赤泥改性瀝青黏度及微觀特性

包惠明，牟卡莉

赤泥改性瀝青黏度及微觀特性

包惠明，牟卡莉

(桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林541004)

在基質(zhì)瀝青中添加赤泥制備赤泥改性瀝青，采用黏溫關(guān)系分析法探討不同剪切速率、赤泥摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))對(duì)赤泥改性瀝青黏度的影響，并用掃描電子顯微鏡觀測(cè)赤泥與瀝青之間的微觀狀態(tài)變化。研究結(jié)果表明:赤泥改性瀝青黏度方程與溫度之間存在極高相關(guān)性，溫度對(duì)赤泥改性瀝青黏度的影響程度要高于剪切速率對(duì)其的影響。在相同條件下，赤泥改性瀝青的黏度隨赤泥摻量的增加而增大。隨著赤泥摻量的增加，赤泥改性瀝青相態(tài)分布由分散相逐漸轉(zhuǎn)變成連續(xù)相態(tài)，在赤泥摻量為13%時(shí)的共混體系達(dá)到了理想的相態(tài)分布形式。

赤泥改性瀝青;黏度;剪切速率;微觀特性

0 引言

赤泥是一種有害廢渣［1］，大約每生產(chǎn)1 t Al2O3就會(huì)排放1.0～1.8 t的赤泥廢渣。據(jù)估計(jì)，2016年赤泥排放已經(jīng)達(dá)到5.5×107～6.0×107t，累計(jì)赤泥堆積數(shù)億噸［2］。而目前赤泥的處理方法，如筑壩濕法堆存和海底堆放法都會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大污染，因此對(duì)赤泥的無(wú)害化處理一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。赤泥具有熔點(diǎn)高、顆粒粒徑微小等物理特性，符合建筑材料性能的要求，使赤泥在建筑材料上的應(yīng)用有很大潛力。隨著中國(guó)公路建設(shè)的高速發(fā)展，對(duì)高性能瀝青的需求也日益增加，改性瀝青作為一種新型路面結(jié)合料，以其良好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和出色的黏附性、耐疲勞性，受到公路建設(shè)者的青睞［3－5］。因此，如果將赤泥作為改性材料在路基路面上大量使用，不僅能有效地發(fā)揮赤泥的建筑材料性能，而且能無(wú)害化處理赤泥以保護(hù)環(huán)境。而赤泥改性瀝青作為一種新型改性瀝青材料，國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究還處于初步階段。文獻(xiàn)［6］利用赤泥資源開(kāi)發(fā)了改性瀝青穩(wěn)定劑，解決了高溫改性瀝青儲(chǔ)存不穩(wěn)定問(wèn)題。本文選取不同赤泥摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的改性瀝青，采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)研究其在不同剪切速率和不同溫度下的黏度值，并通過(guò)黏溫關(guān)系分析赤泥改性瀝青黏度的變化規(guī)律，結(jié)合掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)觀測(cè)不同處理?xiàng)l件下赤泥改性瀝青的微觀狀態(tài)變化，為赤泥改性瀝青的制備工藝和應(yīng)用提供依據(jù)和思路。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用瀝青為中國(guó)石化股份有限公司茂名分公司生產(chǎn)的“東海”牌70#A級(jí)道路石油瀝青，基質(zhì)瀝青檢驗(yàn)指標(biāo)及檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。赤泥為廣西平果鋁廠工業(yè)制Al2O3產(chǎn)生的廢渣。

1.2 試驗(yàn)方法

首先，將采集的原狀赤泥在陽(yáng)光下曝曬4 h以上，充分去除表面水分;再用搗杵將曝曬后的赤泥塊搗碎成赤泥顆粒，當(dāng)赤泥顆粒直徑達(dá)到滾球粉磨機(jī)要求后進(jìn)行磨粉;最后，挑選無(wú)污染的赤泥進(jìn)行高溫煅燒和過(guò)篩處理。在165℃左右將處理好的赤泥分別按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、9%、13%和15%的比例摻加到基質(zhì)瀝青中，采用高剪切儀以4 000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌10 min，再以8 000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌40 min。調(diào)整轉(zhuǎn)速為4 000 r/min攪拌10 min以排除改性瀝青中的氣泡，制備成赤泥改性瀝青。分別在溫度為60℃、90℃、135℃、150℃和175℃下，測(cè)試赤泥改性瀝青的黏度(其中:60℃采用29#轉(zhuǎn)子、90℃采用28#轉(zhuǎn)子、135℃采用27#轉(zhuǎn)子、150℃和175℃采用21#轉(zhuǎn)子)，并將上述不同條件下制備成的赤泥改性瀝青進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀測(cè)。

表1 基質(zhì)瀝青檢驗(yàn)指標(biāo)及檢驗(yàn)結(jié)果

2 結(jié)果與討論

對(duì)基質(zhì)瀝青和赤泥摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)分別為5%、9%、13%和15%的赤泥改性瀝青，分別在60℃、90℃、135℃、150℃和175℃溫度下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同溫度和不同摻量下的赤泥改性瀝青黏度Pa·s

2.1 溫度對(duì)赤泥改性瀝青黏度的影響

分析在不同溫度下赤泥改性瀝青的黏度變化規(guī)律，選用同一摻量的赤泥改性瀝青測(cè)試其在不同溫度下的黏度。由表2可知:同一摻量下的赤泥改性瀝青黏度隨著溫度的升高而逐漸降低，且在不同溫度區(qū)間降低的幅度也不相同。溫度在60～90℃時(shí)黏度急劇下降;溫度在90～135℃時(shí)黏度下降較上一區(qū)間減緩;溫度在135℃時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)后，黏度變化逐漸緩慢;當(dāng)溫度上升到150℃時(shí)各黏溫關(guān)系差距趨于平緩。黏度反映的是流體分子受外力作用所呈現(xiàn)的內(nèi)摩擦力，內(nèi)摩擦力的大小由分子的結(jié)構(gòu)、位置以及分子間相互作用和狀態(tài)決定［7］。溫度較低時(shí)，瀝青內(nèi)部分子為膠團(tuán)絮凝狀態(tài)，使得瀝青及瀝青與赤泥界面間的摩擦增大［8］，所以在低溫下赤泥改性瀝青的黏度較大。當(dāng)溫度逐漸升高，膠質(zhì)開(kāi)始脫附而膠團(tuán)再并締，瀝青內(nèi)部分子間的摩擦開(kāi)始減少，黏度呈下降趨勢(shì)。溫度繼續(xù)升高，瀝青內(nèi)吸附的膠質(zhì)完全脫附且每個(gè)膠團(tuán)相互分開(kāi)，此時(shí)發(fā)生逆玻璃化現(xiàn)象，赤泥與瀝青的摩擦及瀝青間的摩擦作用大大減少，導(dǎo)致赤泥改性瀝青黏度急劇減少。

赤泥改性瀝青黏度與溫度的回歸方程見(jiàn)表3。表3中:η為赤泥改性瀝青的黏度，T為溫度。由表3可知:赤泥改性瀝青黏度與溫度相關(guān)系數(shù)平均值為0.946 1。lg η對(duì)溫度T的斜率K反映的是赤泥改性瀝青黏度隨溫度變化的速度，可以表征改性瀝青在該溫度區(qū)域內(nèi)的溫度敏感性［9］，K絕對(duì)值越大，其黏度隨溫度變化就越大。由表3可得:斜率關(guān)系為表明隨著赤泥摻量的增加，赤泥改性瀝青的溫度敏感性下降，且赤泥改性瀝青黏度隨溫度變化較基質(zhì)瀝青緩慢。

表3 赤泥改性瀝青黏度與溫度的回歸方程

2.2 赤泥摻量對(duì)赤泥改性瀝青黏度的影響

由表2還可以看出:當(dāng)赤泥摻量小于5%時(shí)，赤泥改性瀝青的黏度變化不明顯。當(dāng)赤泥摻量增加到9%時(shí)，出現(xiàn)了拐點(diǎn)，各溫度下的赤泥改性瀝青黏度與赤泥摻量0%的瀝青黏度相比有了顯著的提升，當(dāng)溫度從175℃降低到60℃時(shí)，黏度提高了0.16～21 Pa·s。

表2顯示赤泥改性瀝青的黏度隨著赤泥摻量的增加而增大，如在溫度為60℃，赤泥摻量從5%增加到9%、13%、15%時(shí)，赤泥改性瀝青的黏度分別上升了8.90%、23.29%、24.66%。這是因?yàn)槌嗄鄵搅康脑黾釉龃罅烁男詾r青中赤泥與瀝青的接觸面積，同時(shí)增強(qiáng)了瀝青與赤泥顆粒間的吸附作用，所以赤泥摻量越多顆粒間的吸附越大，黏度越大。由表2可知:當(dāng)摻量為13%時(shí)，繼續(xù)摻加赤泥，其黏度變化已經(jīng)不明顯;反而在赤泥摻量15%、溫度為90℃時(shí)，黏度出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。在溫度為60℃時(shí)，赤泥摻量與黏度呈線性關(guān)系;溫度為90℃、赤泥摻量為13%時(shí)，黏度達(dá)到峰值20.80 Pa·s;溫度為135℃時(shí)，15%的赤泥改性瀝青黏度為4.28 Pa·s，即13%摻量的赤泥與瀝青吸附作用趨向于最大值。

圖1 赤泥改性瀝青黏度-剪切速率關(guān)系

2.3 剪切速率對(duì)赤泥改性瀝青黏度的影響

通過(guò)對(duì)13%赤泥摻量的赤泥改性瀝青進(jìn)行不同剪切速率下的黏度試驗(yàn)，進(jìn)一步分析赤泥改性瀝青與剪切速率的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。分析圖1可知:在溫度為60℃時(shí)，赤泥改性瀝青的黏度受剪切速率的影響最明顯，溫度為175℃的黏度基本不受剪切速率的影響，但都在20 r/min后出現(xiàn)黏度受剪切速率變化影響減少的情況。結(jié)合流體力學(xué)可知赤泥改性瀝青為擬塑性，即剪切變稀特性［10］，這一性質(zhì)解釋了圖1中赤泥改性瀝青的黏度隨著剪切速率的增加而呈線性下降的趨勢(shì)。當(dāng)溫度升高到135℃后，圖1中的曲線接近于水平，赤泥改性瀝青有隨溫度升高非牛頓特性逐漸消失的性質(zhì)，說(shuō)明了在高溫狀態(tài)下赤泥改性瀝青的黏度受剪切速率的影響很小。

在布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)中，靠近轉(zhuǎn)子的液體層和靠近管壁的液體層同處于速度梯度流場(chǎng)中，越接近轉(zhuǎn)子的液體層剪切速率越大［11］。由于不同的剪切速率會(huì)使液體內(nèi)部分子間產(chǎn)生不同的取向力，在高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子的作用下，這種取向力會(huì)導(dǎo)致液體內(nèi)分子力的破壞從而在宏觀上表現(xiàn)為黏度降低。表4為不同溫度下赤泥改性瀝青黏度和剪切速率關(guān)系的回歸方程，其中n為赤泥改性瀝青的剪切速率。由表4可知:剪切速率與黏度的回歸方程相關(guān)系數(shù)平均值為0.714 1，較溫度與黏度回歸方程相關(guān)系數(shù)平均值低24.52%。且剪切速率與黏度之間的最高相關(guān)系數(shù)僅為0.824 5，表現(xiàn)為一般相關(guān)，比不同摻量下溫度與黏度回歸方程最高相關(guān)系數(shù)低15.5%。表明在單一條件或總體情況下黏度受溫度的影響比受剪切速率的影響更加明顯。

表4 赤泥改性瀝青黏度和剪切速率關(guān)系的回歸方程

2.4 微觀狀態(tài)及其分析

因?yàn)槌嗄嗯c瀝青間相互接觸、融合的連接界面狀態(tài)是影響赤泥改性瀝青黏度性能變化的重要原因，所以采用掃描電子顯微鏡觀察其微觀形態(tài)變化來(lái)判斷其性能，不同赤泥摻量的赤泥改性瀝青SEM照片如圖2所示。

圖2 不同赤泥摻量的赤泥改性瀝青SEM照片

從圖2a可以看出:當(dāng)赤泥摻量為5%時(shí)，赤泥顆粒不能均勻分布于瀝青中，且赤泥因團(tuán)聚作用形成許多巨大的顆粒，不僅阻止了赤泥特性的發(fā)揮，而且影響了瀝青的性能。由圖2b可以看出:當(dāng)赤泥摻量為9%時(shí)，赤泥顆粒能較好地分布于瀝青中，其結(jié)構(gòu)也變成云層形態(tài)，赤泥與瀝青兩相界面變模糊，使赤泥與瀝青顆粒兩相界面處有很好的黏結(jié)作用。由圖2c可以看出:當(dāng)赤泥摻量為13%時(shí)，赤泥與瀝青顆粒形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其微觀分散相態(tài)逐漸向連續(xù)相態(tài)轉(zhuǎn)變，這是共混物體系理想的相態(tài)分布形式，也是宏觀性能得以優(yōu)異發(fā)揮的關(guān)鍵。由圖2d可以看出:當(dāng)赤泥摻量為15%時(shí)，由于赤泥摻量過(guò)多，赤泥顆粒不能與瀝青油分充分吸收，過(guò)多的赤泥顆粒在范德華力作用下出現(xiàn)了團(tuán)聚過(guò)密的現(xiàn)象。在兩相共存的共混結(jié)構(gòu)體系中，分散面積與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)有很大的相關(guān)性［12］，所以隨著赤泥摻量的增加赤泥顆粒比表面積也隨之增大。從圖2a～圖2d中可看出:赤泥在基質(zhì)瀝青中的分布越加均勻致密，赤泥顆粒比表面積增大的同時(shí)，也增強(qiáng)了顆粒間的結(jié)合力，這些微觀結(jié)構(gòu)的改善使得赤泥改性瀝青的黏度也快速增加。

3 結(jié)論

(1)赤泥改性瀝青的黏度與溫度具有極高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2平均值高達(dá)0.946 1，表現(xiàn)為黏度隨溫度的升高而減小。

(2)赤泥改性瀝青的黏度隨赤泥摻量的增加而增大，但超過(guò)一定值時(shí)會(huì)出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。

(3)通過(guò)回歸方程相關(guān)系數(shù)對(duì)比分析可知，雖然剪切速率是赤泥改性瀝青黏度的主要影響因素，但是當(dāng)溫度升高后，赤泥改性瀝青的非牛頓流體特性消失，剪切速率對(duì)黏度的影響也逐漸消失，而且赤泥改性瀝青的黏度受溫度的影響比受剪切速率的影響更加明顯。

(4)隨著改性瀝青中赤泥摻量的增加，赤泥顆粒能夠在瀝青中均勻分布，與瀝青形成很好的吸附作用，其相態(tài)分布也由分散相逐漸轉(zhuǎn)變成連續(xù)相態(tài)，在赤泥摻量為13%時(shí)，共混體系達(dá)到了理想的相態(tài)分布形式。

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U414.1

A

1672－6871(2017)05－0047－04

10.15926/j.cnki.issn1672－6871.2017.05.010

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51368015)

包惠明(1963－)，男，廣西玉林人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榈缆饭こ獭r土工程、邊坡工程和地質(zhì)災(zāi)害等.

2017－02－14