赤泥礦粉瀝青混合料的抗水損壞研究

付善春 ，王冬冬 ，沈紅艷

（1.信陽(yáng)學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000；2.信陽(yáng)市裝配式建筑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 信陽(yáng) 464000；3.信陽(yáng)學(xué)院圖書館，河南 信陽(yáng) 464000）

赤泥是制鋁過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)廢料，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，每年都有數(shù)百萬(wàn)噸的廢料產(chǎn)生[1-3]，大量排放引發(fā)了一系列的環(huán)境問(wèn)題和安全問(wèn)題，如何最大限度地處理赤泥廢棄物已經(jīng)成為了非常重要的課題。根據(jù)相關(guān)資料[4]，我國(guó)瀝青路面的破壞大部分都和水損壞有關(guān)，為了延緩瀝青路面的水損壞、增強(qiáng)瀝青路面的整體性能，加強(qiáng)對(duì)瀝青混合料抗腐蝕性能的研究具有重要的實(shí)踐意義。通常情況下，瀝青混合料中的礦粉不僅會(huì)起到填充作用, 而且還會(huì)起到膠漿作用,礦粉與瀝青結(jié)合在一起形成的膠漿會(huì)直接影響瀝青混合料的基本性能。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于基質(zhì)瀝青改性的研究主要集中在“濕法改性”上，研究者力圖通過(guò)把改性劑以一定比例摻入到基質(zhì)瀝青中來(lái)改善基質(zhì)瀝青的某些性能指標(biāo)[5-7]。但是這種方法也有很大的缺陷，比如在具體施工過(guò)程中由于需要事先對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行“濕法改性”操作步驟，而會(huì)耽誤大量的時(shí)間，不利于在施工過(guò)程中大規(guī)模推廣?；谶@樣的研究背景，本文采用“干法改性”，通過(guò)用赤泥替代瀝青混合料中的石灰?guī)r礦粉，開(kāi)展赤泥瀝青混合料抗水損壞性能的研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 集料

實(shí)驗(yàn)采用某采石場(chǎng)棱角形、壓碎值較高，表面紋理較好、片狀較低的石灰?guī)r作為礦質(zhì)集料。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E42-2005與《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》 JTG F40-2004中的要求對(duì)集料進(jìn)行了10個(gè)檔次的篩分實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果均符合技術(shù)規(guī)范[8-9]。

1.1.2 基質(zhì)瀝青

采用“東海牌”海牌青2級(jí)道路石油瀝青，該瀝青25℃常溫下較硬，符合規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20-2011的要求。

1.1.3 赤泥

實(shí)驗(yàn)中采用某制鋁過(guò)程中產(chǎn)生的赤泥廢料，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 赤泥的主要化學(xué)成分/%Table 1 Main chemical composition of red mud

1.1.4 石灰?guī)r礦粉

采用的某礦粉廠生產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉，其化學(xué)成分見(jiàn)表2，石灰?guī)r礦粉技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 石灰?guī)r的主要化學(xué)成分/%Table 2 Main chemical constituent of limestone

表3 石灰?guī)r礦粉技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Table 3 Test results of technical indexes of limestone powder

1.2 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用的是AC-13連續(xù)型密級(jí)配[10]，其關(guān)鍵性篩孔為2.36 mm，通過(guò)率要求小于40%；結(jié)合國(guó)內(nèi)外表層瀝青混合料AC-13級(jí)配控制對(duì)比表，確定AC-13型瀝青混凝土礦料級(jí)配見(jiàn)表4。

表4 AC-13瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)Table 4 AC-13 Asphalt Mixture Gradation Design

1.3 赤泥礦粉瀝青膠漿配合比的確定

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，采用m(礦粉)：m（瀝青）=2∶1配比，赤泥分別按質(zhì)量替代石灰?guī)r礦粉的0、25%、50%、75%、100%進(jìn)行五組份實(shí)驗(yàn)。

1.4 試件制備

為了減少實(shí)驗(yàn)變量，采用同一個(gè)級(jí)配制作成五組試件：赤泥礦粉替代石灰?guī)r礦粉占比為0、25%、50%、75%、100%。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以AC-13級(jí)配作為實(shí)驗(yàn)用級(jí)配，按照《公路工程瀝青混合料及瀝青混合料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052-2000）和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF 40-2004）中規(guī)定的方法制作成圓柱形試件，試件尺寸為101.6方法制作成圓柱，試件成型后，將其放在室溫條件下干燥。

2 赤泥瀝青膠漿的粘附性能實(shí)驗(yàn)

按照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范，在評(píng)價(jià)集料與瀝青之間的粘附性時(shí)往往采用水煮法和水浸法，但是這種方法只能定性地對(duì)集料與瀝青之間的粘結(jié)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，存在一定的缺陷。為了準(zhǔn)確地、定量地對(duì)集料和瀝青間的粘附性能進(jìn)行描述，本文采用吸持性能實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析和描述。

2.1 吸持性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)參照纖維對(duì)瀝青吸附能力的吸持性實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)赤泥礦粉替代石灰?guī)r礦粉后的吸持程度[11]。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，稱取一定質(zhì)量的混合料放在圓形漏斗型網(wǎng)篩上，再將燒杯和網(wǎng)篩一起放進(jìn)烘箱中恒溫15 min，烘箱溫度依次設(shè)置為：140、160和170℃。恒溫時(shí)間到后，將圓形漏斗型網(wǎng)篩與燒杯一起拿出，置于室內(nèi)常溫環(huán)境下，當(dāng)網(wǎng)篩上不再滴落多余瀝青時(shí)稱取滴落下來(lái)的瀝青質(zhì)量。計(jì)算公式為：吸持量=（開(kāi)始時(shí)的瀝青質(zhì)量-滴落下來(lái)的瀝青質(zhì)量）/開(kāi)始時(shí)的瀝青質(zhì)量。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同赤泥礦粉摻量下瀝青膠漿吸持量的變化情況Table 5 Change of holding capacity of asphalt mortar with different red mud content

由于赤泥的主要礦物為文石和方解石，是顆粒狀物質(zhì)，其直徑大約是0.088～0.25 mm，赤泥礦粉顆粒的堿性大于石灰?guī)r礦粉，所以赤泥礦粉的吸持能力要優(yōu)于石灰?guī)r礦粉。從表5同樣可以看出，用赤泥礦粉代替石灰?guī)r礦粉可以有效地改善普通石灰?guī)r礦粉對(duì)瀝青的吸附能力。在一定條件下，隨著赤泥礦粉替代量的增大，吸附能力也在不斷增強(qiáng)。當(dāng)赤泥礦粉的替代量在50%以下時(shí)，瀝青的吸持量在快速增加；當(dāng)赤泥礦粉的替代量大于50%時(shí)，瀝青的吸持量雖然也在增加，但增加幅度明顯減小，呈現(xiàn)出放緩的趨勢(shì)。

在吸持實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)其他條件不變時(shí)，隨著赤泥礦粉代替石灰?guī)r礦粉量的增加，瀝青的吸持量也在增大，這主要是由于赤泥礦粉對(duì)瀝青材料中極性成分的吸附作用和牽引作用導(dǎo)致。但當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，由于瀝青流動(dòng)性不斷增加，瀝青膜外部瀝青在自身重力作用下會(huì)發(fā)生剝落[12]，在宏觀上體現(xiàn)為瀝青吸持量減少。

3 赤泥礦粉瀝青混合料的抗水損壞性實(shí)驗(yàn)

水損壞是瀝青路面的主要病害之一，它在很大程度上會(huì)影響到瀝青路面的使用性能。因?yàn)樗值娜肭植坏珪?huì)減弱瀝青與集料間的粘結(jié)力而且可以使瀝青薄膜與集料發(fā)生剝離，從而引發(fā)瀝青混合料的結(jié)構(gòu)性破壞。從目前國(guó)內(nèi)外的研究來(lái)看，評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗水損壞性主要通過(guò)浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)、凍融劈裂實(shí)驗(yàn)、浸水車轍實(shí)驗(yàn)等方法來(lái)進(jìn)行。本文仍采用這三種實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗水腐蝕性。赤泥礦粉按照0、25%、50%、75%、100%的比例代替石灰?guī)r礦粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.1 赤泥礦粉瀝青混合料的浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)

根據(jù)JTGE 20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的方法制備馬歇爾試件，分別對(duì)不同摻量赤泥礦粉的馬歇爾試件進(jìn)行浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 赤泥礦粉瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of Marshall stability of red mud asphalt mixture immersed in water

由表6可見(jiàn)，將赤泥礦粉摻加到瀝青混合料中能夠提高提高瀝青混合料的抗腐蝕性能。當(dāng)赤泥礦粉的替代量少于50%時(shí)，瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度隨著赤泥礦粉替代量的增大而增大；當(dāng)赤泥礦粉的替代量多于50%時(shí)，瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度增長(zhǎng)速度略有降低。

3.2 赤泥礦粉瀝青混合料的凍融劈裂實(shí)驗(yàn)

根據(jù)JTGE 20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的方法制備馬歇爾試件，分別對(duì)不同摻量赤泥礦粉的馬歇爾試件進(jìn)行凍融劈裂實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7。

從表7可見(jiàn)，與普通石灰?guī)r礦粉瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度相比，赤泥礦粉瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度相比（TSR）明顯更好。以赤泥摻量50%為例，摻加赤泥礦粉后，瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）相比較于普通石灰?guī)r礦粉從64.82%提高到84.57%，增大幅度約為1.31倍，這充分說(shuō)明：將赤泥以礦粉的形式摻加到瀝青混合料中能顯著提高瀝青混合料的抗腐蝕性能。這主要是因?yàn)槌嗄嗑哂辛叫?、比表面積大、有利于和瀝青小顆粒結(jié)合等特點(diǎn)，從而在增大瀝青膜厚度、增大瀝青粘度方面相比較于石灰?guī)r礦粉有更大的優(yōu)勢(shì)。

表7 赤泥礦粉瀝青混合料的凍融循環(huán)劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 7 Test results of freeze-thaw cyclic splitting of red mud asphalt mixture

3.3 赤泥礦粉瀝青混合料的浸水車轍實(shí)驗(yàn)

根據(jù)JTGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的方法制備長(zhǎng)、寬、高分別為300 mm、 300 mm、50 mm的車轍板試樣，而后分別對(duì)不同摻量赤泥礦粉的馬歇爾試件進(jìn)行浸水車轍實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 赤泥礦粉瀝青混合料的浸水車轍實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 8 Rutting test results of red mud mineral powder asphalt mixture

從表8可見(jiàn)，與普通石灰?guī)r礦粉瀝青混合料的浸水車轍動(dòng)穩(wěn)定度相比，赤泥礦粉瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度有明顯提高。以赤泥摻量50%為例，摻加赤泥礦粉后，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相比較于普通石灰?guī)r礦粉從2283次/mm提高到3801次/mm，提高幅度約為1.66倍。

從瀝青混合料的浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)、凍融劈裂實(shí)驗(yàn)、浸水車轍實(shí)驗(yàn)來(lái)看，摻加赤泥礦粉后的瀝青混合料抗水腐蝕性能優(yōu)于普通石灰?guī)r礦粉瀝青混合料。在赤泥摻量為50%時(shí)，瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）、動(dòng)穩(wěn)定度都最大、宏觀效果最好，是整個(gè)實(shí)驗(yàn)中的拐點(diǎn)，因此可以認(rèn)為50%的赤泥礦粉摻量是最佳摻量。

4 赤泥礦粉對(duì)提高路面抗水損壞性能的機(jī)理分析

4.1 紅外光譜分析

在材料鑒別中最常用的分析方法就是紅外光譜實(shí)驗(yàn)方法，其原理就是根據(jù)試樣的紅外吸收光譜進(jìn)行定性、定量分析和確定分子結(jié)構(gòu)等方法，紅外光譜具有鮮明的特征性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)出圖的譜帶其數(shù)目、位置、形狀以及強(qiáng)度都會(huì)隨著化合物不同而各不相同。采用Thermo Nexus 470FT-IR型傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)普通礦粉瀝青混合料和摻加赤泥礦粉的瀝青混合料進(jìn)行分析，見(jiàn)圖1。

根據(jù)圖1（左）解析得到，1461 cm-1，1376 cm-1為普通礦粉瀝青混合料中烷烴彎曲振動(dòng)的吸收峰，2923 cm-1，2853 cm-1為普通礦粉瀝青混合料中烷烴伸縮振動(dòng)的吸收峰，這是普通礦粉瀝青混合料主要的特征吸收峰；根據(jù)圖1（右）解析得到，1090 cm-1為赤泥礦粉瀝青混合料中Si-O伸縮振動(dòng)的吸收峰，467 cm-1為赤泥礦粉瀝青混合料中Si-O的彎曲振動(dòng)峰，這是赤泥礦粉瀝青混合料主要的特征吸收峰。從普通礦粉瀝青混合料（左）和摻加50%赤泥礦粉瀝青混合料（右）的紅外光譜曲線中可見(jiàn)：50%赤泥礦粉摻量的瀝青混合料圖譜與普通礦粉瀝青混合料圖譜除了峰值大小和透光率有所差別之外，其他的振動(dòng)吸收峰都幾乎沒(méi)有差別。然而，峰值大小和透光率只跟制樣時(shí)溴化鉀以及涂片的厚度有關(guān)，唯一的不同之處就在于摻加赤泥礦粉后的瀝青混合料在467 cm-1以及1090 cm-1處出現(xiàn)了硅-氧伸縮振動(dòng)的吸收峰以及彎曲的振動(dòng)峰，沒(méi)有新的吸收峰產(chǎn)生，這種變化會(huì)使瀝青混合料更加穩(wěn)定，在一定程度上解釋了摻加赤泥礦粉能夠提高瀝青混合料抗水損壞性能的原因。

圖1 普通礦粉瀝青混合料（左）和摻加50%赤泥礦粉瀝青混合料（右）的紅外光譜曲線Fig.1 Infrared spectrum curve of common mineral powder asphalt mixture (left) and 50% red mud mineral powder asphalt mixture (right)

4.2 差示掃描量熱分析

差熱掃描量熱法本質(zhì)就是一種熱分析方法。采用ZetzsehDSC204型差示掃描量熱儀，速率為5℃/min，氮?dú)饬魉贋?0 mL/min，測(cè)量起始溫度為-80℃，結(jié)束溫度為100℃。樣品的DSC曲線見(jiàn)見(jiàn)圖2（HF為熱流，t為溫度）。

圖2 普通礦粉瀝青混合料（左）和摻加50%赤泥礦粉瀝青混合料（右）的DSC曲線Fig.2 DSC curve of common mineral powder asphalt mixture (left) and 50% red mud mineral powder asphalt mixture (right)

從表面化學(xué)能的角度來(lái)看，赤泥礦粉對(duì)瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比、動(dòng)穩(wěn)定度的改善過(guò)程不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的共混過(guò)程，同時(shí)對(duì)瀝青自身性質(zhì)也是一個(gè)改變。它主要表現(xiàn)為：將普通石灰?guī)r礦粉換成赤泥礦粉摻加到瀝青混合料中后，通過(guò)共混作用，瀝青混合料的原有平衡被打破，瀝青混合料的組分發(fā)生了重新組合建立起新的平衡狀態(tài)。由于赤泥本身具有顆粒小、比表面積大的特點(diǎn)，所以它能夠使瀝青混合料與集料更好地粘結(jié)，改善瀝青混合料的性能。從圖2可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)赤泥礦粉改性后，瀝青混合料的吸熱峰得到了提升；50%赤泥礦粉摻量的瀝青混合料試件沒(méi)有新的吸熱峰產(chǎn)生，這說(shuō)明摻加赤泥礦粉后瀝青混合料沒(méi)有新物質(zhì)出現(xiàn)，所以赤泥礦粉瀝青混合料的整體穩(wěn)定性得到增強(qiáng)，抗水損壞能力得到提高。

5 結(jié) 論

（1）利用赤泥代替普通石灰?guī)r礦粉制備出的赤泥礦粉瀝青膠漿可以明顯提高瀝青的粘附性能。

（2）利用赤泥代替普通石灰?guī)r礦粉制備出赤泥礦粉瀝青混合料能夠顯著地改善其馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度等指標(biāo)。

（3）赤泥礦粉瀝青混合料的浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)、凍融劈裂實(shí)驗(yàn)和浸水車轍實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，能夠有效提高瀝青混合料抗水破壞性能的最佳赤泥替代量為 50%。

（4）通過(guò)紅外光譜分析和差示掃描量熱分析顯示，摻加赤泥礦粉后瀝青混合料沒(méi)有新物質(zhì)出現(xiàn)，赤泥礦粉瀝青混合料的整體穩(wěn)定性得到增強(qiáng)，進(jìn)一步揭示了赤泥礦粉對(duì)提高瀝青混合料抗水損壞性能的機(jī)理。