包惠明，呂總威，張亦敏

（桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引 言

近年來(lái)，為適應(yīng)中國(guó)公路交通車輛荷載需要，提高路用性能，許多新方法、新材料應(yīng)運(yùn)而生。為了得到性能更優(yōu)良的改性瀝青，越來(lái)越多的材料被用作瀝青改性劑，如SBS、PE、SBR、EVA及膠粉等。原健安等［1－2］應(yīng)用BBR和DSR流變儀研究了SBS劑量對(duì)改性瀝青性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)改性瀝青的高、低溫性能隨著SBS劑量的增大而提高，而這些均與改性瀝青的亞微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)；曹衛(wèi)東等［3］在室內(nèi)進(jìn)行了廢舊橡膠顆粒改性瀝青混合料試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)摻加1%～3%的廢舊橡膠顆粒，可使瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能均得到改善。目前，溫拌瀝青成為道路界研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，溫拌技術(shù)主要有3種：有機(jī)黏附、發(fā)泡瀝青黏附和表面活性黏附。由于其核心技術(shù)及技術(shù)細(xì)節(jié)尚處于保密階段，國(guó)內(nèi)溫拌技術(shù)的應(yīng)用主要還是依靠造價(jià)較貴的國(guó)外溫拌劑，其推廣應(yīng)用受到極大的限制。因此，開發(fā)性能穩(wěn)定、造價(jià)相對(duì)低廉的溫拌劑成為各大機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)［4－8］。赤泥是氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)的廢渣，廣西平果鋁業(yè)公司年產(chǎn)氧化鋁200萬(wàn)t，年排放赤泥量近200萬(wàn)t，國(guó)內(nèi)外已將赤泥應(yīng)用于冶金、建材、農(nóng)業(yè)環(huán)保等行業(yè)［9－10］。赤泥富含溫拌瀝青所需要的鋁硅酸成分，一旦改性成功，對(duì)溫拌瀝青推廣具有重要的價(jià)值。筆者從赤泥的綜合利用及環(huán)保角度出發(fā)，認(rèn)為在瀝青中摻入赤泥材料來(lái)改善其黏性與溫度敏感性經(jīng)濟(jì)、合理、可行，故本文選用廣西平果鋁廠的赤泥，制備5組不同比例的改性瀝青試樣，利用布氏黏度試驗(yàn)得到其黏度值，進(jìn)一步分析赤泥摻量及剪切率對(duì)瀝青黏度的影響，并利用黏度值與溫度的關(guān)系在不同溫標(biāo)下線性擬合出黏溫指數(shù)（VTS），對(duì)5種改性瀝青的溫度敏感性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)的基質(zhì)瀝青是中國(guó)石化股份有限公司茂名分公司生產(chǎn)的“東海牌”70＃A級(jí)道路石油瀝青，軟化點(diǎn)為48.5℃，10℃延度為41.5cm，針入度為6.5mm；赤泥采用廣西平果鋁廠利用拜耳法出廠的新赤泥；將基質(zhì)瀝青與不同摻量的赤泥混合并制成瀝青膠漿。赤泥的原礦成分見表1。

表1 赤泥的主要化學(xué)成分含量

1.2 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.2.1 基質(zhì)瀝青

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JGT E20—2011）中T 0602—2011的方法準(zhǔn)備瀝青試樣，稱取適量瀝青分裝在盛樣容器中，在烘箱中加熱至140℃左右保溫備用。

1.2.2 改性瀝青膠漿的制備

首先，將赤泥放置在烘箱中做干燥處理；然后，稱取6組適量140℃的基質(zhì)瀝青，加入占瀝青質(zhì)量3%、5%、7%、9%、11%的赤泥于相應(yīng)的基質(zhì)瀝青盛樣容器中，機(jī)械攪拌15～20min使赤泥分散溶解；最后使用LBH－3B型全自動(dòng)高速改性瀝青乳化剪切機(jī)攪拌40min，使得赤泥在高速剪切狀態(tài)下融入瀝青中，并發(fā)生溶脹作用，達(dá)到很好的混溶效果，剪切機(jī)的轉(zhuǎn)速為10 000r·min－1。分別制備了5組赤泥改性瀝青，另一組為基質(zhì)瀝青，共6組瀝青試樣。

1.2.3 試驗(yàn)方法

本文采用上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的NDJ－1C型布氏黏度儀，按T 0625—2011瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)（布洛克菲爾德黏度計(jì)法）來(lái)測(cè)定不同摻量下的赤泥改性瀝青在不同溫度（60℃、70℃、80℃、90℃、110℃、135℃、160℃、175℃）的黏度。該儀器的測(cè)量范圍為100～2×106mPa·s（測(cè)量誤差為±1%，重復(fù)性誤差為±0.5%），控溫范圍為（20±0.1）℃～（200±0.1）℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)定了4檔（分別為5、10、20、50r·min－1），配有 4 個(gè)轉(zhuǎn)子型號(hào)（21＃、27＃、28＃、29＃），其基本幾何參數(shù)見表2。

表2 NDJ－1C型黏度儀轉(zhuǎn)子幾何參數(shù)

對(duì)于轉(zhuǎn)子的選擇，一般溫度較低、轉(zhuǎn)速較小時(shí)采用較小的轉(zhuǎn)子，反之則采用較大的轉(zhuǎn)子；本試驗(yàn)在60℃～175℃溫度范圍內(nèi)測(cè)定2種不同改性瀝青的黏度時(shí)，低于100℃采用29＃轉(zhuǎn)子，100℃以上則采用21＃轉(zhuǎn)子。

取出其中一組改性瀝青盛樣容器，適當(dāng)攪拌，按轉(zhuǎn)子型號(hào)所要求的體積向黏度計(jì)的盛樣筒中添加瀝青試樣，將相應(yīng)轉(zhuǎn)子與瀝青盛樣筒一起置于135℃左右的烘箱中保溫，維持1.5h，之后再將轉(zhuǎn)子和瀝青盛樣筒安裝在黏度計(jì)上，降低黏度計(jì)，使轉(zhuǎn)子插入盛樣筒的瀝青液面中至規(guī)定高度；同時(shí)，設(shè)定試驗(yàn)所需的平衡溫度，將盛于筒內(nèi)的瀝青試樣在恒溫容器中培養(yǎng)20min。

2 赤泥摻量和剪切率對(duì)黏度的影響

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JGT E20—2011）中 T0625—2011的方法進(jìn)行試驗(yàn)，得到的黏度試驗(yàn)結(jié)果見表3。

2.1 赤泥摻量的影響

根據(jù)黏度試驗(yàn)結(jié)果繪制了基質(zhì)瀝青與不同摻量的赤泥改性瀝青在不同溫度下的黏度變化曲線，見圖1。

圖1 赤泥摻量對(duì)瀝青黏度影響曲線

根據(jù)圖1可知，瀝青黏度隨赤泥摻量的變化而變化，且加入赤泥的改性瀝青黏度普遍要高于基質(zhì)瀝青，這是因?yàn)椋喊荻ǔ嗄嗪罅糠惖V物［11－12］，該氟石類礦物相（如赤鐵礦、水化石榴石、鈣鈦礦等）屬于多孔物質(zhì)，增大了赤泥的比表面積，具有高于粉煤灰的活性，黏結(jié)強(qiáng)度提高；并且文獻(xiàn)［13］研究表明，赤泥中所含的氧化物成分（如氧化鈣、二氧化硅等）可以提高瀝青的高溫穩(wěn)定性和抗車轍能力，即能夠提高瀝青的黏度。當(dāng)赤泥摻量達(dá)到5%時(shí)，在70℃、90℃、110℃、135℃、160℃溫度下，其改性瀝青黏度值最大，出現(xiàn)峰值拐點(diǎn)，相比較于基質(zhì)瀝青，黏度值分別增加了4.6%、7.2%、8.3%、7.21%、4.4%，其中在110℃時(shí)瀝青的黏度值得到明顯提高，當(dāng)赤泥摻量由5%增加至11%時(shí)，瀝青黏度值有所下降。這一方面說(shuō)明了此時(shí)拜耳法赤泥中富含各種氧化物，加入到瀝青中之后提高了整個(gè)瀝青體系的剛性，使得瀝青分子鏈溫度運(yùn)動(dòng)的敏感性降低，阻止瀝青分子鏈的流動(dòng)變形，其黏性成分減少；另一方面，超過(guò)一定摻量時(shí)，瀝青與赤泥之間發(fā)生了一定的相分離，一部分赤泥粒子均勻地分布于瀝青中，而少部分則不能被充分吸附，瀝青與赤泥之間的界面作用不會(huì)隨之增加。從表面能角度來(lái)看，分散相有選擇地吸附瀝青中能夠降低其表面能的物質(zhì)在兩相表面上。在80℃時(shí)，摻入11%的赤泥相較于基質(zhì)瀝青黏度提高了4.03%。同時(shí)，無(wú)論是基質(zhì)瀝青或是加入赤泥的改性瀝青，其黏度隨著溫度的升高而減小，這主要體現(xiàn)了瀝青的流變特性，尤其是70℃黏度與其高溫黏度的數(shù)值相差太大：如5%赤泥改性瀝青在溫度為70℃時(shí)的黏度值為81.517Pa·s，而在165℃時(shí)則為0.43Pa·s；而3%的赤泥改性瀝青在70℃、80℃、110℃、135℃的黏度相較于基質(zhì)瀝青分別降低了1.55%、4.23%、7.6%、3.22%，說(shuō)明少量的赤泥能夠吸收瀝青中的油分，使得瀝青體積脹大到原體積的5～10倍［14］，故其黏度比基質(zhì)瀝青略小。綜上可知：摻量為5%的赤泥改性瀝青黏度提高效果最優(yōu)；而3%赤泥改性瀝青能夠在一定程度上起到降黏效果。

2.2 剪切率的影響

通過(guò)赤泥摻量對(duì)瀝青黏度的影響分析可知，5%與11%赤泥摻量對(duì)瀝青黏度的提高有明顯的效果，整理繪制此摻量改性瀝青在各溫度下的黏度變化曲線和溫度高于110℃以后其黏度隨剪切率的變化曲線，見圖2～5。

圖2 兩種赤泥改性瀝青黏度隨溫度的變化曲線

圖3 高于90℃后2種赤泥改性瀝青黏度隨溫度的變化曲線

由圖4、5可以看出：溫度為110℃時(shí)2種改性瀝青黏度隨剪切率的增加而逐漸變小，說(shuō)明此時(shí)瀝青向黏流態(tài)轉(zhuǎn)化，處于擬塑性狀態(tài)，剪切率對(duì)改性瀝青黏度影響較大，其仍是非牛頓流體；當(dāng)溫度為160℃時(shí)，剪切率的增加對(duì)2種改性瀝青黏度的影響減小，總體趨向于水平直線，說(shuō)明瀝青開始逐漸向牛頓流體狀態(tài)轉(zhuǎn)變，且其黏溫特性基本符合牛頓流體特性［15－17］，即此時(shí)可將改性瀝青看作牛頓流體。換言之，在一個(gè)給定的溫度，無(wú)論選用何種剪切率，其黏度均為常數(shù)。一般情況而言，改性瀝青屬于非牛頓流體，而基質(zhì)瀝青在高溫下則屬于牛頓流體，在高溫情況下，可將2種改性瀝青視為同一種牛頓流體，所以在圖2中，當(dāng)溫度上升至135℃以上時(shí)其黏度受溫度的影響逐漸減小，溫度繼續(xù)升高2種改性瀝青的黏度相差不大。

圖4 5%摻量赤泥改性瀝青的黏度－剪切率曲線

圖5 11%摻量赤泥改性瀝青的黏度－剪切率曲線

3 赤泥改性瀝青黏溫指數(shù)

溫度對(duì)瀝青黏度有一定影響，目前國(guó)內(nèi)外已有多種方法來(lái)定量描述其黏溫關(guān)系。有傳統(tǒng)的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的線性公式

還可用Walther與Saal推薦的經(jīng)驗(yàn)公式［18］

式中：η為瀝青黏度（Pa·s）；T為攝氏溫度（℃）；TK為開氏溫度（K），TK＝T＋273.13；TR為蘭金氏溫度（R），TR＝1.8T＋491.67；其中回歸系數(shù)m表示黏度隨溫度變化的斜率，即相應(yīng)瀝青的黏溫指數(shù)VTS，記為其中η1、η2為溫度TK1及TK2時(shí)的黏度（Pa·s）；回歸系數(shù)以及公式［19－21］n表示相應(yīng)公式的回歸直線在縱軸上的截距。

根據(jù)圖2可知，改性瀝青的lg（η）與T之間具有一定的非線性關(guān)系，因此基質(zhì)瀝青的線性公式不能直接用于改性瀝青。表4、5計(jì)算了所得溫度值及通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行上述3個(gè)公式擬合后的黏溫指數(shù)值與相關(guān)系數(shù)。性大小很大程度上取決于瀝青的組分。

攝氏溫度／℃ 開氏溫度／K 蘭金氏溫度／R黏度／（Pa·s）3%赤泥 5%赤泥 7%赤泥 9%赤泥 11%赤泥70 343.130 617.670 76.656 81.517 79.430 78.940 78.500 80 353.130 635.670 23.750 24.450 25.000 25.400 25.800 90 363.130 653.670 9.266 9.869 9.397 9.634 9.584 110 383.130 689.670 1.800 2.030 1.970 1.988 1.930 135 408.130 734.670 0.403 0.445 0.440 0.439 0.429 160 433.130 779.670 0.141 0.143 0.137 0.138 0.141

擬合公式 參數(shù) 3%赤泥 5%赤泥 7%赤泥 9%赤泥 11%赤泥黏溫指數(shù) －0.030 11 －0.030 14 －0.030 25 －0.030 28 －0.030 25式（1）相關(guān)系數(shù)0.973 5 0.977 2 0.977 5 0.978 2 0.976 5黏溫指數(shù)式（2）－3.535 －3.518 －3.544 －3.546 －3.538相關(guān)系數(shù)0.999 4 0.999 8 0.999 9 1.0 0.999 8黏溫指數(shù)式（3）－3.535 －3.518 －3.544 －3.546 －3.538相關(guān)系數(shù)0.999 4 0.999 8 0.999 9 1.0 0.999 8

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）摻量為5%的赤泥改性瀝青黏度最大，溫度敏感性最小，能夠提高其混合料低溫抗裂性及抗車轍能力；同時(shí)，3%赤泥摻入能夠起到降黏作用。當(dāng)溫度高于135℃時(shí)，赤泥改性瀝青黏度對(duì)溫度的依賴性逐漸減小，且隨著溫度的升高，其黏度受剪切率的影響逐漸變小。

（2）建議采用開氏溫標(biāo)下的黏溫指數(shù)公式評(píng)價(jià)赤泥改性瀝青的溫度敏感性。赤泥改性瀝青的合理應(yīng)用能節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，減少環(huán)境的污染，為赤泥的綜合利用提供一個(gè)新的途徑。

（3）赤泥摻量對(duì)瀝青的黏度及溫度敏感性有一定影響，但并不是隨赤泥摻量增加成正比變化，這與赤泥富含氧化物成分密切相關(guān)，因此，其氧化物成分與瀝青分子之間是否存在物理－化學(xué)反應(yīng)還有待于研究，并進(jìn)一步確認(rèn)與瀝青分子發(fā)生作用的具體氧化物成分，為不同地區(qū)的瀝青路面選取合適的改性材料提供參考。