基于表面能理论和拉拔试验的铁尾矿与沥青黏附性研究

王鑫洋 苏纪壮 祁 冰

(山东高速工程检测有限公司1) 济南 250002) (大宗固废材料在交通领域循环利用行业研发中心2) 济南 250002) (山东省交通科学研究院3) 济南 250014)

0 引 言

铁尾矿是铁矿石经破碎、筛分、研磨、分级、浮选等工艺流程,筛选出铁元素后的剩余产物,其主要成分与公路工程用集料相同[1].但现阶段我国的铁尾矿综合利用率较低,主要采取堆存方式进行处置,该做法造成了资源的浪费[2-3].公路工程建设过程中需要大量的筑路材料,若能将铁尾矿用作筑路材料,即可以降低公路工程造价,也可减少其对环境的污染.

针对铁尾矿在道路工程中的应用.Wang等[4-6]对铁尾矿沥青混合料的路用性能进行了试验研究.Velasquez等[7-8]通对动态模量(E*)试验评价了铁尾矿沥青混合料的力学性能.孙书吉等[9-10]采用硅烷偶联剂改善了沥青与铁尾矿碎石间的粘附效果.表面能理论作为解释沥青与集料粘附性形成机理的重要理论之一,得到广泛的应用[11-13].表面自由能理论在计算沥青与集料体系的粘附功的同时,还可以得出不同集料与沥青的粘附功间的差异[14].

文中基于表面自由能理论,采用躺滴法测量铁尾矿和不同沥青的表面能参数,计算沥青与不同集料间的粘附功,以衡量铁尾矿与沥青间的粘附性能.采用改进拉拔试验来评价铁尾矿与沥青间的粘结力,验证铁尾矿与沥青间的黏附性.

1 原材料

采用东海70号沥青、SBS改性沥青(I-D)和SBR改性乳化沥青蒸发残留物三种沥青,集料采用石灰岩、玄武岩和铁尾矿石.原材料各项技术均能满足现行技术规范要求,其中沥青技术指标见表1,四种集料矿物成分见表2.

表1 沥青技术指标

表2 矿物成分组成表

2 试验方法

2.1 表面自由能理论

根据热力学第一定律,克服液体内部分子吸附作用所消耗的功储存于液体表面,成为表面分子具有的一种额外的势能,即表面能,用G或γ表示.表面能(γ)由两部分组成,也就是极性分量(γp)及色散分量(γd),其中极性分量由Lewis酸(γ+)和Lewis碱(γ-)两部分组成,二者关系为

(1)

青混合料在拌和过程中,沥青会将集料并吸附于集料表面,依据表面化学相关理论,沥青与集料的表面能为

Was=γa+γs-γas

(2)

式中:Was为沥青-集料黏附功;γa为沥青表面能;γs为集料表面能;γas为沥青与集料接触面上的界面能.

沥青和集料间的界面能为

(3)

根据Young氏公式,沥青在集料表面的接触角和其表面能以及二者间界面能满足式(4)关系:

γacosθ=γa-γas

(4)

式中:θ为沥青与集料间的接触角.

将式(1)～(4)联立可得到沥青与集料的Young-Dupre公式.

(5)

将沥青和集料的表面能代入式(5),即可得二者间的粘附功.

2.2 表面能测试

使用蒸馏水、甘油以及甲酰胺作为测定接触角的试剂,后测定这三种试剂在试样表面的接触角,并计算沥青与集料的表面能及其分量.三种试剂的表面自由能参数见表3.

表3 测试液体的表面自由能参数(25℃) 单位:mJ/m2

3 试验结果分析

3.1 接触角

采用德国某公司生产的DSA型接触角测量仪在25℃下对四种集料和沥青的接触角进行测试,接触角试验结果见图1.

由图1可知:4种集料和3种沥青的接触角变异系数均小于2%,说明不同材料与各测试液体的接触角试验的重复性满足要求.

图1 接触角测试结果

四种集料与测试液体的接触角差别较小,其中石灰岩与水的接触角最大,玄武岩与甲酰胺间的接触角最大.铁尾矿2与甘油间的接触角最大,蒸馏水与集料间的接触角随SiO2含量的增加而减小,SBS改性沥青与水和甘油间的接触角最大,SBR改性乳化沥青蒸发残留物与水间的接触角次之,基质沥青最小.SBR改性乳化沥青蒸发残留物与甲酰胺间的接触角最大,SBS改性沥青次之,基质沥青最小.

将不同测试液体的表面能γl与γlcosθ进行线性拟合,结果见图2.由图2可知:测试液体的表面能γl与γlcosθ线性拟合后的相关系数R2均大于0.90.表明二者之间具有良好的线性关系,即测试结果可靠.

图2 γl与γlcosθ的关系

3.2 表面自由能

分别将3种测试液体的表面能参数及其在集料和沥青的接触角带入式(5),求解方程组后即可得到集料和沥青的表面能及其分量,计算结果见图3.

图3 表面能计算结果

由图3a)～c)可知:四种集料的表面能相差不大,其中石灰岩的表面能最大,铁尾矿1的表面能最小,该现象的主要原因是石灰岩中的SiO2含量最小,铁尾矿1中SiO2含量最大,已有研究结果表明集料的表面能与SiO2含量呈负相关关系;四种集料中,铁尾矿2的极性分量最大,色散分量最小,石灰岩的极性分量最小,色散分量最大.

由图3d)～3f)可知:三种沥青的表面能存在较大的差异,其中SBS改性沥青的表面能最大,SBR改性乳化沥青蒸发残留物的表面能最小,其可能原因为,改性乳化沥青制备过程中需要加入乳化剂,乳化剂的作用原理是降低沥青与水间的界面能,提高二者间的稳定性,蒸发残留物制备过程中其中的乳化剂未能完全蒸发,导致其表面能的降低;SBS改性沥青的极性分量最小,色散分量最大,SBR改性乳化沥青的极性分量最大,色散分量最小,其可能原因是SBS蒸发残留物中的乳化剂未能充分挥发,使得其蒸发残留物的极性增强.

3.3 粘附功的计算

将计算出的沥青以及集料的表面能数据代入式(2)中,得到二者间的粘附功,结果见图4.

图4 不同沥青与集料间的粘附功

由图4可知:不同沥青与不同集料间的粘附功存在一定差别,其中SBS改性沥青与石灰岩间的粘附功最大,为71.16 mJ/m2,而SBR改性乳化沥青蒸发残留物和铁尾矿1之间的粘附功最小,为66.24 mJ/m2;整体而言石灰岩与各沥青间的粘附功要大于玄武岩和铁尾矿,该现象产生的原因为,石灰岩的SiO2含量仅为0.76%,其碱性要强于玄武岩和铁尾矿,沥青与碱性集料间的黏附性更好;SBS改性沥青与集料间的粘附功要大于70号基质沥青和SBR改性乳化沥青蒸发残留物,究其原因,SBS改性剂的加入使得沥青的极性降低,而SBR改性乳化沥青蒸发残留物中乳化剂在挥发不完全情况下,其极性更大,且残留物制备过程中需要经过高温蒸发,使得沥青发生了一定程度的老化,老化后的沥青极性增强.

3.4 沥青与集料粘结特性验证

沥青黏结强度(the binder bond strength,BBS)试验能定量的评价沥青与集料的黏附性.BBS试验评价指标为拉拔强度及界面失效状况,其中拉拔强度计算方法见式(6),界面失效状况分为集料间沥青膜拉断失效(记为C)、沥青与集料间发生黏附失效(记为A)、沥青膜拉断及其与集料界面失效同时出现(记为C/A),见图5.

POTS=F/A

(6)

式中:POTS为拉拔强度,kPa;F为拉拔试验荷载峰值,N;A为芯样截面积,mm2.

采用直径20 mm圆柱形集料芯样,集料与拉拔头间采用环氧树脂黏结,控制集料间沥青膜厚度为75 μm,将成型好的试样至于60℃鼓风烘箱中使环氧树脂充分固化,固化时间不少于8 h.后采用MTS试验机进行试验,其中加载速率为20 mm/min,试验温度为25℃.为保证试验结果的可靠性,每组制备试样6个,为减小试验误差,取变异系数在15%以内的试验结果均值.试验结果见图6.

图6 沥青及集料间的黏结力试验结果

由图6可知:沥青与集料组合的12组试验过程中,有6组表现为沥青的内聚力失效(C),即沥青膜被拉断,有6组表现为组合失效(A/C);此外,SBR改性乳化沥青蒸发残留物与集料间的破坏类型均为组合失效,且铁尾矿与基质沥青间的也表现为组合失效;石灰岩与沥青间的黏结力明显大于玄武岩和铁尾矿,其主要原因是石灰岩为碱性集料,而玄武岩和铁尾矿均为中性集料,沥青与碱性集料间的黏附性要优于中性集料,因此,石灰岩与沥青的黏结力大于玄武岩和铁尾矿;SBS改性沥青与集料间的黏结力大于基质沥青和SBR改性乳化沥青蒸发残留物,其主要原因是,相同温度下SBS改性沥青的黏度大于基质沥青和SBR改性乳化沥青蒸发残留物,沥青黏度越大与集料间的黏附性越高,因此SBS改性沥青与集料间的黏结力大于基质沥青和SBR改性乳化沥青蒸发残留物.

4 结 论

1) 石灰岩的表面能最大,铁尾矿的表面能小于石灰岩和玄武岩,且铁尾矿的极性分量大于石灰岩和玄武岩,色散分量小于二者.

2) 不同沥青与不同集料间的黏附功存在一定差别,SBS改性沥青与集料间的黏附功大于基质沥青和SBR改性乳化沥青蒸发残留物,石灰岩与沥青间的黏附功要大于玄武岩和铁尾矿.

3) 改进拉拔试验可以定量评价沥青与集料间的黏附性,且石灰岩与沥青间的黏结力明显大于玄武岩和铁尾矿,SBS改性沥青与集料间的黏附性大于基质沥青和SBR改性乳化沥青蒸发残留物.