楊 博,周 波,程逸寰,張 萌,唐乃膨

(1. 重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074; 2. 重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程研究中心,重慶 400074)

0 引 言

如何減少能源的消耗已成為決定我國“雙碳”目標實現(xiàn)成功與否的關鍵要素[1]。同時,可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略作為我國的基本國策,減少自然資源的消耗和減少建筑能耗已成為未來建筑發(fā)展的趨勢之一。牡蠣作為一種市場常見的食材,被大眾所喜愛,隨著我國人們生活水平的提高,牡蠣養(yǎng)殖規(guī)模和被需求量逐年迅速提高,年產量增至513萬噸[2]。然而,消耗完的牡蠣,除了少量牡蠣殼被用于制作吸附劑、醫(yī)療保健和飼料領域外[3],仍有大量的牡蠣殼未進行有效處理,而被肆意堆放,占用了寶貴的土地資源[4]。相關研究表明,牡蠣殼中含有大量建筑行業(yè)所需的碳酸鈣。同時,我國每年新建和改建的瀝青路面建設工作日新月異,對石料和礦料的需求量不斷增大。因此,探索利用牡蠣殼作為筑路材料以提升瀝青膠結料的路用性能對資源節(jié)約型和環(huán)境友好型綠色交通行業(yè)建設的發(fā)展具有重要的理論意義和應用前景。

目前,國內外已有一些學者對牡蠣殼在建筑材料方面的應用進行了研究,E.I.YANG等[5]將牡蠣殼作為細集料加入到水泥混凝土中,證明牡蠣殼作為細集料對抗凍融性和透水性有積極作用;周英明等[6]對比了牡蠣殼作為細集料的混凝土與普通混凝土之間的抗壓強度;鄒秋月等[7]發(fā)現(xiàn)牡蠣殼由大量方解石成分組成,并含有大量2～10 μm微孔,具有較好的吸附性;M.OLIVIA等[8]利用牡蠣殼作為添加劑制成的牡蠣殼混凝土的抗彎拉強度高于一般普通硅酸鹽混凝土。

綜上所述,牡蠣殼和牡蠣殼粉末在建筑行業(yè)的應用和研究多集中于水泥混凝土等方面,而對于在瀝青混凝土方面的應用,相關研究相對匱乏。目前,高等級公路路面通常采用長期抗滑性能優(yōu)異的SMA級配,混合料中礦粉占比高達10%及以上。牡蠣殼作為一種綠色生物質廢棄材料,其通過研磨后替代不可再生礦質粉料,不僅有利于保護生態(tài)環(huán)境,并且成本遠低于普通礦質粉料造價。據此,通過不同粉膠比條件下牡蠣殼粉(oyster shell powder,OSP)和白云巖礦粉(dolomite mineral powder,DMP)兩種瀝青膠漿的路用性能進行對比,以此探索OSP作為瀝青礦粉的可行性與合理性。

1 原材料試驗

1.1 瀝 青

瀝青選用重慶SKA級70#石油瀝青,各項技術指標檢驗參照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行,主要指標如表1。

表1 SKA級70#石油瀝青的主要技術參數(shù)Table 1 Main technical parameters of SKA grade 70 # petroleum asphalt

1.2 填 料

試驗采用牡蠣殼產自福建省廈門市,將其使用刷子和清水清洗掉表面有機質物過后,將其置于105 ℃烘箱中烘至恒重,使用錘子錘碎,通過機械研磨后過篩,制成OSP,如圖1,相應物理參數(shù)測試結果如表2。

圖1 牡蠣殼及OSPFig. 1 Oyster shells and OSP

表2 填料的篩分、表觀密度及親水系數(shù)試驗結果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,其比表面積更大,相應親水系數(shù)也明顯小于DMP,說明OSP表面的親油基化學鍵更為豐富,對瀝青的黏結作用相對更強。

1.3 微觀特性

紅外光譜XRD試驗結果如表3,OSP結晶相主要為CaCO3組成,含少量的ZnO和Al2O3等礦物成分,整體屬于易溶于酸的結晶,由于瀝青中含有大量的酸酐,這將使OSP與瀝青之間發(fā)生良好的化學吸附作用。DMP同樣是一種碳酸鹽礦物,其95.41%成分為MgCa(CO3)2,但其中含有4.59%的酸性氧化物SiO2,有礙于與瀝青結合。

表3 主要化學成分及相對含量Table 3 Main chemical components and their relative contents

圖2中SEM掃描結果顯示:DMP顆粒表面十分光滑,結構更緊湊,而OSP顆粒表面更為粗糙,且是片層狀結構,擁有更大的比表面積,致使其吸附性能更好,能吸附更多的自由瀝青。

圖2 SEM掃描結果Fig. 2 Results of SEM

2 高溫穩(wěn)定性

2.1 試樣制備

將OSP和DMP兩種填料按粉膠比為0.6、0.8、1.0、1.2和1.4,制備5種不同粉膠比瀝青膠漿。將填料放入烘箱中在105 ℃下加熱6 h烘至恒重,然后將基質瀝青和填料一起加熱到150 ℃,按不同粉膠比稱量好的填料分次加入,將試樣放于油浴鍋中保持145±5 ℃,使用小型剪切機按1 000 (r/min)攪拌15 min作為試樣。

2.2 動態(tài)剪切流變試驗

以應變控制模式,按規(guī)范[9]中建議將應變值取12%進行DSR試驗。其中,角速度為10 rad/s,頻率為1.59 Hz,試樣直徑為25 mm,厚度1mm,從52 ℃開始,每隔6 ℃掃描記錄一次數(shù)據[10],直到82 ℃,相應抗車轍因子G*/sinδ的結果對比如圖3。

圖3 高溫抗車轍因子Fig. 3 High temperature anti-rutting factor

從圖3結果顯示:在溫度和粉膠比相同的條件下,與DMP瀝青膠漿相比,OSP瀝青膠漿的G*/sinδ整體提高3.4%～71.4%,具有更優(yōu)的抗車轍能力。同時,從圖4結果顯示:不同粉膠比條件下的OSP瀝青膠漿G*/sinδ隨溫度升高逐漸降低;在52～64 ℃,隨著OSP瀝青膠漿的粉膠比從0.6提升到1.4時,G*/sinδ分別提高了37.53、15.23、7.23 kPa,而在70～82 ℃,G*/sinδ隨粉膠比的增大提升不明顯。

圖4 OSP瀝青膠漿不同粉膠比條件下G*/sinδ隨溫度變化規(guī)律Fig. 4 Variation rule of G*/sinδ changing with temperature under different filler-bitumen ratios

2.3 多重應力蠕變恢復試驗

根據ASTM中MSCR試驗要求[11],在60 ℃的溫度下,測試不同粉膠比瀝青膠漿在0.1、3.2 kPa兩個應力水平下不可恢復蠕變柔量Jnr、恢復率R,并按式(1)計算不可恢復蠕變柔量差Jnr_diff以評價其抵抗永久變形的能力,結果如圖5。

圖5 MSCR試驗結果分析Fig. 5 Analysis of MSCR test results

(1)

式中:Jnr,3 200和Jnr,100分別為3.2 kPa和0.1 kPa應力狀態(tài)下的不可恢復蠕變柔量。

OSP和DMP填料的添加可以顯著降低瀝青的Jnr,同時兩種瀝青膠漿的不可恢復蠕變柔量均隨著粉膠比的增加而降低,如圖5(a);蠕變回復率R隨著粉膠比呈現(xiàn)增大的趨勢,DMP瀝青膠漿的R整體比OSP低,當粉膠比1.2和1.4時,不同應力試驗條件下的OSP瀝青膠漿的R比DMP瀝青膠漿相應結果提高17.0%～47.2%,如圖5(b);OSP瀝青膠漿的Jnr_diff在各個粉膠比都低于DMP瀝青膠漿相應結果,說明OSP瀝青膠漿具有更優(yōu)的力學穩(wěn)定性。當在粉膠比為1.4時,Jnr_diff接近0,相關研究表明[12]可以此作為瀝青膠漿最大粉膠比的依據。同時,結合圖4中DSR試驗結果發(fā)現(xiàn),OSP膠漿粉膠比取1.4時,不同溫度條件下相應的G*/sinδ均為最高,表明僅從高溫性能角度考慮,1.4可作為最佳的粉膠比值。

3 低溫性能

在-6 ℃和-12 ℃條件下進一步通過BBR試驗[13]測定OSP和DMP瀝青膠漿的彎曲蠕變勁度模量S和蠕變速率m值,用以評價瀝青膠漿的低溫抗裂性能[14],結果如圖6。

圖6 BBR試驗結果分析Fig. 6 Analysis of BBR test results

從圖6(a)可知,試驗溫度為-6 ℃時,隨粉膠比從0.6增至1.4,OSP和DMP瀝青膠漿的m呈下降趨勢,平均下降6.52%。而試驗溫度為-12 ℃條件下,各瀝青膠漿的m隨粉膠比變化不明顯。同等溫度和粉膠比情況下,OSP瀝青膠漿的蠕變速率整體比DMP瀝青膠漿相應結果小5.04%左右。從圖6(b)結果可知,OSP瀝青膠漿和DMP瀝青膠漿的勁度模量在-6 ℃和-12 ℃的條件下均隨著粉膠比的增大而增大,且OSP瀝青膠漿勁度模量整體比DMP勁度模量大10.34%以上。同時,OSP瀝青膠漿隨著粉膠比從1.0增至1.2,-6 ℃和-12 ℃對應勁度模量增長分別為1.96%和4.07%,增長十分平緩,此時OSP瀝青膠漿在-12 ℃條件下其勁度模量為256 MPa <300 MPa,且m等于0.454>0.300,表明粉膠比為1.2的OSP瀝青膠漿滿足較好的抗裂性能要求[15]。因此,綜合低溫性能分析結果,OSP瀝青膠漿的粉膠比推薦值建議為1.2。

4 施工溫度研究

通過布氏黏度儀測定了粉膠比為1.2的OSP瀝青膠漿在135、145、155、165、175 ℃共5個溫度下的布氏黏度,以此建立黏度-溫度曲線,如圖7。在此基礎上,根據JTG F 40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》中規(guī)定,當膠漿的黏度分別為0.17±0.02 Pa·s和0.28±0.03 Pa·s時對應的溫度區(qū)間可作為拌和溫度和攤鋪溫度范圍,按線性插值得到OSP瀝青膠漿拌和溫度為158.6～163.3 ℃,攤鋪溫度為152.1～154.0 ℃。

圖7 黏度-溫度曲線Fig. 7 Viscosity-temperature curve

5 結 論

1)通過XRD和物理性能試驗得出:OSP結晶相主要為CaCO3,含少量的ZnO和Al2O3等礦物成分,與DMP相比,OSP的密度和親水更小,而比表面積更大。同時,SEM結果表明,OSP顆粒表面更為粗糙,呈片層狀結構,能吸附更多的自由瀝青。

2)DSR試驗結果顯示,OSP瀝青膠漿的G*/sinδ較DMP瀝青膠漿相應結果整體提高3.4%～71.4%,具有更優(yōu)的高溫抗車轍能力;MSCR試驗顯示,不同應力試驗條件下的OSP瀝青膠漿的恢復率R比DMP瀝青膠漿相應結果更大,特別當粉膠比為1.2～1.4時,R提高17.0%～47.2%。并且,不同粉膠比條件下OSP瀝青膠漿的Jnr_diff均低于DMP瀝青膠漿相應結果,表明OSP瀝青膠漿具有更優(yōu)的力學穩(wěn)定性。

3)BBR低溫性能試驗顯示,同等溫度和粉膠比情況下,OSP瀝青膠漿的蠕變速率m整體比DMP瀝青膠漿相應結果小5.04%左右,且OSP瀝青膠漿勁度模量整體比DMP瀝青膠漿相應結果多10.34%以上,說明OSP的低溫性能要略遜于DMP。當粉膠比取1.2時,OSP瀝青膠漿在-12 ℃時勁度模量為256 MPa<300 MPa,且m為0.454>0.300,滿足抗裂性能要求。結合高溫性能測試,OSP瀝青膠漿的最佳粉膠比建議取1.2。

4)通過布氏黏度儀建立了OSP瀝青膠漿的黏度-溫度曲線,據此按線性插值得到OSP瀝青膠漿拌和溫度為158.6～163.3 ℃,攤鋪溫度為152.1～154.0 ℃。