終被提升至0.37 ℃/s，提升幅度較小，可能與微波和自由空間及吸波基體的阻抗不匹配有關(guān)[15-16]。另外，不建議對瀝青路面進(jìn)行高溫加熱，如100 ℃甚至更高的溫度。因為瀝青黏合劑在軟化點以上會開始融化，在微波加熱設(shè)備的荷載作用下，瀝青路面會表現(xiàn)出軟化狀態(tài)，從而影響瀝青路面的路用性能。

圖7 瀝青混合料表面溫度與微波輻射時間的關(guān)系Fig.7 Relationship between surface temperature of asphalt mixture and microwave radiation time

2.5 瀝青混合料的微波除冰時間

冰層與瀝青混合料界面處的凍結(jié)層見圖8(a)。由于凍結(jié)層的阻礙，瀝青路面上會遺留如圖8(b)所示的殘冰，機(jī)械除冰效果不理想，可能對路面造成嚴(yán)重危害。然而，微波能使路面與路面之間的冰層完全消除。測試了界面溫度為0 ℃時的微波除冰時間，結(jié)果如圖9所示。

圖8 瀝青混合料表面冰層Fig.8 Ice layer on asphalt mixture surface

圖9顯示了不同環(huán)境溫度下瀝青混合料的微波除冰時間。當(dāng)環(huán)境溫度為-15 ℃時，未摻入和摻入細(xì)磁鐵礦的瀝青混合料的微波除冰時間分別為354 s和153 s。表明細(xì)磁鐵礦的摻入使瀝青混合料的微波除冰時間縮短了一半。摻入粗磁鐵礦的瀝青混合料的微波除冰時間為137 s，進(jìn)一步縮短了微波除冰時間。摻入粗細(xì)磁鐵礦集料的瀝青混合料的微波除冰時間在環(huán)境溫度為-5 ℃時進(jìn)一步縮短到103 s，這與上述微波輻射過程中混合料表面溫度情況相互對照。隨著環(huán)境溫度的升高，瀝青混合料的微波除冰時間不斷縮短，比如第4組在環(huán)境溫度為-10 ℃和-5 ℃時的微波除冰時間分別縮短至78 s和53 s。綜上，磁鐵礦的含量和所處環(huán)境溫度都對微波除冰效果有很大影響。

圖9 不同環(huán)境溫度下的微波除冰時間Fig.9 Microwave deicing time at different ambient temperatures

理想的吸收材料應(yīng)盡可能多地吸收微波，這就要求材料具有較大的介電損耗或磁損耗[17-18]。普通瀝青混合料中不含磁鐵礦集料，由于瀝青和普通集料的磁性成分含量較低，其磁損耗較小。因此，磁鐵礦集料可以賦予瀝青混合料優(yōu)良的微波吸收能力，進(jìn)而改善其微波除冰性能。

3 結(jié)論

本研究對磁鐵礦瀝青混合料路用性能、微波發(fā)熱能力和微波除冰時間等進(jìn)行了試驗，提出了不同磁鐵礦含量的瀝青混合料微波除冰規(guī)律和機(jī)理，得出以下結(jié)論：

(1)與石灰?guī)r相比，磁鐵礦具有棱角性和較高壓碎值，能顯著改善瀝青混合料的高溫性能和抗車轍性能。

(2)磁鐵礦的加入會使瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度略有降低。低溫劈裂強(qiáng)度取決于瀝青與集料間黏結(jié)強(qiáng)度，石灰?guī)r比磁鐵礦更有利于瀝青與集料黏結(jié)。

(3)瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比隨磁鐵礦含量的增加而增大，最低TSR達(dá)到82.2%。加入消石灰后生成-OH可使磁鐵礦集料表面呈堿性，使游離瀝青更容易黏附在集料表面。

(4)瀝青混合料的表面溫度明顯受微波輻射時間和磁鐵礦含量影響。磁鐵礦集料替代瀝青混合料中的細(xì)集料、粗集料和細(xì)+粗集料后，瀝青混合料的微波加熱速率由對照組的0.07 ℃/s分別提升至0.18，0.31 ℃/s和0.37 ℃/s。

(5)磁鐵礦含量和所處環(huán)境溫度都對微波除冰效果影響很大。較高磁鐵礦集料含量可以明顯縮短微波除冰時間，微波除冰時間隨環(huán)境溫度降低而增加。