摻磁鐵礦粉/二氧化錳的瀝青混合料吸波升溫性能研究

朱浩然,于明明，張 楊，王文峰

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；2. 新型道路材料國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112)

1 概述

微波加熱技術(shù)與傳統(tǒng)的熱風(fēng)、紅外加熱技術(shù)相比，具有深層加熱、溫度梯度小、減少表層瀝青老化和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。最初其用于瀝青路面的坑槽修補(bǔ)被引入道路工程，近來被創(chuàng)新性應(yīng)用于高等級(jí)路面材料的就地?zé)嵩偕?，得到道路工作者的廣泛關(guān)注。然而傳統(tǒng)瀝青混合料吸收微波性能較差，導(dǎo)致微波設(shè)備應(yīng)用于瀝青路面養(yǎng)護(hù)的加熱時(shí)間較長(zhǎng)，約15～20 min，限制了微波加熱技術(shù)在路面中的應(yīng)用。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)研究成果，吸波材料能夠有效提高瀝青路面的吸波能力。郭德棟[1]對(duì)比研究了磁鐵礦集料和普通集料的吸波特性，提出了礦鐵礦集料替代普通集料制備的瀝青混合料具有較好的融雪破冰效果。已有研究表明摻磁鐵礦石可提高瀝青混合料抗溫縮裂縫的能力，但未考慮磁鐵礦石摻量對(duì)微波加熱升溫效率的影響[2-3]。馬賀[4]采用水熱合成法制備了不同形狀和晶型的二氧化錳，分析其對(duì)微波的吸收性能和磁滯損耗機(jī)理。趙華[5]提出磁鐵礦粉復(fù)合改性瀝青混合料微波吸收性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究成果適用于微波加熱路面養(yǎng)護(hù)和融雪除冰技術(shù)。李一冰[6]等將MnO2和玄武巖纖維的復(fù)合后加入瀝青混合料中，且其摻量為混合料質(zhì)量的12%時(shí)，具有較好的微波吸收性能。鄭志濤[7]等通過在瀝青混合料中摻加二氧化錳，提高了微波對(duì)道路表面的修補(bǔ)。楊國(guó)棟[8]等研究發(fā)現(xiàn)磁損耗型吸波材料主要是依靠磁滯損耗等磁極化機(jī)制來衰減微波。王艷琴[9]研究表明，摻加磁鐵礦粉可提高瀝青混合料對(duì)微波的吸收性能。蔡園[10]等對(duì)國(guó)內(nèi)外路用吸波材料在道路裂縫修補(bǔ)和融雪除冰的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，調(diào)研結(jié)果表明，磁鐵礦石和二氧化錳具有較好的吸波特性。蘇婷婷[11]通過水熱合成法制備了不同晶型的納米MnO2，并研究了MnO2納米材料的結(jié)構(gòu)-吸波性能關(guān)系。李軍野[12]等通過對(duì)隧道壁表面噴涂吸波材料，提高其對(duì)鐵路隧道的微波防冰效率。李永翔[13]等制備的微波敏感型瀝青再生劑可提高微波在坑槽修補(bǔ)方向的應(yīng)用。

綜上所述，當(dāng)前研究通常將吸波材料作為大粒徑的骨料，甚至以100%摻量替代集料，制備成瀝青混合料，來評(píng)估瀝青混合料的吸波性能，雖然較好地改善了瀝青混合料的吸波性能，但未考慮工程實(shí)際操作的可行性，吸波材料在瀝青路面的研究尚處于室內(nèi)探索階段。本文在文獻(xiàn)資料和市場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇工業(yè)化水平高的磁鐵礦粉和二氧化錳，將其作為礦粉的替代品，通過一系列微波加熱試驗(yàn)，研究吸波材料提升集料、瀝青混合料吸波升溫的效果，確定適宜的吸波材料摻量，可為吸波路面材料在公路瀝青路面快速養(yǎng)護(hù)和融雪化冰的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

2 原材料與試驗(yàn)方案

2.1 原材料

試驗(yàn)用原材料主要包括：石灰?guī)r粗集料(4.75～9.5、9.5～16 mm)、細(xì)集料和礦粉、SBS改性瀝青、磁鐵礦粉、二氧化錳。

磁鐵礦粉是磁鐵礦石經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎和研磨機(jī)研磨后而成的粉末狀材料，具有良好的電磁特性和微波吸收能力，粒徑約為6.5 μm，F(xiàn)e3O4含量為95%，黑色粉末；試驗(yàn)用二氧化錳為強(qiáng)鐵氧體材料，粒徑為0.2 μm，MnO2含量為91.5%，黑色粉末。見圖1、圖2。

圖1 磁鐵礦粉Figure 1 Magnetite powder

圖2 二氧化錳Figure 2 Manganese dioxide

2.2 試驗(yàn)方案

本文采用將吸波材料(磁鐵礦粉、二氧化錳)與石灰?guī)r集料混合、吸波材料摻入瀝青混合料中2種方式，研究不同配方、不同摻量吸波材料條件下，瀝青混合料吸波升溫的性能。

本試驗(yàn)采用普通微波爐，對(duì)吸波材料與集料、瀝青混合料的混合物進(jìn)行加熱。每加熱一定的時(shí)間，采用插入接觸式數(shù)顯測(cè)溫儀，測(cè)量不同加熱時(shí)間集料和瀝青混合料內(nèi)部5 cm處的加熱溫度。試驗(yàn)用微波爐(見圖3)，微波爐微波輸出功率為650 W，微波工作頻率為2.45 GHz(與微波加熱設(shè)備的工作頻率相同)。

圖3 試驗(yàn)用微波爐Figure 3 Experimental microwave oven

具體試驗(yàn)方案如下：

方案一：參照AC-13混合料礦粉的用量通常為4%，選用200 g粒徑為5～10 mm的石灰?guī)r集料，8 g礦粉，與不同比例的磁鐵礦/二氧化錳混合均勻，其摻量分別為礦粉質(zhì)量的0%、20%、40%、60%、80%和100%(相當(dāng)于集料的0%、0.8%、1.6%、2.4%、3.2%和4%)。將混合均勻的石灰?guī)r集料置于微波爐內(nèi)，加熱時(shí)間為1、2、3 min，用插入式數(shù)顯測(cè)溫儀，測(cè)得石灰?guī)r集料的溫度變化規(guī)律。

方案二：按等體積替代法，用吸波材料代替礦粉，制成AC-13混合料，試驗(yàn)用AC-13混合料的級(jí)配曲線如圖4所示。為保證吸波材料分散的均勻性，先將吸波材料與礦粉混合均勻→再將混合后的材料與石料混合均勻→加入瀝青→拌鍋內(nèi)濕拌180 s。將拌好的混合料放置在干燥皿內(nèi)，冷卻至室溫備用，可防止混合料在空氣中吸收水分，避免不同含水率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

采用溫升速率k來判斷被加熱材料的吸波升溫效果，計(jì)算公式如下：

(1)

其中，T1是初始溫度，即室溫；T2是加熱后的溫度；t是微波加熱時(shí)間。

圖4 石灰?guī)rAC-13合成級(jí)配Figure 4 AC-13 composite gradation of limestone

3 磁鐵礦粉/二氧化錳對(duì)石灰?guī)r集料溫升的影響

3.1 單摻磁鐵礦粉對(duì)石灰?guī)r集料溫升的影響

將不同摻量的磁鐵礦粉與礦粉、石灰?guī)r集料混合均勻后，用微波爐加熱1、2、3 min，測(cè)量石灰?guī)r集料的微波加熱溫度，石灰?guī)r集料的溫度變化和溫升速率如圖5、圖6所示。

圖5 單摻磁鐵礦粉對(duì)集料溫升的影響Figure 5 The influence of single-doped magnetite powder on the temperature rise of aggregate

圖6 微波加熱3 min石灰?guī)r集料的溫升速率Figure 6 Temperature rise rate of limestone aggregate heated by microwave for 3 min

由圖5可知，微波加熱摻加磁鐵礦粉的石灰?guī)r集料具有顯著的溫度提升作用，隨著磁鐵礦摻量的增加，集料的吸波性能顯著。

分析不同摻量磁鐵礦粉集料的溫升速率k，微波加熱3 min，當(dāng)磁鐵礦粉摻量分別為礦料質(zhì)量的0.8%、1.6%、2.4%、3.2%和4.0%時(shí)，相應(yīng)的溫升速率較未摻加磁鐵礦粉的石灰?guī)r集料提高了56.18%、102.25%、85.94%、92.46%和95.18%?？傮w趨勢(shì)，隨著磁鐵礦粉摻量增加，石灰?guī)r集料溫升速率k提高的越多。說明磁鐵礦粉摻加對(duì)石灰?guī)r集料吸波溫升性能具有顯著改善作用。

分析其原因?yàn)椋菏規(guī)r集料主要成分為CaCO3，碳酸鹽是弱吸波物質(zhì)，在一定功率的微波加熱條件下，石灰?guī)r集料所能到達(dá)的溫度有限；而磁鐵礦粉作為強(qiáng)的鐵磁性材料，其具有良好的介電和導(dǎo)磁特性，在相同頻率的微波加熱條件下，介電損耗和導(dǎo)磁損耗越大，材料的吸波性能越好[14]，材料將微波能轉(zhuǎn)換成熱能，通過熱傳導(dǎo)效應(yīng)，石灰?guī)r集料溫度得到顯著提升。

3.2 單摻二氧化錳對(duì)石灰?guī)r集料溫升的影響

將不同摻量的二氧化錳與礦粉、石灰?guī)r集料混合均勻，石灰?guī)r集料的溫度變化和溫升速率如圖7、圖8所示。

圖7 單摻二氧化錳對(duì)集料溫升的影響Figure 7 The influence of single-doped manganese dioxide on the temperature rise of aggregate

圖8 微波加熱3 min石灰?guī)r集料的溫升速率Figure 8 Temperature rise rate of limestone aggregate heated by microwave for 3 min

由圖7和圖8可知，在相同的試驗(yàn)條件下，微波加熱3 min后，未摻加二氧化錳的石灰?guī)r集料吸波溫升速率為12.87 ℃/min；當(dāng)二氧化錳的摻量為集料的0.8%、4.0%時(shí)，相應(yīng)的溫升速率較未摻加二氧化錳的集料提高了119.66%、246.31%。試驗(yàn)結(jié)果表明，二氧化錳對(duì)石灰?guī)r集料的微波加熱性能具有明顯的改善作用，且二氧化錳的溫升效果優(yōu)于磁鐵礦粉。

分析其原因?yàn)椋憾趸i作為一種強(qiáng)鐵氧體材料，其形態(tài)為帶狀和條狀結(jié)構(gòu)，粒徑大小約為200 nm，具有較大的比表面積，在相同填充量的情況下，能產(chǎn)生更大的偶極矩，在微波作用下具有更大的吸收和散射截面，從而能在更大程度上散射和衰減電磁波。同時(shí)二氧化錳作為一種介電型吸波材料，通過介電損耗吸收和衰減電磁波。故在相同頻率微波加熱的條件下，隨著二氧化錳摻量的增加，石灰?guī)r集料的溫升作用明顯。

3.3 復(fù)摻磁鐵礦粉/二氧化錳對(duì)石灰?guī)r集料溫升的影響

將磁鐵礦粉和二氧化錳比例按1∶1和7∶3的比例復(fù)配，與礦粉、石灰?guī)r集料混合均勻，測(cè)得微波加熱3 min石灰?guī)r集料的溫升速率如圖9所示。

(a) 磁鐵礦粉∶二氧化錳=1∶1

(b) 磁鐵礦粉∶二氧化錳=7∶3

由圖9可以看出，與單摻磁鐵礦粉、二氧化錳的規(guī)律相同，不同吸波材料摻量集料溫升速率較未摻加吸波材料的集料相比，均有顯著提高，隨著復(fù)合添加劑摻量的增大，集料的溫升速率提高越多。

由圖10可知，吸波材料的摻量為集料質(zhì)量的1.6%時(shí)，不同吸波材料對(duì)石灰?guī)r集料的溫升速率大小為∶單摻二氧化錳>磁鐵礦∶二氧化錳=1∶1≈磁鐵礦∶二氧化錳=7∶3>單摻磁鐵礦粉，單摻二氧化錳的集料溫升速率是單摻磁鐵礦粉的1.26倍。

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，由于二氧化錳的成本是磁鐵礦粉的6倍，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，下面選擇單摻磁鐵礦粉(記為MSA1)，研究吸波材料對(duì)石灰?guī)rAC-13混合料的溫升效果。

圖10 添加劑摻量占集料的比例為1.6%時(shí)集料的溫升速率Figure 10 The temperature rise rate of the aggregate when the additive content accounts for 1.6% of the aggregate

4 磁鐵礦粉對(duì)石灰?guī)rAC-13瀝青混合料性能的影響

4.1 磁鐵礦粉對(duì)混合料溫升性能的影響

對(duì)比研究磁鐵礦粉摻量為集料的0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%和未摻磁鐵礦粉時(shí)，不同加熱時(shí)間下石灰?guī)rAC-13瀝青混合料的微波加熱溫度，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 AC-13瀝青混合料的微波加熱溫度隨磁鐵礦粉摻量變化的規(guī)律Figure 11 Variation of microwave heating temperature of AC-13 asphalt mixture with magnetite powder content

微波加熱前期，摻加不同摻量磁鐵礦粉的瀝青混合料溫升作用不明顯，微波加熱4 min后，摻加磁鐵礦粉的瀝青混合料具有較好的微波吸收性能，瀝青混合料的溫升與微波加熱時(shí)間存在良好的線性相關(guān)特性。

在實(shí)際應(yīng)用中，普通瀝青混合料的廢棄溫度一般為190 ℃～195 ℃，再生溫度一般為150 ℃左右，而微波養(yǎng)護(hù)過程中瀝青混合料的溫度往往只需要達(dá)到160 ℃。由圖11可知，微波加熱8 min時(shí)，其中3組混合料的溫度達(dá)到150 ℃～160 ℃，因此，選擇8 min時(shí)間點(diǎn)分析混合料微波加熱溫度隨吸波材料摻量變化規(guī)律。

由圖12可知，當(dāng)磁鐵礦粉摻量由0.1%增加到2%時(shí)，石灰?guī)rAC-13瀝青混合料的溫度隨磁鐵礦粉摻量的增加呈先快速增大后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。當(dāng)磁鐵礦粉摻量分別為礦料的0.1%、0.2%和0.5%時(shí)，微波加熱8 min后，瀝青混合料的加熱溫度與未摻加磁鐵礦粉相比，從83.5 ℃提高到84.6 ℃、112.3 ℃、150.2 ℃，瀝青混合料的微波加熱溫度得到明顯提升，說明摻加磁鐵礦粉可提高石灰?guī)rAC-13瀝青混合料的微波吸收特性。當(dāng)磁鐵礦粉摻量為礦料質(zhì)量的1.0%和2.0%時(shí)，瀝青混合料的加熱溫度與磁鐵礦粉摻量0.5%的瀝青混合料基本相同，說明當(dāng)磁鐵礦粉摻量在0.5%以上時(shí)，磁鐵礦粉摻量的增加對(duì)瀝青混合料的微波加熱性能影響不大。

圖12 微波加熱8 min，AC-13混合料溫度隨磁鐵礦粉摻量變化的規(guī)律Figure 12 Microwave heating for 8 min， Variation of temperature of AC-13 mixture with magnetite powder content

因此，推薦磁鐵礦粉的最佳摻量為礦料的0.5%，AC-13混合料的吸波升溫性能提高80%。

4.2 磁鐵礦粉對(duì)混合料路用性能的影響

通過車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)，與普通石灰?guī)rAC-13混合料對(duì)比，評(píng)價(jià)磁鐵礦粉對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 瀝青混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Road performance test results of asphalt mixture

由表1可以看出，相對(duì)于普通AC-13瀝青混合料，摻磁鐵礦粉的AC-13混合料高溫抗車轍、抗水損害性能、低溫性能均有一定程度改善，尤其高溫抗車轍性能提高顯著，且各項(xiàng)路用性能均滿足規(guī)范技術(shù)要求。

本文試驗(yàn)結(jié)果表明，采用磁鐵礦粉替代部分礦粉的方式制備瀝青混合料，有效改善了普通瀝青混合料的微波加熱性能，且具有更好的路用性能，瀝青路面吸波材料的研發(fā)與應(yīng)用對(duì)公路瀝青路面熱再生和融雪破冰工程具有重要的意義。

5 結(jié)論

本文選擇磁鐵礦粉和二氧化錳這2種吸波材料，將其作為礦粉的替代品，通過一系列微波加熱試驗(yàn)，研究吸波材料對(duì)集料、瀝青混合料吸波升溫性能的影響，主要結(jié)論如下：

a.隨著磁鐵礦粉摻量的增加，集料的溫升速率增大，說明磁鐵礦粉的摻加對(duì)石灰?guī)r集料的吸波溫升性能具有顯著的改善作用。

b.二氧化錳提升集料微波加熱性能的效果優(yōu)于磁鐵礦粉。不同吸波材料對(duì)石灰?guī)r集料溫升速率作用大小為：?jiǎn)螕蕉趸i>磁鐵礦 ∶二氧化錳=1∶1≈磁鐵礦∶二氧化錳=7∶3>單摻磁鐵礦粉。

c.當(dāng)磁鐵礦粉摻量由0.1%增加到0.5%時(shí)，瀝青混合料的吸波性能隨著磁鐵礦粉摻量的增加得以顯著提升，當(dāng)磁鐵礦粉摻量大于0.5%時(shí)，磁鐵礦粉摻量的增加對(duì)瀝青混合料的微波加熱性能影響不大。

d.吸波瀝青路面材料制備，推薦磁鐵礦粉的最佳摻量為礦料的0.5%，AC-13混合料的吸波升溫性能可提高80%，且具有更好的路用性能。