赤泥改性沥青黏度及微观特性

2017-07-01包惠明牟卡莉

河南科技大学学报(自然科学版) 2017年5期

包惠明，牟卡莉

赤泥改性沥青黏度及微观特性

包惠明，牟卡莉

(桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林541004)

在基质沥青中添加赤泥制备赤泥改性沥青，采用黏温关系分析法探讨不同剪切速率、赤泥掺量(质量分数)对赤泥改性沥青黏度的影响，并用扫描电子显微镜观测赤泥与沥青之间的微观状态变化。研究结果表明:赤泥改性沥青黏度方程与温度之间存在极高相关性，温度对赤泥改性沥青黏度的影响程度要高于剪切速率对其的影响。在相同条件下，赤泥改性沥青的黏度随赤泥掺量的增加而增大。随着赤泥掺量的增加，赤泥改性沥青相态分布由分散相逐渐转变成连续相态，在赤泥掺量为13%时的共混体系达到了理想的相态分布形式。

赤泥改性沥青;黏度;剪切速率;微观特性

0 引言

赤泥是一种有害废渣［1］，大约每生产1 t Al2O3就会排放1.0～1.8 t的赤泥废渣。据估计，2016年赤泥排放已经达到5.5×107～6.0×107t，累计赤泥堆积数亿吨［2］。而目前赤泥的处理方法，如筑坝湿法堆存和海底堆放法都会对环境造成很大污染，因此对赤泥的无害化处理一直是国内外学者研究的重点。赤泥具有熔点高、颗粒粒径微小等物理特性，符合建筑材料性能的要求，使赤泥在建筑材料上的应用有很大潜力。随着中国公路建设的高速发展，对高性能沥青的需求也日益增加，改性沥青作为一种新型路面结合料，以其良好的高温稳定性、低温抗裂性和出色的黏附性、耐疲劳性，受到公路建设者的青睐［3－5］。因此，如果将赤泥作为改性材料在路基路面上大量使用，不仅能有效地发挥赤泥的建筑材料性能，而且能无害化处理赤泥以保护环境。而赤泥改性沥青作为一种新型改性沥青材料，国内外对其研究还处于初步阶段。文献［6］利用赤泥资源开发了改性沥青稳定剂，解决了高温改性沥青储存不稳定问题。本文选取不同赤泥掺量(质量分数)的改性沥青，采用布氏旋转黏度计研究其在不同剪切速率和不同温度下的黏度值，并通过黏温关系分析赤泥改性沥青黏度的变化规律，结合扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)观测不同处理条件下赤泥改性沥青的微观状态变化，为赤泥改性沥青的制备工艺和应用提供依据和思路。

1 试验

1.1 原材料

试验所用沥青为中国石化股份有限公司茂名分公司生产的“东海”牌70#A级道路石油沥青，基质沥青检验指标及检验结果见表1。赤泥为广西平果铝厂工业制Al2O3产生的废渣。

1.2 试验方法

首先，将采集的原状赤泥在阳光下曝晒4 h以上，充分去除表面水分;再用捣杵将曝晒后的赤泥块捣碎成赤泥颗粒，当赤泥颗粒直径达到滚球粉磨机要求后进行磨粉;最后，挑选无污染的赤泥进行高温煅烧和过筛处理。在165℃左右将处理好的赤泥分别按质量分数为5%、9%、13%和15%的比例掺加到基质沥青中，采用高剪切仪以4 000 r/min的转速搅拌10 min，再以8 000 r/min的转速搅拌40 min。调整转速为4 000 r/min搅拌10 min以排除改性沥青中的气泡，制备成赤泥改性沥青。分别在温度为60℃、90℃、135℃、150℃和175℃下，测试赤泥改性沥青的黏度(其中:60℃采用29#转子、90℃采用28#转子、135℃采用27#转子、150℃和175℃采用21#转子)，并将上述不同条件下制备成的赤泥改性沥青进行扫描电子显微镜观测。

表1 基质沥青检验指标及检验结果

2 结果与讨论

对基质沥青和赤泥掺量(质量分数，下同)分别为5%、9%、13%和15%的赤泥改性沥青，分别在60℃、90℃、135℃、150℃和175℃温度下进行旋转黏度试验，试验结果如表2所示。

表2 不同温度和不同掺量下的赤泥改性沥青黏度Pa·s

2.1 温度对赤泥改性沥青黏度的影响

分析在不同温度下赤泥改性沥青的黏度变化规律，选用同一掺量的赤泥改性沥青测试其在不同温度下的黏度。由表2可知:同一掺量下的赤泥改性沥青黏度随着温度的升高而逐渐降低，且在不同温度区间降低的幅度也不相同。温度在60～90℃时黏度急剧下降;温度在90～135℃时黏度下降较上一区间减缓;温度在135℃时出现拐点后，黏度变化逐渐缓慢;当温度上升到150℃时各黏温关系差距趋于平缓。黏度反映的是流体分子受外力作用所呈现的内摩擦力，内摩擦力的大小由分子的结构、位置以及分子间相互作用和状态决定［7］。温度较低时，沥青内部分子为胶团絮凝状态，使得沥青及沥青与赤泥界面间的摩擦增大［8］，所以在低温下赤泥改性沥青的黏度较大。当温度逐渐升高，胶质开始脱附而胶团再并缔，沥青内部分子间的摩擦开始减少，黏度呈下降趋势。温度继续升高，沥青内吸附的胶质完全脱附且每个胶团相互分开，此时发生逆玻璃化现象，赤泥与沥青的摩擦及沥青间的摩擦作用大大减少，导致赤泥改性沥青黏度急剧减少。

赤泥改性沥青黏度与温度的回归方程见表3。表3中:η为赤泥改性沥青的黏度，T为温度。由表3可知:赤泥改性沥青黏度与温度相关系数平均值为0.946 1。lg η对温度T的斜率K反映的是赤泥改性沥青黏度随温度变化的速度，可以表征改性沥青在该温度区域内的温度敏感性［9］，K绝对值越大，其黏度随温度变化就越大。由表3可得:斜率关系为表明随着赤泥掺量的增加，赤泥改性沥青的温度敏感性下降，且赤泥改性沥青黏度随温度变化较基质沥青缓慢。

表3 赤泥改性沥青黏度与温度的回归方程

2.2 赤泥掺量对赤泥改性沥青黏度的影响

由表2还可以看出:当赤泥掺量小于5%时，赤泥改性沥青的黏度变化不明显。当赤泥掺量增加到9%时，出现了拐点，各温度下的赤泥改性沥青黏度与赤泥掺量0%的沥青黏度相比有了显著的提升，当温度从175℃降低到60℃时，黏度提高了0.16～21 Pa·s。

表2显示赤泥改性沥青的黏度随着赤泥掺量的增加而增大，如在温度为60℃，赤泥掺量从5%增加到9%、13%、15%时，赤泥改性沥青的黏度分别上升了8.90%、23.29%、24.66%。这是因为赤泥掺量的增加增大了改性沥青中赤泥与沥青的接触面积，同时增强了沥青与赤泥颗粒间的吸附作用，所以赤泥掺量越多颗粒间的吸附越大，黏度越大。由表2可知:当掺量为13%时，继续掺加赤泥，其黏度变化已经不明显;反而在赤泥掺量15%、温度为90℃时，黏度出现逆转。在温度为60℃时，赤泥掺量与黏度呈线性关系;温度为90℃、赤泥掺量为13%时，黏度达到峰值20.80 Pa·s;温度为135℃时，15%的赤泥改性沥青黏度为4.28 Pa·s，即13%掺量的赤泥与沥青吸附作用趋向于最大值。

图1 赤泥改性沥青黏度-剪切速率关系

2.3 剪切速率对赤泥改性沥青黏度的影响

通过对13%赤泥掺量的赤泥改性沥青进行不同剪切速率下的黏度试验，进一步分析赤泥改性沥青与剪切速率的关系，试验结果如图1所示。分析图1可知:在温度为60℃时，赤泥改性沥青的黏度受剪切速率的影响最明显，温度为175℃的黏度基本不受剪切速率的影响，但都在20 r/min后出现黏度受剪切速率变化影响减少的情况。结合流体力学可知赤泥改性沥青为拟塑性，即剪切变稀特性［10］，这一性质解释了图1中赤泥改性沥青的黏度随着剪切速率的增加而呈线性下降的趋势。当温度升高到135℃后，图1中的曲线接近于水平，赤泥改性沥青有随温度升高非牛顿特性逐渐消失的性质，说明了在高温状态下赤泥改性沥青的黏度受剪切速率的影响很小。

在布氏旋转黏度试验中，靠近转子的液体层和靠近管壁的液体层同处于速度梯度流场中，越接近转子的液体层剪切速率越大［11］。由于不同的剪切速率会使液体内部分子间产生不同的取向力，在高转速转子的作用下，这种取向力会导致液体内分子力的破坏从而在宏观上表现为黏度降低。表4为不同温度下赤泥改性沥青黏度和剪切速率关系的回归方程，其中n为赤泥改性沥青的剪切速率。由表4可知:剪切速率与黏度的回归方程相关系数平均值为0.714 1，较温度与黏度回归方程相关系数平均值低24.52%。且剪切速率与黏度之间的最高相关系数仅为0.824 5，表现为一般相关，比不同掺量下温度与黏度回归方程最高相关系数低15.5%。表明在单一条件或总体情况下黏度受温度的影响比受剪切速率的影响更加明显。

表4 赤泥改性沥青黏度和剪切速率关系的回归方程

2.4 微观状态及其分析

因为赤泥与沥青间相互接触、融合的连接界面状态是影响赤泥改性沥青黏度性能变化的重要原因，所以采用扫描电子显微镜观察其微观形态变化来判断其性能，不同赤泥掺量的赤泥改性沥青SEM照片如图2所示。

图2 不同赤泥掺量的赤泥改性沥青SEM照片

从图2a可以看出:当赤泥掺量为5%时，赤泥颗粒不能均匀分布于沥青中，且赤泥因团聚作用形成许多巨大的颗粒，不仅阻止了赤泥特性的发挥，而且影响了沥青的性能。由图2b可以看出:当赤泥掺量为9%时，赤泥颗粒能较好地分布于沥青中，其结构也变成云层形态，赤泥与沥青两相界面变模糊，使赤泥与沥青颗粒两相界面处有很好的黏结作用。由图2c可以看出:当赤泥掺量为13%时，赤泥与沥青颗粒形成了网络结构，其微观分散相态逐渐向连续相态转变，这是共混物体系理想的相态分布形式，也是宏观性能得以优异发挥的关键。由图2d可以看出:当赤泥掺量为15%时，由于赤泥掺量过多，赤泥颗粒不能与沥青油分充分吸收，过多的赤泥颗粒在范德华力作用下出现了团聚过密的现象。在两相共存的共混结构体系中，分散面积与其质量分数有很大的相关性［12］，所以随着赤泥掺量的增加赤泥颗粒比表面积也随之增大。从图2a～图2d中可看出:赤泥在基质沥青中的分布越加均匀致密，赤泥颗粒比表面积增大的同时，也增强了颗粒间的结合力，这些微观结构的改善使得赤泥改性沥青的黏度也快速增加。