基于表面能理論和拉拔試驗的鐵尾礦與瀝青黏附性研究

王鑫洋 蘇紀壯 祁 冰

(山東高速工程檢測有限公司1) 濟南 250002) (大宗固廢材料在交通領域循環利用行業研發中心2) 濟南 250002) (山東省交通科學研究院3) 濟南 250014)

0 引 言

鐵尾礦是鐵礦石經破碎、篩分、研磨、分級、浮選等工藝流程,篩選出鐵元素后的剩余產物,其主要成分與公路工程用集料相同[1].但現階段我國的鐵尾礦綜合利用率較低,主要采取堆存方式進行處置,該做法造成了資源的浪費[2-3].公路工程建設過程中需要大量的筑路材料,若能將鐵尾礦用作筑路材料,即可以降低公路工程造價,也可減少其對環境的污染.

針對鐵尾礦在道路工程中的應用.Wang等[4-6]對鐵尾礦瀝青混合料的路用性能進行了試驗研究.Velasquez等[7-8]通對動態模量(E*)試驗評價了鐵尾礦瀝青混合料的力學性能.孫書吉等[9-10]采用硅烷偶聯劑改善了瀝青與鐵尾礦碎石間的粘附效果.表面能理論作為解釋瀝青與集料粘附性形成機理的重要理論之一,得到廣泛的應用[11-13].表面自由能理論在計算瀝青與集料體系的粘附功的同時,還可以得出不同集料與瀝青的粘附功間的差異[14].

文中基于表面自由能理論,采用躺滴法測量鐵尾礦和不同瀝青的表面能參數,計算瀝青與不同集料間的粘附功,以衡量鐵尾礦與瀝青間的粘附性能.采用改進拉拔試驗來評價鐵尾礦與瀝青間的粘結力,驗證鐵尾礦與瀝青間的黏附性.

1 原材料

采用東海70號瀝青、SBS改性瀝青(I-D)和SBR改性乳化瀝青蒸發殘留物三種瀝青,集料采用石灰巖、玄武巖和鐵尾礦石.原材料各項技術均能滿足現行技術規范要求,其中瀝青技術指標見表1,四種集料礦物成分見表2.

表1 瀝青技術指標

表2 礦物成分組成表

2 試驗方法

2.1 表面自由能理論

根據熱力學第一定律,克服液體內部分子吸附作用所消耗的功儲存于液體表面,成為表面分子具有的一種額外的勢能,即表面能,用G或γ表示.表面能(γ)由兩部分組成,也就是極性分量(γp)及色散分量(γd),其中極性分量由Lewis酸(γ+)和Lewis堿(γ-)兩部分組成,二者關系為

(1)

青混合料在拌和過程中,瀝青會將集料并吸附于集料表面,依據表面化學相關理論,瀝青與集料的表面能為

Was=γa+γs-γas

(2)

式中:Was為瀝青-集料黏附功;γa為瀝青表面能;γs為集料表面能;γas為瀝青與集料接觸面上的界面能.

瀝青和集料間的界面能為

(3)

根據Young氏公式,瀝青在集料表面的接觸角和其表面能以及二者間界面能滿足式(4)關系:

γacosθ=γa-γas

(4)

式中:θ為瀝青與集料間的接觸角.

將式(1)～(4)聯立可得到瀝青與集料的Young-Dupre公式.

(5)

將瀝青和集料的表面能代入式(5),即可得二者間的粘附功.

2.2 表面能測試

使用蒸餾水、甘油以及甲酰胺作為測定接觸角的試劑,后測定這三種試劑在試樣表面的接觸角,并計算瀝青與集料的表面能及其分量.三種試劑的表面自由能參數見表3.

表3 測試液體的表面自由能參數(25℃) 單位:mJ/m2

3 試驗結果分析

3.1 接觸角

采用德國某公司生產的DSA型接觸角測量儀在25℃下對四種集料和瀝青的接觸角進行測試,接觸角試驗結果見圖1.

由圖1可知:4種集料和3種瀝青的接觸角變異系數均小于2%,說明不同材料與各測試液體的接觸角試驗的重復性滿足要求.

圖1 接觸角測試結果

四種集料與測試液體的接觸角差別較小,其中石灰巖與水的接觸角最大,玄武巖與甲酰胺間的接觸角最大.鐵尾礦2與甘油間的接觸角最大,蒸餾水與集料間的接觸角隨SiO2含量的增加而減小,SBS改性瀝青與水和甘油間的接觸角最大,SBR改性乳化瀝青蒸發殘留物與水間的接觸角次之,基質瀝青最小.SBR改性乳化瀝青蒸發殘留物與甲酰胺間的接觸角最大,SBS改性瀝青次之,基質瀝青最小.

將不同測試液體的表面能γl與γlcosθ進行線性擬合,結果見圖2.由圖2可知:測試液體的表面能γl與γlcosθ線性擬合后的相關系數R2均大于0.90.表明二者之間具有良好的線性關系,即測試結果可靠.

圖2 γl與γlcosθ的關系

3.2 表面自由能

分別將3種測試液體的表面能參數及其在集料和瀝青的接觸角帶入式(5),求解方程組后即可得到集料和瀝青的表面能及其分量,計算結果見圖3.

圖3 表面能計算結果

由圖3a)～c)可知:四種集料的表面能相差不大,其中石灰巖的表面能最大,鐵尾礦1的表面能最小,該現象的主要原因是石灰巖中的SiO2含量最小,鐵尾礦1中SiO2含量最大,已有研究結果表明集料的表面能與SiO2含量呈負相關關系;四種集料中,鐵尾礦2的極性分量最大,色散分量最小,石灰巖的極性分量最小,色散分量最大.

由圖3d)～3f)可知:三種瀝青的表面能存在較大的差異,其中SBS改性瀝青的表面能最大,SBR改性乳化瀝青蒸發殘留物的表面能最小,其可能原因為,改性乳化瀝青制備過程中需要加入乳化劑,乳化劑的作用原理是降低瀝青與水間的界面能,提高二者間的穩定性,蒸發殘留物制備過程中其中的乳化劑未能完全蒸發,導致其表面能的降低;SBS改性瀝青的極性分量最小,色散分量最大,SBR改性乳化瀝青的極性分量最大,色散分量最小,其可能原因是SBS蒸發殘留物中的乳化劑未能充分揮發,使得其蒸發殘留物的極性增強.

3.3 粘附功的計算

將計算出的瀝青以及集料的表面能數據代入式(2)中,得到二者間的粘附功,結果見圖4.

圖4 不同瀝青與集料間的粘附功

由圖4可知:不同瀝青與不同集料間的粘附功存在一定差別,其中SBS改性瀝青與石灰巖間的粘附功最大,為71.16 mJ/m2,而SBR改性乳化瀝青蒸發殘留物和鐵尾礦1之間的粘附功最小,為66.24 mJ/m2;整體而言石灰巖與各瀝青間的粘附功要大于玄武巖和鐵尾礦,該現象產生的原因為,石灰巖的SiO2含量僅為0.76%,其堿性要強于玄武巖和鐵尾礦,瀝青與堿性集料間的黏附性更好;SBS改性瀝青與集料間的粘附功要大于70號基質瀝青和SBR改性乳化瀝青蒸發殘留物,究其原因,SBS改性劑的加入使得瀝青的極性降低,而SBR改性乳化瀝青蒸發殘留物中乳化劑在揮發不完全情況下,其極性更大,且殘留物制備過程中需要經過高溫蒸發,使得瀝青發生了一定程度的老化,老化后的瀝青極性增強.

3.4 瀝青與集料粘結特性驗證

瀝青黏結強度(the binder bond strength,BBS)試驗能定量的評價瀝青與集料的黏附性.BBS試驗評價指標為拉拔強度及界面失效狀況,其中拉拔強度計算方法見式(6),界面失效狀況分為集料間瀝青膜拉斷失效(記為C)、瀝青與集料間發生黏附失效(記為A)、瀝青膜拉斷及其與集料界面失效同時出現(記為C/A),見圖5.

POTS=F/A

(6)

式中:POTS為拉拔強度,kPa;F為拉拔試驗荷載峰值,N;A為芯樣截面積,mm2.

采用直徑20 mm圓柱形集料芯樣,集料與拉拔頭間采用環氧樹脂黏結,控制集料間瀝青膜厚度為75 μm,將成型好的試樣至于60℃鼓風烘箱中使環氧樹脂充分固化,固化時間不少于8 h.后采用MTS試驗機進行試驗,其中加載速率為20 mm/min,試驗溫度為25℃.為保證試驗結果的可靠性,每組制備試樣6個,為減小試驗誤差,取變異系數在15%以內的試驗結果均值.試驗結果見圖6.

圖6 瀝青及集料間的黏結力試驗結果

由圖6可知:瀝青與集料組合的12組試驗過程中,有6組表現為瀝青的內聚力失效(C),即瀝青膜被拉斷,有6組表現為組合失效(A/C);此外,SBR改性乳化瀝青蒸發殘留物與集料間的破壞類型均為組合失效,且鐵尾礦與基質瀝青間的也表現為組合失效;石灰巖與瀝青間的黏結力明顯大于玄武巖和鐵尾礦,其主要原因是石灰巖為堿性集料,而玄武巖和鐵尾礦均為中性集料,瀝青與堿性集料間的黏附性要優于中性集料,因此,石灰巖與瀝青的黏結力大于玄武巖和鐵尾礦;SBS改性瀝青與集料間的黏結力大于基質瀝青和SBR改性乳化瀝青蒸發殘留物,其主要原因是,相同溫度下SBS改性瀝青的黏度大于基質瀝青和SBR改性乳化瀝青蒸發殘留物,瀝青黏度越大與集料間的黏附性越高,因此SBS改性瀝青與集料間的黏結力大于基質瀝青和SBR改性乳化瀝青蒸發殘留物.

4 結 論

1) 石灰巖的表面能最大,鐵尾礦的表面能小于石灰巖和玄武巖,且鐵尾礦的極性分量大于石灰巖和玄武巖,色散分量小于二者.

2) 不同瀝青與不同集料間的黏附功存在一定差別,SBS改性瀝青與集料間的黏附功大于基質瀝青和SBR改性乳化瀝青蒸發殘留物,石灰巖與瀝青間的黏附功要大于玄武巖和鐵尾礦.

3) 改進拉拔試驗可以定量評價瀝青與集料間的黏附性,且石灰巖與瀝青間的黏結力明顯大于玄武巖和鐵尾礦,SBS改性瀝青與集料間的黏附性大于基質瀝青和SBR改性乳化瀝青蒸發殘留物.