物理改性赤泥替代矿粉对沥青胶浆性能的影响

张 伟 卢 龙

(1.武汉交通工程建设投资集团有限公司，湖北 武汉 430000； 2.武汉光谷交通建设有限公司，湖北 武汉 430075)

1 概述

赤泥是碱法处理铝土矿提取氧化铝后排放的不溶性固体工业废弃物，我国赤泥累积堆存量已超过3.5亿t，综合利用率不足4%[1-3]。鉴于赤泥外观形状上与普通填料相近，价格低廉，可以考虑将赤泥用作沥青混合料中的填料。本文通过将不同比例的赤泥和物理改性后的赤泥替代矿粉填料加入沥青制成沥青胶浆，研究赤泥对沥青胶浆路用性能的影响规律。

2 试验材料

2.1 原材料

1)矿粉：矿粉来自济南文组石灰石采石场。

2)赤泥：烧结法赤泥来自于山东铝业股份有限公司，颜色为棕色，钙含量较高，具有一定的潜在活性。表1列出了矿粉和烧结法赤泥的基本指标。

3)消石灰：消石灰由中国济南志博化工有限公司提供。

4)造纸白泥是在造纸碱回收过程中产生的，主要由CaCO3组成，含有Na2O,K2O,Fe2O3等杂质，化学成分与矿粉相近。

5)沥青为70号基质沥青，由中国石化齐鲁石化公司提供，其基本性能指标见表2。

表1 矿粉和烧结法赤泥的基本指标

表2 70号基质沥青基本性能指标

2.2 沥青胶浆的制备

沥青胶浆中填料与沥青的质量比(粉胶比)为1∶1。制备空白试验1组(填料为普通矿粉)，赤泥沥青胶浆1组，消石灰和白泥分别按照5种质量比掺入赤泥中进行物理改性10组，此外消石灰和白泥共同改性赤泥为3组，共15种沥青胶浆。沥青胶浆的配比和名称见表3。

表3 沥青胶浆的配比和名称

3 试验方案

3.1 沥青胶浆高温性能试验

本研究用软化点评价沥青胶浆的高温稳定性，试验方法按JTG E2—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程T0606—2011进行。

3.2 沥青胶浆低温性能试验

本研究选择直接拉伸(DT)试验评价沥青胶浆的低温抗裂性，DT试验是美国国家高速公路和交通运输协会标准中评价沥青以及沥青胶结料低温性能的试验，本试验方法严格遵守AASHTO T314-07中的方法。由DT试验可以得到反应沥青胶浆低温抗裂性的指标断裂伸长率。本文选择-12 ℃作为试验温度，拉伸速率为1 mm/s。

3.3 沥青胶浆粘滞性能试验

本研究选择布洛克菲尔德黏度试验评价沥青胶浆的粘滞性，布洛克菲尔德黏度试验是美国国家高速公路和交通运输协会标准中评价沥青及沥青胶结料粘滞性能的试验，本试验方法严格遵守AASHTO T316中的方法。本文采用布鲁克菲尔德粘度计分别在135 ℃,155 ℃和175 ℃三种温度下对沥青胶浆的粘度进行测定。

4 试验结果

4.1 沥青胶浆高温性能

15种沥青胶浆的软化点试验结果见图1。由图1可见，烧结法赤泥替代普通矿粉后，软化点增长了14.8%，这说明烧结法赤泥可以提高沥青胶浆的高温稳定性，而消石灰的少量掺入会使得软化点降低到61.2 ℃(R9H1)，然后随着消石灰掺入量的增加，软化点逐渐增加，最终在消石灰掺量达到50%时，软化点达到最高值(R5H5)；而白泥对赤泥沥青胶浆的软化点影响不大。此外，三个配比的消石灰白泥复合改性赤泥沥青胶浆的软化点都较高，其中R6H3W1的软化点是15个样品中软化点最高的。总体来看，三种填料加入均能使沥青胶浆的软化点高于石灰石粉，这说明三种填料均有提高沥青混合料高温抗车辙性能的潜力。

4.2 沥青胶浆低温性能

按照规范要求，分别得到15种沥青胶浆在-12 ℃下的应力应变曲线。图2为典型赤泥沥青胶浆DT试验的应力—应变曲线。由图2可以看出，随着应变的增大，加载应力先逐渐增大，达到峰值加载后，出现断崖式下降开裂。

沥青胶浆在-12 ℃下的断裂伸长率如图3所示。由图3可知，用烧结法赤泥代替矿粉后，断裂伸长率从1.59%降低到0.74%，降低了50%以上。这意味着添加赤泥可能使得沥青胶浆的低温抗裂性变差，更容易发生低温开裂。在赤泥中掺入消石灰后，沥青胶浆的断裂伸长率明显提高，达到了与矿粉沥青胶浆相同的水平。这说明在温度较低的情况下，消石灰的掺入对赤泥沥青胶浆的低温抗裂性能有积极的影响。但是，消石灰的掺量对赤泥沥青胶浆的低温抗裂性没有明显的影响。在赤泥中加入白泥能提高赤泥沥青胶浆的断裂伸长率，其值随白泥掺量的增加而增大，随着白泥含量的增加，断裂伸长率逐渐增大，在白泥掺量为40%时达到峰值2.27%(R6W4)。结果表明，消石灰和白泥均能改善赤泥沥青胶浆的低温开裂性能，并且赤泥沥青胶浆对白泥掺量表现出较强的敏感性。

4.3 沥青胶浆粘滞性能

沥青胶浆的布洛克菲尔德黏度试验结果如图4所示。由图4可以看出，随着测试温度的升高，沥青胶浆的黏度降低。在相同的温度下，普通矿粉沥青胶浆(LP)的试样黏度最低，用烧结法赤泥代替矿粉使黏度增加了近4倍(RM)。在赤泥中添加消石灰进一步增加了其黏度，当消石灰掺量为50%时(R5H5)，黏度值甚至增加了1倍。这说明，赤泥和消石灰可以提高沥青胶浆的粘滞性能。与消石灰不同，添加10%白泥(R9W1)会使赤泥胶浆黏度从4.2 Pa·s略有降低至3.4 Pa·s，但进一步增加白泥用量对沥青胶浆的黏度无明显变化，这说明白泥对沥青胶浆的粘滞性能无明显影响。

5 结论

1)烧结法赤泥、消石灰、造纸白泥的掺入均能使沥青胶浆的软化点高于普通矿粉沥青胶浆，这说明三种填料均可以提高沥青胶浆的高温稳定性能，具有沥青混合料高温抗车辙性能的潜力。

2)烧结法赤泥会降低沥青胶浆的低温抗裂性能，而消石灰和造纸白泥的掺入均能改善赤泥沥青胶浆的低温抗裂性能，并且赤泥沥青胶浆的低温抗裂性能对白泥掺量表现出较强的敏感性。

3)烧结法赤泥和消石灰可以提高沥青胶浆的粘滞性能，而造纸白泥对沥青胶浆的粘滞性能无明显影响。