牡蛎壳粉沥青胶浆路用性能研究

杨 博,周 波,程逸寰,张 萌,唐乃膨

(1. 重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074; 2. 重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合工程研究中心,重庆 400074)

0 引 言

如何减少能源的消耗已成为决定我国“双碳”目标实现成功与否的关键要素[1]。同时,可持续发展战略作为我国的基本国策,减少自然资源的消耗和减少建筑能耗已成为未来建筑发展的趋势之一。牡蛎作为一种市场常见的食材,被大众所喜爱,随着我国人们生活水平的提高,牡蛎养殖规模和被需求量逐年迅速提高,年产量增至513万吨[2]。然而,消耗完的牡蛎,除了少量牡蛎壳被用于制作吸附剂、医疗保健和饲料领域外[3],仍有大量的牡蛎壳未进行有效处理,而被肆意堆放,占用了宝贵的土地资源[4]。相关研究表明,牡蛎壳中含有大量建筑行业所需的碳酸钙。同时,我国每年新建和改建的沥青路面建设工作日新月异,对石料和矿料的需求量不断增大。因此,探索利用牡蛎壳作为筑路材料以提升沥青胶结料的路用性能对资源节约型和环境友好型绿色交通行业建设的发展具有重要的理论意义和应用前景。

目前,国内外已有一些学者对牡蛎壳在建筑材料方面的应用进行了研究,E.I.YANG等[5]将牡蛎壳作为细集料加入到水泥混凝土中,证明牡蛎壳作为细集料对抗冻融性和透水性有积极作用;周英明等[6]对比了牡蛎壳作为细集料的混凝土与普通混凝土之间的抗压强度;邹秋月等[7]发现牡蛎壳由大量方解石成分组成,并含有大量2～10 μm微孔,具有较好的吸附性;M.OLIVIA等[8]利用牡蛎壳作为添加剂制成的牡蛎壳混凝土的抗弯拉强度高于一般普通硅酸盐混凝土。

综上所述,牡蛎壳和牡蛎壳粉末在建筑行业的应用和研究多集中于水泥混凝土等方面,而对于在沥青混凝土方面的应用,相关研究相对匮乏。目前,高等级公路路面通常采用长期抗滑性能优异的SMA级配,混合料中矿粉占比高达10%及以上。牡蛎壳作为一种绿色生物质废弃材料,其通过研磨后替代不可再生矿质粉料,不仅有利于保护生态环境,并且成本远低于普通矿质粉料造价。据此,通过不同粉胶比条件下牡蛎壳粉(oyster shell powder,OSP)和白云岩矿粉(dolomite mineral powder,DMP)两种沥青胶浆的路用性能进行对比,以此探索OSP作为沥青矿粉的可行性与合理性。

1 原材料试验

1.1 沥 青

沥青选用重庆SKA级70#石油沥青,各项技术指标检验参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行,主要指标如表1。

表1 SKA级70#石油沥青的主要技术参数Table 1 Main technical parameters of SKA grade 70 # petroleum asphalt

1.2 填 料

试验采用牡蛎壳产自福建省厦门市,将其使用刷子和清水清洗掉表面有机质物过后,将其置于105 ℃烘箱中烘至恒重,使用锤子锤碎,通过机械研磨后过筛,制成OSP,如图1,相应物理参数测试结果如表2。

图1 牡蛎壳及OSPFig. 1 Oyster shells and OSP

表2 填料的筛分、表观密度及亲水系数试验结果Table 2 Test results of packing screen and apparent density and hydrophilic coefficient

由表2可知:OSP的密度要低于DMP,其比表面积更大,相应亲水系数也明显小于DMP,说明OSP表面的亲油基化学键更为丰富,对沥青的黏结作用相对更强。

1.3 微观特性

红外光谱XRD试验结果如表3,OSP结晶相主要为CaCO3组成,含少量的ZnO和Al2O3等矿物成分,整体属于易溶于酸的结晶,由于沥青中含有大量的酸酐,这将使OSP与沥青之间发生良好的化学吸附作用。DMP同样是一种碳酸盐矿物,其95.41%成分为MgCa(CO3)2,但其中含有4.59%的酸性氧化物SiO2,有碍于与沥青结合。

表3 主要化学成分及相对含量Table 3 Main chemical components and their relative contents

图2中SEM扫描结果显示:DMP颗粒表面十分光滑,结构更紧凑,而OSP颗粒表面更为粗糙,且是片层状结构,拥有更大的比表面积,致使其吸附性能更好,能吸附更多的自由沥青。

图2 SEM扫描结果Fig. 2 Results of SEM

2 高温稳定性

2.1 试样制备

将OSP和DMP两种填料按粉胶比为0.6、0.8、1.0、1.2和1.4,制备5种不同粉胶比沥青胶浆。将填料放入烘箱中在105 ℃下加热6 h烘至恒重,然后将基质沥青和填料一起加热到150 ℃,按不同粉胶比称量好的填料分次加入,将试样放于油浴锅中保持145±5 ℃,使用小型剪切机按1 000 (r/min)搅拌15 min作为试样。

2.2 动态剪切流变试验

以应变控制模式,按规范[9]中建议将应变值取12%进行DSR试验。其中,角速度为10 rad/s,频率为1.59 Hz,试样直径为25 mm,厚度1mm,从52 ℃开始,每隔6 ℃扫描记录一次数据[10],直到82 ℃,相应抗车辙因子G*/sinδ的结果对比如图3。

图3 高温抗车辙因子Fig. 3 High temperature anti-rutting factor

从图3结果显示:在温度和粉胶比相同的条件下,与DMP沥青胶浆相比,OSP沥青胶浆的G*/sinδ整体提高3.4%～71.4%,具有更优的抗车辙能力。同时,从图4结果显示:不同粉胶比条件下的OSP沥青胶浆G*/sinδ随温度升高逐渐降低;在52～64 ℃,随着OSP沥青胶浆的粉胶比从0.6提升到1.4时,G*/sinδ分别提高了37.53、15.23、7.23 kPa,而在70～82 ℃,G*/sinδ随粉胶比的增大提升不明显。

图4 OSP沥青胶浆不同粉胶比条件下G*/sinδ随温度变化规律Fig. 4 Variation rule of G*/sinδ changing with temperature under different filler-bitumen ratios

2.3 多重应力蠕变恢复试验

根据ASTM中MSCR试验要求[11],在60 ℃的温度下,测试不同粉胶比沥青胶浆在0.1、3.2 kPa两个应力水平下不可恢复蠕变柔量Jnr、恢复率R,并按式(1)计算不可恢复蠕变柔量差Jnr_diff以评价其抵抗永久变形的能力,结果如图5。

图5 MSCR试验结果分析Fig. 5 Analysis of MSCR test results

(1)

式中:Jnr,3 200和Jnr,100分别为3.2 kPa和0.1 kPa应力状态下的不可恢复蠕变柔量。

OSP和DMP填料的添加可以显著降低沥青的Jnr,同时两种沥青胶浆的不可恢复蠕变柔量均随着粉胶比的增加而降低,如图5(a);蠕变回复率R随着粉胶比呈现增大的趋势,DMP沥青胶浆的R整体比OSP低,当粉胶比1.2和1.4时,不同应力试验条件下的OSP沥青胶浆的R比DMP沥青胶浆相应结果提高17.0%～47.2%,如图5(b);OSP沥青胶浆的Jnr_diff在各个粉胶比都低于DMP沥青胶浆相应结果,说明OSP沥青胶浆具有更优的力学稳定性。当在粉胶比为1.4时,Jnr_diff接近0,相关研究表明[12]可以此作为沥青胶浆最大粉胶比的依据。同时,结合图4中DSR试验结果发现,OSP胶浆粉胶比取1.4时,不同温度条件下相应的G*/sinδ均为最高,表明仅从高温性能角度考虑,1.4可作为最佳的粉胶比值。

3 低温性能

在-6 ℃和-12 ℃条件下进一步通过BBR试验[13]测定OSP和DMP沥青胶浆的弯曲蠕变劲度模量S和蠕变速率m值,用以评价沥青胶浆的低温抗裂性能[14],结果如图6。

图6 BBR试验结果分析Fig. 6 Analysis of BBR test results

从图6(a)可知,试验温度为-6 ℃时,随粉胶比从0.6增至1.4,OSP和DMP沥青胶浆的m呈下降趋势,平均下降6.52%。而试验温度为-12 ℃条件下,各沥青胶浆的m随粉胶比变化不明显。同等温度和粉胶比情况下,OSP沥青胶浆的蠕变速率整体比DMP沥青胶浆相应结果小5.04%左右。从图6(b)结果可知,OSP沥青胶浆和DMP沥青胶浆的劲度模量在-6 ℃和-12 ℃的条件下均随着粉胶比的增大而增大,且OSP沥青胶浆劲度模量整体比DMP劲度模量大10.34%以上。同时,OSP沥青胶浆随着粉胶比从1.0增至1.2,-6 ℃和-12 ℃对应劲度模量增长分别为1.96%和4.07%,增长十分平缓,此时OSP沥青胶浆在-12 ℃条件下其劲度模量为256 MPa <300 MPa,且m等于0.454>0.300,表明粉胶比为1.2的OSP沥青胶浆满足较好的抗裂性能要求[15]。因此,综合低温性能分析结果,OSP沥青胶浆的粉胶比推荐值建议为1.2。

4 施工温度研究

通过布氏黏度仪测定了粉胶比为1.2的OSP沥青胶浆在135、145、155、165、175 ℃共5个温度下的布氏黏度,以此建立黏度-温度曲线,如图7。在此基础上,根据JTG F 40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中规定,当胶浆的黏度分别为0.17±0.02 Pa·s和0.28±0.03 Pa·s时对应的温度区间可作为拌和温度和摊铺温度范围,按线性插值得到OSP沥青胶浆拌和温度为158.6～163.3 ℃,摊铺温度为152.1～154.0 ℃。

图7 黏度-温度曲线Fig. 7 Viscosity-temperature curve

5 结 论

1)通过XRD和物理性能试验得出:OSP结晶相主要为CaCO3,含少量的ZnO和Al2O3等矿物成分,与DMP相比,OSP的密度和亲水更小,而比表面积更大。同时,SEM结果表明,OSP颗粒表面更为粗糙,呈片层状结构,能吸附更多的自由沥青。

2)DSR试验结果显示,OSP沥青胶浆的G*/sinδ较DMP沥青胶浆相应结果整体提高3.4%～71.4%,具有更优的高温抗车辙能力;MSCR试验显示,不同应力试验条件下的OSP沥青胶浆的恢复率R比DMP沥青胶浆相应结果更大,特别当粉胶比为1.2～1.4时,R提高17.0%～47.2%。并且,不同粉胶比条件下OSP沥青胶浆的Jnr_diff均低于DMP沥青胶浆相应结果,表明OSP沥青胶浆具有更优的力学稳定性。

3)BBR低温性能试验显示,同等温度和粉胶比情况下,OSP沥青胶浆的蠕变速率m整体比DMP沥青胶浆相应结果小5.04%左右,且OSP沥青胶浆劲度模量整体比DMP沥青胶浆相应结果多10.34%以上,说明OSP的低温性能要略逊于DMP。当粉胶比取1.2时,OSP沥青胶浆在-12 ℃时劲度模量为256 MPa<300 MPa,且m为0.454>0.300,满足抗裂性能要求。结合高温性能测试,OSP沥青胶浆的最佳粉胶比建议取1.2。

4)通过布氏黏度仪建立了OSP沥青胶浆的黏度-温度曲线,据此按线性插值得到OSP沥青胶浆拌和温度为158.6～163.3 ℃,摊铺温度为152.1～154.0 ℃。