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活化赤泥微粉温拌剂制备及泡沫温拌沥青性能研究.pdf
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1、新型建筑材料圆园23援090引言我国在沥青路面铺筑过程中主要采用热拌沥青混合料技术,拌合温度在 160180 益,消耗大量能源同时产生大量的温室气体1-2。相比于传统热拌沥青混合料技术,沥青混合料温拌技术的拌合温度在 100140 益,具有拌合温度较低、能源消耗小、有害气体和粉尘的排放少、延长施工季节和加快施工路面交通开放、减轻施工过程中沥青老化等优点,具有显著的经济效益和环境效益3-4。温拌技术的核心是温拌剂,温拌剂按降温机制不同主要分为 3 类:有机添加剂类、化学添加剂类和泡沫沥青类,都是通过减小沥青黏度来改善混合料的施工和易性。有机添加剂主要由蜡组成,在拌合过程中加入到沥青混合料中,温拌
2、时的温度足以达到蜡的熔点从而减小混合料的黏度,在混合料冷却时重新固化成均匀分布的颗粒来形成自身强度5-6。有机蜡活化赤泥微粉温拌剂制备及泡沫温拌沥青性能研究梁明1,马川义2,栾学昊1,张宁2,辛雪1,王川2,周海防3(1.山东大学 齐鲁交通学院,山东 济南250002;2.山东高速集团有限公司,山东 济南250014;3.山东高速路用新材料技术有限公司,山东 济南250014)摘要:对烧结法赤泥进行高温活化处理,制备活化赤泥微粉矿物发泡温拌剂,在不同温拌条件下制备泡沫温拌沥青同时进行发泡特性测试,并采用室内试验测试发泡后沥青胶浆的性能,初步证实了赤泥作为矿物发泡温拌剂的可行性,并揭示了温拌剂及
3、发泡残留水对沥青胶浆性能的影响规律。结果表明:活化赤泥微粉矿物发泡泡沫沥青具有超长半衰期;当温拌剂掺量为 25%,发泡温度为150 益时,泡沫沥青发泡性能最好;温拌剂的掺入提高了沥青胶浆的高温稳定性,降低了温度敏感性;然而发泡残留水的存在削弱了沥青胶浆的低温性能,且随着试验温度的降低削弱作用更加显著。关键词:活化赤泥微粉;温拌剂;泡沫沥青;室内试验;高低温流变性能中图分类号:TU535文献标识码:A文章编号:1001-702X(2023)09-0142-06Preparation of activated red mud powder warm mix agent and study onpe
4、rformance of foamed warm-mix asphaltLIANG Ming1,MA Chuanyi2,LUAN Xuehao1,ZHANG Ning2,XIN Xue1,WANG Chuan2,ZHOU Haifang3(1.School of Qilu Transportation,Shandong University,Jinan 250002,China;2.Shandong Hi-speed Group Co.Ltd.,Jinan 250014,China;3.Shandong Expressway New Material Technology Co.Ltd.,Ji
5、nan 250014,China)Abstract:This paper prepared activated red mud powder mineral foaming warm mix agent by high temperature activationtreatment of red mud by sintering process,prepared foamed warm-mix asphalt under different warm mix conditions and tested thefoaming characteristics,and tested the perf
6、ormance of asphalt mortar after foaming by indoor test methods,which preliminarily con原firmed the feasibility of red mud as mineral foaming warm mix agent and revealed the influence law of warm mix agent and foam原ing residual water on the performance of asphalt mortar.The test results show that the
7、activated red mud powder foamed asphalthas a long half-life.When the amount of warm mix agent is 25%,foaming temperature is 150 益,the foaming performance offoamed asphalt is the best.The addition of activated red mud powder warm mix agent improves the high temperature stability andreduces the temper
8、ature sensitivity of the asphalt mortar.However,the existence of foaming residual water weakens the low temper原ature performance of asphalt mortar,and the weakening effect is more significant with the decrease of test temperature.Key words:activated red mud powder,warm mix agent,foamed asphalt,labor
9、atory test,high/low temperature rheological property基金项目:国家重点研发计划项目(2022YFB2603300);山东省自然科学基金项目(ZR2020ME244)收稿日期:2023-05-06;修订日期:2023-06-25作者简介:梁明,男,1990 年生,博士,主要从事土木工程特种功能材料(沥青材料及固废资源化利用)等领域研究,E-mail:。通讯作者:辛雪,博士,E-mail:。中国科技核心期刊142晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂温拌剂中最具代表性的为 Sasobit,研究已经
10、证实 Sasobit 可显著减小拌合黏度,提高沥青混合料的稳定性,然而一定数量的Sasobit 会降低混合料的低温性能7。化学添加剂一般与表面活性剂、聚合物或其他添加剂组合使用,使混合料更易拌合并在较低的温度下降低压实难度,压实温度往往取决于所选化学添加剂的种类且受掺量的影响较大8。已有研究表明9,化学添加剂可提高沥青混合料的疲劳性能与抗水损害能力。有机添加剂类和化学添加剂类温拌剂虽降黏效果显著,但价格昂贵,难以直接应用于工程8,10-11。泡沫沥青温拌技术通过向沥青中添加少量水或适量的含水矿物制备泡沫沥青6,水分与热沥青接触后蒸发产生大量泡沫从而使黏度暂时减小,降低拌合难度,然而这种效应的持
11、续时间有限,常用膨胀率和半衰期来评价泡沫沥青的发泡效果12。目前,水发泡技术的实际作业效果依赖机器,容易造成设备上的增值;沸石温拌技术水残留现象较为严重,导致沥青混合料低温性能较差,且沸石的引入对沥青与集料间的黏附性有不利影响,导致混合料的抗水损害性能下降,从而影响该类温拌技术的推广应用13-16。因此,性价比高、性能优的新型温拌剂与温拌技术的研究至关重要。赤泥是炼铝行业由铝土矿提取氧化铝过程中排放的一种典型工业固体废弃物,随着铝产业的大力发展,我国赤泥的排放量日益增长,未利用的赤泥长期堆放占用大量土地并危害人类健康17,因此,如何最大效率地处理利用赤泥等固废已迫在眉睫。包惠明和牟卡莉18通过
12、观测赤泥与沥青之间的微观状态变化来研究赤泥改性沥青的性能,发现赤泥能显著提高沥青的黏度和高温稳定性,赤泥颗粒能在沥青中均匀分布,并与沥青形成良好的吸附界面。而对于赤泥改性沥青混合料的研究,通过调整赤泥的掺量并复配白泥等材料,可提高沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性以及抗水损害性能19。姚立阳等20研究表明,赤泥可替代传统矿粉作填料,且赤泥与传统矿粉混合作填料的沥青胶浆高温性能好于单纯使用传统矿粉。在赤泥中存在微米级甚至是纳米级的海绵状微观结构,这些微观空隙可以吸附一定的水分子,并且在加热过程中释放出来,起到与沸石温拌技术相同的效果,达到降黏温拌的目的。高温活化后的赤泥粉末具有高细度、吸湿性能和
13、持水能力强等特征,具有作为发泡介质的潜在可行性21-22。本试验探究了赤泥作为矿物发泡温拌剂的可行性,通过对烧结法赤泥进行活化处理,制备了活化赤泥微粉温拌剂,在不同温拌条件下制备泡沫沥青的同时进行发泡特性测试,并研究了活化赤泥微粉温拌剂对沥青胶浆温度敏感性、高低温流变性能的影响。1试验1.1原材料沥青:基质沥青(MA-70),山东京博控股集团有限公司,根据 JTG E202011 公路工程沥青及沥青混合料试验规程测试其基本性能,结果如表 1 所示。表 1基质沥青的基本性能赤泥:烧结法赤泥(RM-S),山东铝业股份有限公司,将取回的赤泥进行初步破碎(粒径臆8 mm)并在烘箱中烘干(105益,36
14、 h),磨细后将粉体过 0.075 mm 方孔筛,即得烧结法赤泥微粉,测其相对密度为 2.503 g/cm3,浸出液 pH 值为 9.8。采用 X 射线荧光光谱(XRF)对其化学组成进行分析,结果如表2 所示。表 2烧结法赤泥微粉的化学组成%由表 2 可以看出,烧结法赤泥的主要成分为 CaO、Fe2O3和 SiO2,占比为 71.96%,同时,烧结法赤泥中的 Na2O 占比为3.54%,是 pH 值高达 9.8 的重要原因。水:自来水。1.2活化赤泥微粉温拌剂的制备将烧结法赤泥微粉倒入坩埚,在马弗炉 600 益条件下进行高温活化 6 h,然后在干燥器中冷却 2 h,即得活化赤泥微粉。将活化赤泥
15、微粉与水按 1颐1 质量比混合,搅拌 10 min,形成液状赤泥,并置于 80 益烘箱中进行干燥控水,直至水占赤泥的质量比为 35%。利用剪切机将含水赤泥进行破碎,使其呈粉末状,即制得活化赤泥微粉温拌剂。1.3泡沫温拌沥青的制备采用 3 种温拌剂掺量(15%、25%、35%)和 3 种发泡温度(140、150、160益)进行试验。取 300g 基质沥青于圆柱容器中,加热至试验所需温度,在高速搅拌下(800 r/min)向基质沥青中加入活化赤泥微粉温拌剂,从而将赤泥均匀分散到沥青中,并将温拌剂中的水分释放出来,冷水表面与热沥青发生能量交换,迅速将水滴加热至 100 益,水蒸气进而包裹在沥青中,导
16、致沥青膨胀发泡,沥青体积暂时增大,使沥青黏度大幅减小。通过记录发泡过程不同时刻下沥青在容器中的膨胀高度,从而计算其膨胀率与半衰期,并对发泡结束后的沥青立即进行性能测试与表征。Al2O3CaOK2OFe2O3SiO2Na2OTiO2MgOLOI7.6642.260.7812.5517.153.544.232.665.89针入度(25 益,100 g,5 s)/0.1mm软化点/益10 益延度/cm15 益延度/cm密度/(g/cm3)溶解度/%6346.8351041.02999.7梁明,等:活化赤泥微粉温拌剂制备及泡沫温拌沥青性能研究143新型建筑材料圆园23援091.4性能测试与表征1.4.
17、1泡沫沥青发泡特性采用圆柱形容器进行沥青发泡试验,容器直径 120 mm、容积 3 L,钢尺精度为 0.5 mm,时间精度 0.1 泽,温度精度 1.0益。将钢尺固定在圆柱容器边缘,尺底端与筒底垂直接触,300 g 基质沥青未发泡时,测量容器中沥青的高度,记为 h1,沥青发泡时,测量容器内泡沫沥青的最大高度,记为 h2,膨胀率=h2h1。同时记录泡沫沥青从最大高度衰减到最大高度一半时所用时间,即为半衰期。1.4.2泡沫温拌沥青胶浆常规性能(1)针入度指数(PI)按照 JTG E202011 分别测试发泡后沥青胶浆的针入度与软化点,并计算针入度指数 PI。(2)布洛克菲尔德黏度按照 JTGE20
18、2011,采用布洛克菲尔德黏度计法来表征泡沫温拌沥青的黏度-温度特性。选用 21 号转子,试验温度从 110益升高到 160益,温度间隔为 10益。1.4.3基于流变学方法的温拌沥青高低温性能(1)动态剪切流变试验(DSR)依据 AASHTO 2013 美国国家公路与运输协会标准 中的AASHTO T315,使用动态剪切流变仪(DSR)对发泡后的温拌沥青进行温度扫描试验(3080益,温度间隔为 10益),试验频率为 10 rad/s,采用直径为 25 mm 的平行板,测试间距为1mm。在线性粘弹性范围内,得到不同发泡温度与温拌剂掺量下温拌沥青的复数模量(G*)和相位角(啄),并对车辙因子(G*
19、/sin啄)进行分析。并于线弹性范围内,在温度 50益、频率0.1100 Hz 条件下进行频率扫描试验,得到储存模量(G)、损耗模量(G)和复数模量(G*)。(2)低温弯曲梁流变试验(BBR)按照 AASHTO 2013 中的 AASHTO T313 进行,试件尺寸为 127mm伊6.35mm伊12.7mm,试验温度为-6、-12、-18益;试验时,对梁施加 980 mN 的荷载 240 s,并计算 60 s 时沥青的蠕变劲度模量(S)及蠕变速率(m)。2结果与讨论2.1温拌剂掺量与发泡温度对泡沫沥青发泡特性的影响半衰期的长短代表允许拌合作业时间的长短,半衰期越长,泡沫越不易衰减,允许拌合作业
20、的时间也越长。膨胀率太小在温度较低时影响拌合效果,过大则导致半衰期缩短,影响允许拌合作业的时间。对于重交沥青温拌施工,膨胀率通常不宜小于 5 倍,半衰期不宜短于 10 s23。温拌剂掺量与发泡温度对泡沫沥青发泡特性的影响如表 3 所示。表 3温拌剂掺量与发泡温度对泡沫沥青发泡特性的影响由表 3 可以看出,当温拌剂掺量相同时,膨胀率越大,半衰期越短,符合机械水发泡泡沫沥青一般规律。相比于机械水发泡,活化赤泥微粉矿物发泡膨胀率相对较小,但具有超长半衰期,显著延长了允许拌合作业时间。当温拌剂掺量为 15%时,由于温拌剂掺量较小,导致温拌剂中释放的水分不足以支撑泡沫沥青维持较好的发泡效果,因此膨胀率相
21、对较小;温拌剂掺量为 35%时,较大的掺量导致引入过多的赤泥,在搅拌过程中温拌剂无法均匀地分散到沥青中,水分释放受阻,且会导致更多的残留水存在沥青胶浆中,从而对沥青胶浆的性能造成不利影响;温拌剂掺量为 25%时,膨胀率最大。相同温拌剂掺量下,当发泡温度为 140 益,由于温度相对较低,水分释放较为困难,从而导致膨胀率相对较小;当发泡温度为 160益,较高的温度环境阻碍了泡沫成型,膨胀率最小;发泡温度为150 益时膨胀率最大。本研究中,当温拌剂掺量为 25%,发泡温度为 150 益时,活化赤泥微粉矿物发泡达到最佳发泡条件。温拌剂掺量为 35%时膨胀率低于 4 倍,不符合拌合作业要求,故后续只分析
22、温拌剂掺量为 15%、25%时在不同发泡温度下对应沥青胶浆的性能。2.2泡沫温拌沥青胶浆的常规性能2.2.1泡沫沥青温度敏感性针入度指数是反映沥青材料温度敏感性的重要参数,针入度指数越大,沥青胶浆的温度敏感性越低,弹性行为更明显。不同温拌条件下的泡沫沥青常规性能与针入度指数如表 4 所示。由表 4 可以看出,随着温拌剂掺量的增加,赤泥含量增多,沥青胶浆硬度变大,从而针入度减小,软化点升高,沥青胶浆的高温性能得到改善。在最佳发泡条件下,温拌剂更易分散到沥青中,高膨胀率与长半衰期使温拌剂中的大部分水分释放形成泡沫,使得沥青胶浆中的残留水较少,因此测得的针入温拌剂掺量/%发泡温度/益膨胀率/倍半衰期
23、/s151405.0951505.2881604.7101251405.6991505.9811605.3110351403.6721503.9651603.283梁明,等:活化赤泥微粉温拌剂制备及泡沫温拌沥青性能研究144晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂表 4不同温拌条件下的泡沫沥青常规性能与针入度指数度最小,软化点最高。沥青胶浆中的发泡残留水分会增加温度敏感性,对胶浆的性能造成不利影响。温拌剂掺量的增加,使针入度指数有所增大,最佳发泡条件对应的样品针入度指数最大,即温度敏感性最低,因此该温拌条件下沥青胶浆具有更好的弹性性能。2.2.2
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