拜耳法赤泥做填料对沥青混合料性能影响研究

姚立阳,高文英

(河南城建学院 土木与交通工程学院,河南 平顶山 467036)

0 引言

世界各国已铺装和未铺装的道路总里程总计已超过3 600万km[1]，截至2019年，中国的高速公路里程达14.26万km，作为一个发展中国家，仍满足不了经济和社会发展的需求。在道路建设和养护领域，沥青混合料是最主要的一种道路材料。填料作为沥青混合料的重要组成部分，含量虽然相对较少，但对沥青混合料的性能影响十分显著[2-6]。目前，在沥青混合料中普遍使用的填料是天然的石灰石矿粉，然而，石灰石矿料是一种自然资源，随着中国的水泥行业和建筑业的发展，石灰岩正面临枯竭的危险[7-8]，而且石灰石填料在加工制备过程中会产生大量的粉尘引起空气污染，再加上近几年中国政府对环保的要求越来越高，导致很多的矿山开采被禁止和矿料加工企业被关停，致使石灰石填料的价格一升再升，因此，急需有更多更好的填料出现来替代传统的石灰石填料。

目前，利用固体废弃物的回收再利用来制备沥青混合料填料研究正逐渐成为人们关注的热点。一些研究人员已经成功地发现了几种废弃材料可以取代沥青混合料中传统的石灰石矿粉做填料，如钢渣、回收红砖粉、脱硫灰、煤废粉、粉煤灰和废石灰等[9-14]。虽然这些材料的成功研制，可以解燃眉之急，但是仍然满足不了中国快速发展的交通基础设施建设的需要，亟待有更多更好的替代材料出现。

赤泥是氧化铝工业生产过程中产生的一种工业废渣，拜耳法赤泥是碱法生产氧化铝时所排放的固体废渣，在我国超过90%的铝业公司使用拜耳法工艺生产氧化铝，一般每生产1 t氧化铝要排放0.9～1.5 t的赤泥[15]。全世界每年产生赤泥超过1.2亿t[16]，我国氧化铝和赤泥的产量均居世界第一[17]。因此，对拜耳法赤泥如何进行资源化再生利用也就成为亟待解决的问题。目前，我国处理这些赤泥主要采用堆积存储的方式，这样不仅占用了大量的土地，而且还对周围环境和地下水资源等带来了环境污染风险和安全隐患，因此，亟待有更多更有效的方法来处治这些赤泥。近年来，世界各地的研究人员对赤泥的处理和利用进行了大量研究，这些研究主要集中在利用赤泥制备建筑材料、回收有价值元素、净化气体、进行水处理和改善土壤等方面。由于建筑材料领域可以快速高效的消耗大量赤泥，所以得到人们的广泛关注，然而，拜耳法赤泥本身的高碱性导致了其在建材领域应用的瓶颈，致使赤泥的处理成本急剧升高。若废弃物赤泥能在沥青路面中得到应用，将开辟赤泥利用的新途径。

赤泥作为一种建筑材料在建筑工程领域已得到广泛应用，然而在道路工程领域的应用研究却很少有报道[18-19]，特别是针对拜耳法赤泥在沥青混合料中的应用研究报道则更少。虽然赤泥本身具有高碱性、浸出毒性和一定放射性，但是已经被证实在道路工程领域应用对环境和人体都是安全的[20]。本文主要研究利用拜耳法赤泥替代或部分替代传统的石灰石矿粉做填料时对沥青混合料路用性能的影响。为此，本文采用马歇尔稳定度试验、静载单轴蠕变恢复试验、低温劈裂试验、浸水马歇尔稳定度试验等来研究拜耳法赤泥沥青混合料的路用性能，期望得到拜耳法赤泥做填料时对沥青混合料路用性能的影响规律。

1 材料与试验方法

1.1 材料

1.1.1沥青

本文选用山东省华瑞沥青公司提供的70#基沥青。根据试验测试标准[21]，沥青的针入度 (25 ℃， 100 g， 5 s)为69(0.1 mm)； 沥青的延度(15 ℃， 5 cm/min)为163 cm；沥青的软化点为46.7 ℃。

1.1.2集料

本文选用破碎玄武岩集料来制备沥青混合料，混合料类型为DAC-13型，级配曲线如图1所示；其中填料的质量占集料总质量的4%。

图1 级配曲线Figure 1 Aggregate gradation curves

拜耳法赤泥来源于位于河南省焦作市的中国铝业股份有限公司中州分公司，中州分公司是中国铝业股份有限公司下属的六大氧化铝生产基地之一，年产赤泥约200万t。将取回的赤泥在烘箱中烘干，磨细后利用筛子进行筛分，得到本文所需要的赤泥填料如图2所示。天然石灰石矿粉来自河南省宝丰县。石灰石矿粉和拜耳法赤泥的基本性质如表1所示。通过X射线荧光光谱仪(XRF)得到两者的化学成分如表2所示，从表2可以看到，石灰石矿粉的主要成分为CaO，达到46.90%；CaO是一种碱性氧化物，但拜耳法赤泥中CaO的含量相对较少，两者混合后做填料，可以弥补拜耳法赤泥中CaO不足的缺点，从而改善集料与沥青之间粘附性能。

图2 拜耳法赤泥Figure 2 Bayer red mud

表1 赤泥与矿粉基本性质Table 1 Basic performances of listoneme and bayer red mud填料不同孔径(mm)的通过百分率 /%0.60.30.075表观密度/(g·cm-3)矿粉100.097.991.82.79拜耳法赤泥100.098.691.32.82

表2 赤泥与矿粉化学组成Table 2 Chemical composition of listoneme and bayer red mud成分矿粉/%拜耳法赤泥/%CaO46.908.76SiO217.9636.01Fe2O30.519.76Al2O30.4621.36TiO20.0352.64Na2O0.0813.21MgO3.640.86K2O0.10.77其他0.362.03烧失量29.9314.67

1.2 沥青混合料的设计和制备

本文以石灰石矿粉做填料的沥青混合料作为基准混合料，采用马歇尔方法来确定沥青混合料的最佳沥青用量，得到基准沥青混合料DAC-13的最佳沥青用量为5.1%。针对基准沥青混合料，利用拜耳法赤泥部分或全部替代石灰石矿粉做填料时，赤泥替代石灰石矿粉的质量百分率分别为0%，25%，50%、75%和100%，因此，可得到本文所使用的5种填料，针对这5种不用类型的填料，本文所采用的各种沥青混合料类型如表3所示。根据试验分析，该表中所有沥青混合料类型的最佳沥青用量的变化范围小于0.15%，因此，为了更好地研究填料类型对沥青混合料性能的影响，对所有类型的沥青混合料选择了等沥青用量的方法进行性能研究。

表3 混合料类型Table 3 Studied mixture compositions序号填料组成混合料类型1 0%赤泥+100%石灰石矿粉赤泥 0 2 25%赤泥+75%石灰石矿粉赤泥25 3 50%赤泥+50%石灰石矿粉赤泥50 4 75%赤泥+25%石灰石矿粉赤泥75 5 100%赤泥+0%石灰石矿粉赤泥100

于是根据上述集料级配和最佳沥青用量来制备所需要的各种沥青混合料试件。本文涉及到的沥青混合料试验方法主要有4种，即马歇尔稳定度试验、沥青混合料低温劈裂试验、浸水马歇尔稳定度试验和沥青混合料单轴蠕变恢复试验，涉及到的沥青混合料试件的规格主要有两种，即马歇尔稳定度试件(Φ101.6 mm×63.5 mm)和蠕变恢复试验试件(Φ100 mm×100 mm)，前3种试验方法使用的试件都是标准马歇尔稳定度试件，最后一种试验方法用到的是蠕变恢复试验试件，马歇尔稳定度试件采用击实法成型，蠕变恢复试验试件采用静压法成型。

1.3 试验方法

1.3.1沥青混合料马歇尔稳定度试验

通过沥青混合料马歇尔稳定度试验可以直接得到试件破坏时承受的最大外力即马歇尔稳定度(MS)和垂直方向的变形即流值(FL)两个技术指标，通过式(1)可以得到指标马歇尔模数(T)：

(1)

式中：MS为马歇尔稳定度，kN；FL为马歇尔试件的流值，mm。

1.3.2沥青混合料劈裂试验

沥青混合料劈裂试验是用于评价沥青混合料低温抗裂性能的。所用试件为马歇尔试件，试验温度-10 ℃，试验前试件在空气浴中保温6 h，试验时加载速率为1 mm/min，通过测量试件在最大破坏荷载时产生的垂直方向总变形，通过式(2)可以得到试件的破坏拉伸应变εT：

(2)

式中：XT为试件在最大破坏荷载时的垂直方向总变形，mm；μ为泊松比，当试验温度低于10 ℃时，μ取值0.25。

1.3.3水稳定性试验

浸水马歇尔稳定度试验可以评估沥青混合料的水稳定性，以检验沥青混合料浸水损害时抵抗剥落的能力。试验时，试件分为两组，一组按照上述标准的马歇尔试验方法，测定其马歇尔稳定度(MS)，另一组试件在60 ℃水浴中保温48 h后再在马歇尔稳定度仪上测其稳定度即浸水马歇尔稳定度(IMS)，通过式(3)可以得到试验指标浸水马歇尔稳定度比(IMSR)如下：

(3)

式中：IMS为浸水马歇尔稳定度，即试件在60 ℃水浴中保温48 h后测得的稳定度，kN；MS为马歇尔稳定度，即试件在60 ℃水浴中保温30 min后测得的稳定度，kN。

1.3.4沥青混合料单轴蠕变恢复试验

蠕变恢复试验能够测定沥青混合料的黏弹性能，可以从黏弹性材料角度对沥青混合料的抗高温变形能力进行分析。本研究采用微机控制的电子万能试验机进行单轴蠕变恢复试验；试验温度选取40 ℃和60 ℃，试验前，试件在要求温度下利用空气浴保温24 h。采用加载方式为：先以2 mm/min的加载速度施加预压力80 N，保载60 s；然后以700 N/s的加载速度加载到所需力1 500 N，保载1 800 s；再以700 N/s的加载速度卸载到0 N，保载1 800 s。

2 结果与讨论

2.1 马歇尔稳定度试验结果

马歇尔稳定度反映了沥青混合料在高温条件下的破坏强度，也可以反映沥青混合料在高温下抵抗推移和车辙的能力。添加5种不同类型填料的沥青混合料马歇尔稳定度试验结果如图3所示。从图3可以看到，赤泥100沥青混合料的马歇尔稳定度最大，达到15.54 kN，赤泥50沥青混合料的马歇尔稳定度最小，只有11.09 kN；赤泥0沥青混合料的马歇尔稳定度为12.20 kN。结果表明了赤泥100沥青混合料即拜耳法赤泥沥青混合料的高温抗推移和车辙能力最强，赤泥50沥青混合料最弱；还可看到拜耳法赤泥沥青混合料和赤泥75沥青混合料的抗推移变形和车辙的能力明显均强于传统的石灰石矿粉做填料的沥青混合料；并且5种沥青混合料的马歇尔稳定度值均满足规范《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，即不能小于8 kN。

图3 马歇尔稳定度试验结果Figure 3 Results of marshall stability test

流值是马歇尔稳定度试验时试件在发生破坏时竖直方向的变形，反映了沥青混合料在高温时的塑性和柔韧性，并且流值与内摩擦力呈线性反比关系[22-24]。高温时，沥青混合料的流值不能过大，否则沥青混合料易于出现过大的塑性变形，导致高温抗车辙能力降低。添加5种不同类型填料的沥青混合料流值试验结果如图4所示。从图4可以看到，赤泥100沥青混合料的流值最小，为4.41 mm，赤泥50沥青混合料的流值最大，达到5.55 mm；赤泥0沥青混合料的流值为5.06 mm。结果表明了赤泥100沥青混合料即拜耳法赤泥沥青混合料在高温时塑性变形最小，赤泥50沥青混合料高温时的塑性变形最大，说明拜耳法赤泥沥青混合料在发生变形时内摩擦力最大，抗车辙能力最强，而赤泥50沥青混合料的内摩擦力最小，抗车辙能力最弱；还可看到赤泥100沥青混合料和赤泥75沥青混合料的塑性变形均明显小于赤泥0沥青混合料即传统的石灰石矿粉做填料的沥青混合料，说明前两者的高温抗车辙能力均强于传统的石灰石矿粉沥青混合料。

图4 流值试验结果Figure 4 Test results of flow values

马歇尔模数是马歇尔稳定度与流值的比值，是评价沥青混合料车辙性能的标准，认为马歇尔模数较高的混合料具有较高的抗永久变形能力[25-26]。马歇尔模数越大说明沥青混合料在受到外力时的变形越小，或者说在发生同样变形时可以抵抗较大的外力。添加5种不同类型填料的沥青混合料马歇尔模数试验结果如图5所示。从图5可看到，赤泥100沥青混合料的马歇尔模数最大，为3.62 kN/mm，赤泥25沥青混合料的马歇尔模数最小，为1.73 kN/mm；赤泥0沥青混合料的马歇尔模数为2.12 kN/mm。结果表明了赤泥100沥青混合料即拜耳法赤泥沥青混合料的高温抗变形能力最强，赤泥25沥青混合料最弱；还可看到赤泥100沥青混合料和赤泥75沥青混合料的抗变形能力明显强于赤泥0即传统的石灰石矿粉做填料的沥青混合料。

图5 马歇尔模数试验结果Figure 5 Test results of marshall modulus

2.2 沥青混合料劈裂试验结果

低温性能是沥青混合料路用性能的重要方面之一。随着温度的降低，沥青混合料的硬脆性增加，导致沥青路面低温时变形能力降低和脆裂的趋势增加。劈裂试验得到的破坏拉伸应变是反映沥青混合料在低温破坏时柔韧性的重要指标，破坏拉伸应变越大，沥青混合料的柔韧性越好，低温变形能力越强，抗裂性也越好。添加5种不同类型填料的沥青混合料破坏拉伸应变试验结果如图6所示。从图6可看到，破坏拉伸应变最大的是赤泥100沥青混合料，为8.350 μm，其次是赤泥75沥青混合料，为7.745 μm，最小的是赤泥50沥青混合料，为1.612 μm，赤泥0沥青混合料即传统的石灰石矿粉沥青混合料的破坏拉伸应变为2.581 μm。结果表明，赤泥100和赤泥75沥青混合料的低温抗裂性能最好，均好于传统的石灰石矿粉做填料的沥青混合料。

德国位于欧洲西部，是一个由16个州组成的联邦共和国，国土面积3.57×105km2，人口8.076 75×107人。德国是高度发达的工业国家，全球八大工业国之一。农业也非常发达，机械化程度较高。20世纪70年代德国环境问题最为突出，认识到简单的垃圾末端处理并不能从根本上解决问题，资源回收和再利用有极其重要的意义，便开始试图解决垃圾减量和再利用问题。

图6 低温劈裂试验结果Figure 6 Results of split test at low temperature

2.3 沥青混合料水稳定性试验结果

当沥青混合料受到水分侵害时，沥青与集料之间的粘附力会降低，沥青混合料的抗剥落能力随之降低，从而导致水稳定性降低。浸水马歇尔试验得到的浸水马歇尔稳定度比可以反映沥青混合料的水敏感性，浸水马歇尔稳定度比越大表明沥青混合料的水敏感性越低，这样的沥青混合料受水作用后损失的稳定度就越少，水稳定性就越好。添加5种不同类型填料的沥青混合料浸水马歇尔稳定度比试验结果如图7所示。从图7可以看到，赤泥50沥青混合料的浸水马歇尔稳定度比最大，为88.5%，赤泥100沥青混合料的浸水马歇尔稳定度比最小，为53.3%，赤泥0沥青混合料即传统的石灰石矿粉做填料的沥青混合料浸水马歇尔稳定度比为81.7%。根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，只有赤泥100即拜耳法赤泥沥青混合料的浸水马歇尔稳定度比不满足规范要求(不小于75%)。结果表明，单纯利用拜耳法赤泥做填料的沥青混合料水稳定性最低，赤泥50沥青混合料的水稳定性最高，其次是赤泥25沥青混合料，这说明了拜耳法赤泥与石灰石矿粉共同做填料可以实现降低沥青混合料水敏感性和提高水稳定性的作用，这样的效果甚至优于传统的石灰石矿粉填料；这可能是由于石灰石矿粉中较多的碱性氧化物CaO弥补了拜耳法赤泥中CaO的不足，从而提高了弱酸性沥青与集料之间的粘结性能，进而提高了沥青混合料的抗剥落能力和水稳定性。

图7 水稳定性试验结果Figure 7 Results of water stability test

2.4 沥青混合料单轴蠕变恢复试验结果

沥青混合料是一种典型的粘弹性材料，粘弹性能反映沥青路面的变形和抗车辙性能。填料是沥青混合料的重要组成部分之一，可以影响沥青混合料的粘弹性能。蠕变恢复试验能够反映沥青混合料的黏弹性能，从而可以从黏弹性角度分析沥青混合料的抗高温变形能力。本文选取两个测试温度40 ℃和60 ℃，通过调查发现，沥青路面40 ℃对应于气温27 ℃左右，属于通常认为的常温范围或中温范围；沥青路面60 ℃对应于气温40 ℃左右，即通常认为的高温范围；因此，本文通过这两个温度下沥青混合料粘弹性的测定来反映不同填料类型对沥青混合料中温和高温性能的影响。

40 ℃时，添加5种不同类型填料的沥青混合料蠕变恢复试验结果如图8所示。从图8可以看到，5种类型填料的沥青混合料蠕变恢复曲线分为两个阶段，即加载阶段(蠕变阶段)和卸载阶段(恢复阶段)；加载阶段应变随时间的延长逐渐增大，加载末期应变达到最大值，此时的应变称为累积应变，累积应变反映了沥青混合料的抗变形能力，累积应变越小表明沥青混合料的抗变形能力越强；卸载阶段应变随时间的延长逐渐较小，逐步趋于稳定，最终保留下来没有恢复的应变称为残余应变，残余应变反映沥青混合料产生车辙深度的大小，残余应变越大，沥青混合料的抗车辙能力越低，车辙深度将越深。从加载阶段看，赤泥100沥青混合料的累积应变最小，其次是赤泥50沥青混合料，第三是赤泥75沥青混合料，说明在40 ℃时赤泥100即拜耳法赤泥沥青混合料的抗变形能力最强，并且这3种沥青混合料的抗变形能力均大于传统的石灰石矿粉沥青混合料。从恢复阶段看，赤泥100沥青混合料的残余应变最小，其次是赤泥50沥青混合料，第三是赤泥75沥青混合料，说明在40 ℃时赤泥100沥青混合料即拜耳法赤泥沥青混合料的抗车辙能力最强，车辙深度最小，并且这3种沥青混合料的抗车辙能力均大于传统的石灰石矿粉沥青混合料。

图8 40 ℃时蠕变恢复试验结果Figure 8 Results of creep recovery test at 40 ℃

60 ℃时，添加5种不同类型填料的沥青混合料蠕变恢复试验结果如图9所示。从图9可看到，加载阶段，赤泥100沥青混合料和赤泥25沥青混合料蠕变曲线的累积应变十分接近，且均比较小，赤泥75沥青混合料和赤泥50沥青混合料蠕变曲线的累积应变接近，明显大于前两者，并且这4种沥青混合料的累积应变均小于赤泥0沥青混合料即传统的石灰石矿粉沥青混合料的累积应变；说明了赤泥100沥青混合料和赤泥25沥青混合料的抗变形能力较强，其次是赤泥75沥青混合料和赤泥50沥青混合料，而赤泥0沥青混合料即传统的石灰石矿粉沥青混合料的抗变形能力最弱。从卸载阶段看，各沥青混合料的残余应变基本表现出了与累积应变类似的规律，即赤泥100沥青混合料和赤泥25沥青混合料残余应变十分接近，均比较小，赤泥75沥青混合料和赤泥50沥青混合料残余应变接近，明显大于前两者，并且这4种沥青混合料的残余应变均明显小于赤泥0沥青混合料即传统的石灰石矿粉沥青混合料的残余应变；说明了赤泥100沥青混合料和赤泥25沥青混合料的抗车辙能力较强，其次是赤泥75沥青混合料和赤泥50沥青混合料，而赤泥0沥青混合料即传统的石灰石矿粉沥青混合料的抗车辙能力最弱。

图9 60 ℃时蠕变恢复试验结果Figure 9 Results of creep recovery test at 60 ℃

3 结论

本文通过马歇尔试验、浸水马歇尔试验、低温劈裂试验和蠕变恢复试验，从低温、中温、高温和水敏感性等方面分析了拜耳法赤泥部分或全部替代传统的石灰石矿粉做填料对沥青混合料路用性能的影响，得到主要结论如下：

a.从化学成分看，在拜耳法赤泥中碱性氧化物主要有CaO和Na2O，两者之和约12%，而在石灰石矿粉中仅CaO含量达到46.9%，在沥青混合料中碱性氧化物对于提高弱酸性沥青与集料之间的粘附力是有积极作用的，这一点是拜耳法赤泥无法与石灰石矿粉比拟的。

b.从沥青混合料的水稳定性看，单纯利用拜耳法赤泥做填料的沥青混合料水稳定性最低，满足不了相关规范对沥青混合料水稳定性的要求；赤泥50沥青混合料的水稳定性最高，由于石灰石矿粉中较多的碱性氧化物CaO弥补了拜耳法赤泥中CaO的不足，从而提高了沥青与集料之间的粘结性能，进而改善了沥青混合料的水稳定性，其效果甚至优于传统的石灰石矿粉填料。

c.从高温稳定性看，赤泥100沥青混合料在抗变形能力、抗推移能力、抗车辙以及低塑性要求等方面都最有优势，其次是赤泥75沥青混合料；并且两者的高温性能都明显好于赤泥0沥青混合料即传统的石灰石矿粉沥青混合料。

d.从常温时的抗变形能力及抗车辙能力看，赤泥100沥青混合料优势最明显，其次是赤泥50沥青混合料，第三是赤泥75沥青混合料，并且三者的性能均好于赤泥0沥青混合料即传统的石灰石矿粉沥青混合料。

e.从低温抗裂性能看，赤泥100沥青混合料的低温抗裂性能最好，其次是赤泥75沥青混合料，两者的低温性能均好于传统的石灰石矿粉做填料的沥青混合料。