赤泥改性沥青黏温特性分析

包惠明，吕总威，张亦敏

（桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004）

0 引 言

近年来，为适应中国公路交通车辆荷载需要，提高路用性能，许多新方法、新材料应运而生。为了得到性能更优良的改性沥青，越来越多的材料被用作沥青改性剂，如SBS、PE、SBR、EVA及胶粉等。原健安等［1－2］应用BBR和DSR流变仪研究了SBS剂量对改性沥青性质的影响，发现改性沥青的高、低温性能随着SBS剂量的增大而提高，而这些均与改性沥青的亚微观结构有关；曹卫东等［3］在室内进行了废旧橡胶颗粒改性沥青混合料试验，发现掺加1%～3%的废旧橡胶颗粒，可使沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性能均得到改善。目前，温拌沥青成为道路界研究的重点和热点，温拌技术主要有3种：有机黏附、发泡沥青黏附和表面活性黏附。由于其核心技术及技术细节尚处于保密阶段，国内温拌技术的应用主要还是依靠造价较贵的国外温拌剂，其推广应用受到极大的限制。因此，开发性能稳定、造价相对低廉的温拌剂成为各大机构研究的热点［4－8］。赤泥是氧化铝工业生产的废渣，广西平果铝业公司年产氧化铝200万t，年排放赤泥量近200万t，国内外已将赤泥应用于冶金、建材、农业环保等行业［9－10］。赤泥富含温拌沥青所需要的铝硅酸成分，一旦改性成功，对温拌沥青推广具有重要的价值。笔者从赤泥的综合利用及环保角度出发，认为在沥青中掺入赤泥材料来改善其黏性与温度敏感性经济、合理、可行，故本文选用广西平果铝厂的赤泥，制备5组不同比例的改性沥青试样，利用布氏黏度试验得到其黏度值，进一步分析赤泥掺量及剪切率对沥青黏度的影响，并利用黏度值与温度的关系在不同温标下线性拟合出黏温指数（VTS），对5种改性沥青的温度敏感性进行分析评价。

1 试 验

1.1 试验材料

本试验的基质沥青是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，软化点为48.5℃，10℃延度为41.5cm，针入度为6.5mm；赤泥采用广西平果铝厂利用拜耳法出厂的新赤泥；将基质沥青与不同掺量的赤泥混合并制成沥青胶浆。赤泥的原矿成分见表1。

表1 赤泥的主要化学成分含量

1.2 试样制备与试验方法

1.2.1 基质沥青

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JGT E20—2011）中T 0602—2011的方法准备沥青试样，称取适量沥青分装在盛样容器中，在烘箱中加热至140℃左右保温备用。

1.2.2 改性沥青胶浆的制备

首先，将赤泥放置在烘箱中做干燥处理；然后，称取6组适量140℃的基质沥青，加入占沥青质量3%、5%、7%、9%、11%的赤泥于相应的基质沥青盛样容器中，机械搅拌15～20min使赤泥分散溶解；最后使用LBH－3B型全自动高速改性沥青乳化剪切机搅拌40min，使得赤泥在高速剪切状态下融入沥青中，并发生溶胀作用，达到很好的混溶效果，剪切机的转速为10 000r·min－1。分别制备了5组赤泥改性沥青，另一组为基质沥青，共6组沥青试样。

1.2.3 试验方法

本文采用上海昌吉地质仪器有限公司生产的NDJ－1C型布氏黏度仪，按T 0625—2011沥青旋转黏度试验（布洛克菲尔德黏度计法）来测定不同掺量下的赤泥改性沥青在不同温度（60℃、70℃、80℃、90℃、110℃、135℃、160℃、175℃）的黏度。该仪器的测量范围为100～2×106mPa·s（测量误差为±1%，重复性误差为±0.5%），控温范围为（20±0.1）℃～（200±0.1）℃，转子转速设定了4档（分别为5、10、20、50r·min－1），配有 4 个转子型号（21＃、27＃、28＃、29＃），其基本几何参数见表2。

表2 NDJ－1C型黏度仪转子几何参数

对于转子的选择，一般温度较低、转速较小时采用较小的转子，反之则采用较大的转子；本试验在60℃～175℃温度范围内测定2种不同改性沥青的黏度时，低于100℃采用29＃转子，100℃以上则采用21＃转子。

取出其中一组改性沥青盛样容器，适当搅拌，按转子型号所要求的体积向黏度计的盛样筒中添加沥青试样，将相应转子与沥青盛样筒一起置于135℃左右的烘箱中保温，维持1.5h，之后再将转子和沥青盛样筒安装在黏度计上，降低黏度计，使转子插入盛样筒的沥青液面中至规定高度；同时，设定试验所需的平衡温度，将盛于筒内的沥青试样在恒温容器中培养20min。

2 赤泥掺量和剪切率对黏度的影响

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JGT E20—2011）中 T0625—2011的方法进行试验，得到的黏度试验结果见表3。

2.1 赤泥掺量的影响

根据黏度试验结果绘制了基质沥青与不同掺量的赤泥改性沥青在不同温度下的黏度变化曲线，见图1。

图1 赤泥掺量对沥青黏度影响曲线

根据图1可知，沥青黏度随赤泥掺量的变化而变化，且加入赤泥的改性沥青黏度普遍要高于基质沥青，这是因为：拜耳法赤泥含大量氟石类矿物［11－12］，该氟石类矿物相（如赤铁矿、水化石榴石、钙钛矿等）属于多孔物质，增大了赤泥的比表面积，具有高于粉煤灰的活性，黏结强度提高；并且文献［13］研究表明，赤泥中所含的氧化物成分（如氧化钙、二氧化硅等）可以提高沥青的高温稳定性和抗车辙能力，即能够提高沥青的黏度。当赤泥掺量达到5%时，在70℃、90℃、110℃、135℃、160℃温度下，其改性沥青黏度值最大，出现峰值拐点，相比较于基质沥青，黏度值分别增加了4.6%、7.2%、8.3%、7.21%、4.4%，其中在110℃时沥青的黏度值得到明显提高，当赤泥掺量由5%增加至11%时，沥青黏度值有所下降。这一方面说明了此时拜耳法赤泥中富含各种氧化物，加入到沥青中之后提高了整个沥青体系的刚性，使得沥青分子链温度运动的敏感性降低，阻止沥青分子链的流动变形，其黏性成分减少；另一方面，超过一定掺量时，沥青与赤泥之间发生了一定的相分离，一部分赤泥粒子均匀地分布于沥青中，而少部分则不能被充分吸附，沥青与赤泥之间的界面作用不会随之增加。从表面能角度来看，分散相有选择地吸附沥青中能够降低其表面能的物质在两相表面上。在80℃时，掺入11%的赤泥相较于基质沥青黏度提高了4.03%。同时，无论是基质沥青或是加入赤泥的改性沥青，其黏度随着温度的升高而减小，这主要体现了沥青的流变特性，尤其是70℃黏度与其高温黏度的数值相差太大：如5%赤泥改性沥青在温度为70℃时的黏度值为81.517Pa·s，而在165℃时则为0.43Pa·s；而3%的赤泥改性沥青在70℃、80℃、110℃、135℃的黏度相较于基质沥青分别降低了1.55%、4.23%、7.6%、3.22%，说明少量的赤泥能够吸收沥青中的油分，使得沥青体积胀大到原体积的5～10倍［14］，故其黏度比基质沥青略小。综上可知：掺量为5%的赤泥改性沥青黏度提高效果最优；而3%赤泥改性沥青能够在一定程度上起到降黏效果。

2.2 剪切率的影响

通过赤泥掺量对沥青黏度的影响分析可知，5%与11%赤泥掺量对沥青黏度的提高有明显的效果，整理绘制此掺量改性沥青在各温度下的黏度变化曲线和温度高于110℃以后其黏度随剪切率的变化曲线，见图2～5。

图2 两种赤泥改性沥青黏度随温度的变化曲线

图3 高于90℃后2种赤泥改性沥青黏度随温度的变化曲线

由图4、5可以看出：温度为110℃时2种改性沥青黏度随剪切率的增加而逐渐变小，说明此时沥青向黏流态转化，处于拟塑性状态，剪切率对改性沥青黏度影响较大，其仍是非牛顿流体；当温度为160℃时，剪切率的增加对2种改性沥青黏度的影响减小，总体趋向于水平直线，说明沥青开始逐渐向牛顿流体状态转变，且其黏温特性基本符合牛顿流体特性［15－17］，即此时可将改性沥青看作牛顿流体。换言之，在一个给定的温度，无论选用何种剪切率，其黏度均为常数。一般情况而言，改性沥青属于非牛顿流体，而基质沥青在高温下则属于牛顿流体，在高温情况下，可将2种改性沥青视为同一种牛顿流体，所以在图2中，当温度上升至135℃以上时其黏度受温度的影响逐渐减小，温度继续升高2种改性沥青的黏度相差不大。

图4 5%掺量赤泥改性沥青的黏度－剪切率曲线

图5 11%掺量赤泥改性沥青的黏度－剪切率曲线

3 赤泥改性沥青黏温指数

温度对沥青黏度有一定影响，目前国内外已有多种方法来定量描述其黏温关系。有传统的半对数坐标下的线性公式

还可用Walther与Saal推荐的经验公式［18］

式中：η为沥青黏度（Pa·s）；T为摄氏温度（℃）；TK为开氏温度（K），TK＝T＋273.13；TR为兰金氏温度（R），TR＝1.8T＋491.67；其中回归系数m表示黏度随温度变化的斜率，即相应沥青的黏温指数VTS，记为其中η1、η2为温度TK1及TK2时的黏度（Pa·s）；回归系数以及公式［19－21］n表示相应公式的回归直线在纵轴上的截距。

根据图2可知，改性沥青的lg（η）与T之间具有一定的非线性关系，因此基质沥青的线性公式不能直接用于改性沥青。表4、5计算了所得温度值及通过MATLAB软件进行上述3个公式拟合后的黏温指数值与相关系数。性大小很大程度上取决于沥青的组分。

摄氏温度／℃ 开氏温度／K 兰金氏温度／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

拟合公式 参数 3%赤泥 5%赤泥 7%赤泥 9%赤泥 11%赤泥黏温指数 －0.030 11 －0.030 14 －0.030 25 －0.030 28 －0.030 25式（1）相关系数0.973 5 0.977 2 0.977 5 0.978 2 0.976 5黏温指数式（2）－3.535 －3.518 －3.544 －3.546 －3.538相关系数0.999 4 0.999 8 0.999 9 1.0 0.999 8黏温指数式（3）－3.535 －3.518 －3.544 －3.546 －3.538相关系数0.999 4 0.999 8 0.999 9 1.0 0.999 8

4 结 语

（1）掺量为5%的赤泥改性沥青黏度最大，温度敏感性最小，能够提高其混合料低温抗裂性及抗车辙能力；同时，3%赤泥掺入能够起到降黏作用。当温度高于135℃时，赤泥改性沥青黏度对温度的依赖性逐渐减小，且随着温度的升高，其黏度受剪切率的影响逐渐变小。

（2）建议采用开氏温标下的黏温指数公式评价赤泥改性沥青的温度敏感性。赤泥改性沥青的合理应用能节约经济成本，减少环境的污染，为赤泥的综合利用提供一个新的途径。

（3）赤泥掺量对沥青的黏度及温度敏感性有一定影响，但并不是随赤泥掺量增加成正比变化，这与赤泥富含氧化物成分密切相关，因此，其氧化物成分与沥青分子之间是否存在物理－化学反应还有待于研究，并进一步确认与沥青分子发生作用的具体氧化物成分，为不同地区的沥青路面选取合适的改性材料提供参考。