基于化学指标的矿粉质量评价技术应用研究

张苏龙

（江苏高速公路工程养护技术有限公司，江苏 南京 210000）

1 引言

矿粉作为沥青混合料中的填料，其与沥青形成沥青胶浆，起到填充混合料空隙、增加强度、提高稳定性的作用。目前，我国主要采用石灰岩经研磨后生产矿粉，但是不同地区的石灰岩种类、加工工艺的不同，导致生产出来的矿粉指标存在差异。此外，近年来随着我国环保措施的加强，一些砂石宕口被迫关闭，矿粉的供应日趋紧张，向矿粉中添加回收粉、如生石灰等碱性物质是常见的掺假手段，导致当前对于矿粉质量管控的压力日趋增加，需要进一步丰富和完善矿粉的管控指标对其质量进行有效管控。

目前，国内外对于矿粉的管控指标，通常包含如下几个方面。

物理指标。根据交通运输部《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）、江苏省地方标准《高速公路沥青路面施工技术规范（修订）》（DB32/T 1087-2022）等标准规范，我国采用表观密度、含水量、粒度范围、外观、亲水系数、塑性指数、加热安定性指标对矿粉的质量进行控制。这些物理指标在应用过程中存在一定局限性，如丁保华的研究表明，在某高速公路项目中，存在矿粉物理指标均满足现行规范要求，但是摊铺完成后由于矿粉原因导致路表“泛白”的问题，项目被迫返工，造成了一定经济损失；邢宝东在对12 种矿粉的研究中表明，在物理指标接近的前提下，不同岩性集料生产出的矿粉，其微观形貌、棱角性等指标仍具有明显差异，进而会影响沥青胶浆的高温和低温性能。

化学指标。经过调研，美国、欧洲等地区对于矿粉的质量控制，均制定了一些化学指标进行控制，如美国在NCHRP 09-45 报告中，对于矿粉提出了氧化钙含量、亚甲蓝值的要求，欧盟也有亚甲蓝值、碳酸钙含量、氢氧化钙含量等要求。王龙等人的研究表明，矿粉中碳酸钙的含量对于胶浆的模量、粘结力有着重要影响，影响程度要高于塑性指数和细度指标；张吉哲等人通过XRD 试验分析了玄武岩、石灰岩、花岗岩三种矿粉的化学组成，论证了化学组成的差异会影响矿粉的酸碱度，进而影响沥青胶浆与集料之间的粘结效果。

综上，从目前的研究现状可以看到，我国对于矿粉的指标控制目前以物理指标为主，国外相比我国增加了如氧化钙等成分的含量、亚甲蓝值等化学指标，近年来，一些学者也从化学成分等方面分析了对矿粉路用性能的影响，但是目前，通过化学指标鉴别矿粉中可能的掺假物质，进而对其质量进行有效管控的研究仍有待进一步深入和验证。

针对目前研究中存在的不足，文章探索针对我国高等级公路的建设与养护需求，收集多种矿粉样品，以及可能对矿粉质量产生不利影响的回收粉、废石膏、生石灰等原材料，从化学成分的角度，利用红外光谱、pH、EDTA 滴定等方法，基于化学指标论证对矿粉质量评价的有效性和区分度，为进一步提升建设质量提供新的技术保障措施。

2 原材料与试验方案

2.1 原材料

文章收集了江苏省目前在建的几条高速、干线及养护项目所采用的6 种矿粉，矿粉的产地分别来自泰州、淮安、南通等地，编号为KF-1～KF-6；在拌合楼生产过程中，通过除尘会收集大量的回收粉，结合工程经验，少量的回收粉可替代矿粉使用，但是其掺量需要严格控制，作为可能的矿粉添加物，文章在拌合楼实地收集了3 种回收粉，编号为HSF-1～ HSF-3。此外，结合工程经验，为了提升矿粉与沥青之间的粘结性，矿粉厂家在生产过程中，可能会掺加一些低成本、碱性的粉末，如生石灰等，并且在多年的公路建设监管过程中，已发现混入废旧石膏粉的情况。因此本项目收集了废石膏、生石灰两种材料，作为可能引起矿粉pH 值增加的添加物，进行比对实验。

2.2 红外光谱检测

采用红外光谱试验，分别对6 种矿粉、3 种回收粉，以及废石膏、生石灰进行检测，通过特征峰的位置，对检测的有效性进行评估。固体粉末的红外光谱检测按如下步骤进行，详见图1。

图1 实验照片

①采用清洗剂清洁ATR 晶片，待液体完全挥发后进行背景扫描测试；②使用平头铲蘸取适量矿粉样品，均匀洒布在清洗干净的ATR 晶片表面；③确保矿粉样品完全覆盖ATR 晶片，并用平头铲将矿粉样品轻轻压平；④将ATR 晶片放置于红外光谱样品架中，将样品架放入红外光谱仪样品室进行测试；⑤保存测试结果，所得到的红外光谱图中应标识出矿粉样品的特征官能团的位置和峰高信息；⑥一个矿粉样品共进行3 次平行试验，采集3 次红外光谱图。

2.3 酸碱度检测

为了进一步探究矿粉、回收粉化学成分间的差异，采用pH 试纸法和酸度计法分别对矿粉的pH 值进行测试，试验对象为不同掺量下的废石膏与矿粉、生石灰与KF-2 的混合料（添加物掺量为内掺，比例为0%、20%、40%、60%、80%和100%），试验步骤如下：①称取通过0.6 mm 筛的风干固体粉末样品10 g，放入具塞的广口瓶中，加水50 mL（矿粉和水质量比为1∶5），振荡3 min，静置30 min；②使用酸度计时，将25～30 mL 的矿粉悬液盛于50 mL 烧杯中，然后将已校正完毕的玻璃电极、甘汞电极（或复合电极）插入杯中，在玻璃棒搅拌的同时从酸度计的表盘（或数字显示器）上直接测定出pH 值，读数稳定时记录pH 值数据，准确至0.01；③使用精密pH 试纸时，取两条pH 试纸置于干燥的玻璃板上，用玻璃棒蘸取少许悬液的上清液，涂抹于试纸上，10 s 钟后与标准比色卡比对读数，准确至0.1。

2.4 碳酸钙含量检测

参照安徽省地方标准《排水降噪型沥青混合料SMA 设计与施工技术规范》 （DB34/T 3840-2021）中附录B，填料碳酸钙含量试验方法，基于EDTA 滴定的方式测定固体粉末中的碳酸钙含量，试验对象为收集的6 种矿粉和3 种回收粉。

3 试验结果分析

3.1 矿粉与回收粉的物理指标对比

根据交通运输部《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的要求，对不同的矿粉、回收粉进行了表观相对密度、亲水系数、塑性指数、含水量和筛分试验，其中，表观密度、亲水系数差异较小，塑性指数及筛分结果如表1 所示。

表1 矿粉和回收粉的塑性指数与筛分试验结果

由表1 分析可知：测试的6 种矿粉和3 种回收粉的各项基本技术指标均满足规范要求，其中6 种矿粉的塑性指数平均数为2.8，3 种回收粉的塑性指数平均数为6.0，约为矿粉的2 倍。回收粉在0.075 mm 的通过率比矿粉增加了约6%，说明回收粉与矿粉的粗细程度具有明显差别。

3.2 矿粉与回收粉的红外光谱比较

本项目采用红外光谱仪对6 种矿粉和3 种回收粉进行了测试，结果如图2、图3 所示，对于矿粉和回收粉，重点分析了在1600～600 cm-1波数范围内的吸收峰。

图2 6 种矿粉的红外光谱图

图3 3 种回收粉的红外光谱图

图4 废石膏与生石灰的红外光谱图

根据红外图谱可知，6 种矿粉在1426 cm-1附近表现为宽峰、873 cm-1和710 cm-1附近表现为尖锐吸收峰，查阅资料可知，CaCO3的CO32-在1407 cm-1、712 cm-1、872 cm-1附近存在特征吸收峰，由此推断矿粉含有较多的CaCO3的成分；比较而言，回收粉在1426 cm-1、873 cm-1和710 cm-1附近的特征吸收峰强度较弱，且3 种回收粉在1010 cm-1附近均存在强吸收峰，查阅图谱发现此处代表了硅氧四面体内Si-O-Si 键的伸缩振动，由此推断在回收粉中存在硅酸盐矿物成分；通过6 种矿粉和3 种回收粉红外光谱图对比分析，发现采用红外光谱仪不能有效鉴别不同产地的矿粉，但矿粉与回收粉在1010 cm-1附近的特征吸收峰存在显著差别，说明红外光谱仪可以实现对矿粉和回收粉的定性检测。

3.3 矿粉与废石膏、生石灰的红外光谱分析

将图2 中的6 种矿粉的红外光谱图与生石灰、废石膏红外光谱曲线进行对比，结果如下，分析的波数范围从3800～600 cm-1。

从图中可知，废石膏在1400 cm-1、1200～1100 cm-1、900～800 cm-1、700～600 cm-1附近存在明显的特征峰，通过查表可知1400 cm-1处为Ca2+特征峰，800～900 cm-1为背夹峰，1200～1100 cm-1和700～600 cm-1为SO42-基团峰，与矿粉的红外光谱相比，在700～600 cm-1范围内出现的SO42- 基团峰可用于判断矿粉中是否含有石膏的成分；生石灰在3700～3600 cm-1、1500～1400 cm-1、900～800 cm-1、600 cm-1附近存在明显的特征峰，3700～3600 cm-1为羟基（-OH）特征峰，1500～1400 cm-1为Ca2+特征峰，900～800 cm-1为背夹峰，600 cm-1附近为二硫键伸展振动峰，与矿粉的红外光谱相比，在3700～3600 cm-1范围内出现的羟基可用于判断矿粉中是否含有生石灰的成分。

3.4 酸碱度试验分析

采用精密pH 试纸、酸度计，分别对6 种矿粉和3 种回收粉进行酸碱度检测，实验结果如表2 所示。

表2 矿粉和回收粉的pH 值与碳酸钙含量测试结果

由表2 分析可知，酸度计与pH 值的监测结果基本接近，除矿粉4 外，其余矿粉的pH 值均在8.0～9.0之间，呈弱碱性，而3 种回收粉的pH 值差异较大，其中回收粉2和回收粉3的pH值大于14.0，呈强碱性，回收粉1 的pH 值为11.6，结合红外光谱图分析原因，由于回收粉中存在硅酸盐物质，硅酸盐在水溶液中会发生水解，产生-OH 呈碱性。因此，结合红外光谱测试结果，pH 值可以作为定量评价矿粉化学质量的一项重要指标。

作为可能引起矿粉pH 值增加的添加物，制备了不同掺量下的废石膏与矿粉KF-2、生石灰与矿粉KF-2 的混合料（添加物掺量为内掺，比例为0%、20%、40%、60%、80%和100%），详见表3。

表3 矿粉pH 值随着废石膏、生石灰掺量的变化

由表3 可知：随着石膏比例的增加，溶液pH 值逐渐增大，但随着石灰比例的增加，溶液pH 值几乎不变（在13.4 左右），分析原因，由于石灰呈强碱性，与矿粉混合后溶于水中，导致其上浮液也呈强碱性，而石膏的碱性相较偏弱，与不同比例矿粉混合后溶于水中，其pH 值与掺配比例呈线性规律变化。综上，结合工程经验，建议以pH 值7～10 对矿粉的酸碱度进行控制。

3.5 基于EDTA 滴定法的碳酸钙含量分析

通过对矿粉和回收粉的碳酸钙含量进行测试，结果如表2 所示。由实验结果分析可知，6 种矿粉的CaCO3含量差别较小，均大于90%，而不同项目的回收粉中CaCO3含量均小于90%，因此，CaCO3含量的测定可以显著区分矿粉与回收粉。同时结合欧洲矿粉规范（EN 196-21）中CaCO3含量不小于90%的要求，本项目针对江苏省高速公路矿粉使用要求，建议矿粉中CaCO3含量不小于90%。

4 结论

通过基于化学成分的维度，对不同矿粉、添加物进行了相关实验及数据分析，可以得到以下主要研究结论。

①根据红外光谱测试结果，矿粉和回收粉在1426 cm-1、873 cm-1和710 cm-1附近均存在CaCO3特征吸收峰，此外，回收粉在1010 cm-1附近还存在硅酸盐矿物特征吸收峰，显著区别于矿粉，由此表明红外光谱仪可实现矿粉和回收粉的初步定性检测。②通过在700～600 cm-1、3700～3600 cm-1这两个位置的特征峰来识别矿粉中有无石灰或者氧化钙具有一定的可行性；试验结果表明，pH 随石膏的掺量的增加呈线性关系，而氧化钙碱性较强，其掺量对pH 没有明显影响。③根据酸碱度测试结果，矿粉的pH 值总体上在8.0～9.0 之间，而回收粉pH 值相差较大，有11.6 和大于14.0，因此在红外光谱分析基础上，可采用pH 值准确表征矿粉的化学性质，建议以pH 值7～10 对矿粉的酸碱度进行控制。④采用EDTA 滴定法可以定量表征矿粉和回收粉中CaCO3含量，且不同矿粉与回收粉之间的CaCO3含量存在显著差异，结合欧洲矿粉规范中CaCO3含量的规定，由此提出矿粉中CaCO3含量不小于90%的要求。