錳渣礦粉瀝青混合料抗老化性能研究

樊向陽

(廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西柳州 545006)

研究發現表明，在瀝青的攪拌過程中，如果有錳離子的催化作用，那么瀝青分子之間就會發生交聯反應，將瀝青中的易氧化四氫萘類烴轉化成不可逆的酮鍵，形成了酮—錳絡合物，這對于改善瀝青的粘附性，抗氧化，內聚力具有重大意義，另外錳渣本身呈現弱堿性，其中的堿性成分能與瀝青中酸性成分發生反應，從而使瀝青和錳渣表現出良好的粘附性。廣西是我國錳礦的主產區，占全國錳礦產量38.5%［1］。對廢棄錳礦渣的有效利用，能夠降低其對環境的影響。錳渣多作為新型混凝土的一種添加劑使用，對廢棄錳礦渣的利用主要在水泥及混凝土等無機材料領域［2，3］，而對于像瀝青這一類的有機材料的改性研究，國內外現在研究都還較少。因此，在瀝青路面中使用錳渣礦粉，并對錳渣礦粉瀝青混合料的抗老化性能進行深入研究，將有效的提高錳渣的利用水平。

1 試驗原材料及方法

1)試驗原材料。瀝青:采用70號瀝青，其各項技術指標均滿足要求。集料:采用石灰巖粗集料，細集料為花崗巖和細砂。采用AC-5I連續性密級配的瀝青砂粒進行直剪試驗，采用AC-13連續性密級配的瀝青混合料進行劈裂試驗［4］，其級配見表1。在制作瀝青混合料的過程中，錳渣礦粉對普通礦粉的質量代替百分比分別為0，20%，40%，60%，80%，100%。普通礦粉:采用石灰巖礦粉，化學成分見表2。錳渣礦粉:采用高爐水淬錳鐵礦渣經過粉磨后得到的錳渣礦粉，化學成分見表3。經對比錳渣中有較高含量的SiO2，其活性高于石灰巖礦粉。2)室內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，其中常用的有延時拌和法、烘箱加熱、微波加熱等，長期老化的方法有延時烘箱加熱、加壓氧化法、紫外線處理等。本文采用烘箱加熱和延時烘箱加熱使瀝青混合料分別達到短期老化和長期老化的效果。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℃，模擬長期老化。目前瀝青混合料抗老化性能評價試驗多采用彎曲試驗［5］及低溫劈裂試驗［6，7］，試驗的主要指標有彎拉應變、彎拉強度、劈裂強度、勁度模量等。本文通過對老化后的錳渣礦粉瀝青混合料進行直剪試驗和劈裂試驗，并且以粘聚力、內摩擦角和劈裂強度作為評價的指標，研究錳渣礦粉瀝青混合料的抗老化性能［8］。

表1 礦料的級配

表2 礦粉的主要化學成分 %

表3 錳渣礦粉粒徑分布

2 直剪試驗結果及分析

對未老化和老化后的瀝青混合料基準試件做直剪試驗。試驗使用應變控制式直剪儀，在20℃的室溫下進行加載。直剪試驗的結果見表4。

表4 錳渣礦粉瀝青混合料直剪試驗結果

由表4可知:1)用錳渣礦粉代替石灰巖礦粉可以有效的提高瀝青混合料的內摩擦角和粘聚力，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，瀝青混合料的內摩擦角不斷升高。錳渣礦粉的代替百分比越大，內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于石灰巖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。當錳渣礦粉的代替百分比小于80%時，瀝青混合料的粘聚力有較大的提高速率;當錳渣礦粉的代替百分比大于80%時，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于石灰巖礦粉瀝青混合料分別提高了35.1%，55.2%，59.1%。

3 劈裂試驗

評價錳渣礦粉對瀝青混合料抗老化性能，直剪試驗是一種新的方法，而劈裂試驗是相對成熟的試驗方法。通過劈裂試驗，說明不同錳渣代替量和老化時間對瀝青混合料劈裂強度、勁度模量的影響。

1)錳渣礦粉摻量對不同老化程度混合料劈裂強度的影響。

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的情況下的劈裂強度試驗結果見表5。

表5 錳渣礦粉瀝青混合料劈裂強度試驗結果 MPa

由表5可知:a.無論是否經過老化，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%的混合料其劈裂強度相對于石灰巖礦粉瀝青混合料提高了12.5%。b.相同錳渣礦粉代替量下，隨著老化時間的增長劈裂強度不斷提高。在老化前至老化5 d段劈裂強度的提高較大，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度提高了98.3%，老化10 d較老化5 d混合料的劈裂強度提高了5.1%，說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對應的劈裂強度為1.08 MPa。由此說明，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的情況下的劈裂強度試驗結果見表6。

表6 錳渣礦粉瀝青混合料勁度模量試驗結果 MPa

由表6可知:a.相同錳渣礦粉代替量下，隨著老化時間的增長，勁度模量不斷提高。相同的老化狀態下，隨著錳渣礦粉代替量的增加，勁度模量逐漸降低。這說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。可見錳渣礦粉代替量為80%的瀝青混合料老化10 d后的老化性能相當于未加錳渣礦粉的混合料老化5 d后的老化性能。說明錳渣礦粉的摻入能夠使瀝青混合料的壽命得到延長，老化時間得到延緩。

4 結語

1)使用錳渣礦粉代替石灰巖礦粉能提高瀝青混合料的抗剪強度，從而提高抗老化性能。2)使用錳渣礦粉代替石灰巖礦粉能提高瀝青混合料的劈裂強度，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濟性方面的因素，建議采用錳渣礦粉代替百分比為80%。

［1］張涇生，周光華.我國錳礦資源及選礦進展評述［J］.中國錳業，2006(1):1-2.

［2］覃 峰.錳渣廢棄物在建筑材料上的應用研究［J］.混凝土，2008(1):64-68.

［3］覃 峰.錳渣水泥穩定基層路用性能的試驗研究［J］.混凝土，2009(1):84-86.

［4］卓永紅.瀝青路面水損害的機理成因及預防措施［J］.廣西工學院學報，2003，14(4):74-75.

［5］齊 琳，張爭奇，楊慧軍.老化對瀝青混合料低溫抗裂性能的影響研究［J］.鄭州大學學報(工學版)，2007，28(4):100-105.

［6］李寧利，李鐵虎，張爭奇，等.考慮老化的瀝青混合料低溫性能［J］.河北工業大學學報，2008，37(1):9-14.

［7］陳華鑫，姜 藝，李 碩，等.瀝青混合料老化后的低溫性能［J］.長安大學學報，2010，30(1):1-5.

［8］黎振民，黃瓊念，覃 峰，等.橡膠粉改性砂漿對半柔性路面病害的針對性研究［J］.廣西工學院學報，2013，24(1):80-82.