0 引言

自然界中蕴藏着丰富的磁铁矿石, 其主要成分是Fe₃O₄, 具有优良的磁性^[1]。此外, 磁铁矿集料具有优良的力学性能, 如较高的抗压强度、较低的磨损值, 完全满足用作沥青或混凝土混合料中集料的必要条件。因此, 磁铁矿可以替代建筑材料中的常规集料用作低成本的微波吸收剂^[2]。

针对冬季道路除冰问题, 目前常用的道路除冰技术有化学除冰法^[3-4]和物理机械法^[5]。化学除冰法主要在道路上撒布除冰盐, 降低冰点从而起到融冰化雪的目的, 虽然这种方法操作简单, 成本低, 但对环境污染严重, 会使结构钢腐蚀严重。对于物理机械法, 除冰作业需要大量车辆, 而且路面结构可能在除冰过程中被破坏。为了快速有效地清除路面冰雪, 研究者们探索了微波除冰技术。Rajavaram等^[6]发现磁铁矿对微波加热非常有利, 因此, 掺磁铁矿的沥青路面的微波加热效率也大幅提升^{[4, 7]}。此外, 基于微波加热的多相流体热物理传递, Sun等^[8]从理论上对沥青混合料中的传热机理进行了研究。目前已经开发出微波除冰车, 并将其成功应用于沥青路面养护领域^[9]。

当然, 随着能源价格上涨, 利用微波技术进行大面积融冰仍是一个挑战。此技术的关键在于提高材料的微波吸收能力和沥青混合料在微波辐射下的微波加热效率。因此, 本研究以磁铁矿集料为吸波材料, 设计了4种不同磁铁矿含量的沥青混合料, 研究了磁铁矿集料对沥青混合料表面温度和除冰效率的影响。

1 试验 1.1 原材料

采用了磁铁矿和石灰岩两种集料, 按照规范《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)进行集料的性能检测, 检测结果如表 1所示。石灰石填料和消石灰的性能分别见表 2和表 3, 其性能按照规范《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)进行检测。根据规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)对所用沥青进行了检测, 结果如表 4所示。

1.2 制备试件 1.2.1 集料级配

沥青混合料级配采用AC-13的中值级配, 如图 1所示。按照磁铁矿替代量的不同, 共设计了4组沥青混合料, 如表 5所示。第1组沥青混合料试件全部采用石灰岩集料。其余3组用相同体积磁铁矿集料部分或全部代替石灰岩集料。在第2组中, 0.075~2.36 mm的石灰岩集料被相同粒径范围的磁铁矿集料取代; 在第3组中, 2.36~13.2 mm的石灰岩集料被同粒径的磁铁矿集料取代; 在第4组, 所有石灰岩集料均被磁铁矿取代。

1.2.2 试件制备

根据规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)制备试件, 试件制备过程如下: 首先按顺序将加热后的集料、沥青、石灰石填料和消石灰(1.2%集料质量)加入至150 ℃温度的搅拌机中, 开启搅拌机, 使其以75 r/min的转速旋转3 min, 使沥青混合料各原材料进行匀质混合。随后, 将混合料倒入模具中, 制备沥青混合料试件。其中, 用于评价低温性能和水稳定性的试件为直径(101.6±0.25)mm、高度(63.5±1.35)mm的马歇尔试件; 用于评价高温性能的试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm。

1.3 试验表征 1.3.1 微观结构

将磁铁矿研磨成粉体, 用扫描电镜(SEM, S4800)分析其形貌。扫描电镜分辨率为3.5 nm, 测试条件为真空, 测试电压为3.0 kV。测试前对样品进行喷金处理。

1.3.2 高温性能

采用动稳定度作为沥青混合料高温性能的评价指标。测试过程中, 实心橡胶轮与试件之间的接触压力为0.7 MPa, 施加在试件上的载荷约为78 kg, 试验温度为60 ℃。动稳定度根据式(1)计算, 采用每组4个样本的平均结果作为评价指标。

(1)

式中, DS为混合料的动稳定度; d₁, d₂分别为t₁(45 min)和t₂(60 min)时的车辙变形; N为碾压速度, 42次/min。

1.3.3 低温性能

采用低温劈裂强度试验检测沥青混合料的低温性能。本试验采用的马歇尔试件根据马歇尔标准击实法制备。测试温度为-10 ℃, 加载速率为1.0 mm/min, 试件的低温劈裂强度按式(2)计算:

(2)

1.3.4 水稳定性

采用冻融劈裂强度试验检测沥青混合料的水稳定性。本试验采用的马歇尔试件由马歇尔击实仪双面各击实75次制备。将试件在真空度为98 kPa的水中浸泡15 min, 然后转移到温度为-18 ℃的容器中保存16 h; 随后将其置于温度为60 ℃的水中24 h; 最后, 将试件置于温度为25 ℃的水中2 h。使用加载条(宽度12.7 mm, 内曲率半径50.8 mm)沿垂直直径平面的方向产生拉应力, 诱发开裂破坏, 加载速率为50 mm/min。冻融劈裂强度比(TSR)可以根据式(3)和式(4)计算。每次试验测试4个试件, 取平均结果。

(3)

(4)

式中, R_T为试件的劈裂强度; P为最大荷载; t为试验前试件的高度; D为试件直径; R_T1, R_T2为试件冻融前后的劈裂强度; TSR为冻融劈裂强度比。

1.3.5 微波加热效率

为研究微波辐射后集料和沥青混合料的温度变化, 采用MM721NG1-PS型微波炉(功率800 W, 频率2.45 GHz)对180 mm×180 mm×30 mm的沥青混合料试件进行了微波辐射。总微波辐射时间为120 s, 加热间隔20 s。每次微波辐射后, 试件的表面温度立即由AR330红外温度计在5 s内记录。每个试件取9个点, 取其平均值作为试验结果。试验在温度为14 ℃的环境中进行。最终, 根据式(5)计算了微波加热效率(MHE)。

(5)

式中, MHE为微波加热效率; T为试件的最终温度; T₀为试件的原始温度; t为总加热时间。

1.3.6 微波除冰时间

将3个热电偶埋在试件表面, 然后在试件表面冻结一层10 mm厚的冰。试件和冰被置于温度为-10 ℃, -15 ℃和-20 ℃的制冷装置中分别达到恒温。取出后, 将其立即放入微波炉进行微波辐射, 并用温度检测仪测量和记录热电偶的温度。当表面温度达到0 ℃时, 将加热时间记录为微波除冰时间。

2 试验结果与分析 2.1 高温性能

沥青混合料的高温性能通过图 2所示的动稳定度进行评估。结果表明, 仅含石灰岩的沥青混合料的动稳定度为1 189次/mm, 第2~4组的动稳定度分别达到1 400, 1 969次/mm和2 032次/mm。第1~4组的60 min和45 min的变形差分别为0.53, 0.45, 0.32 mm和0.30 mm。这说明磁铁矿的加入可以提高沥青混合料的抗车辙性能, 这也意味着集料的强度和集料形成的骨架结构对沥青混合料高温性能贡献很大。从图 3所示的磁铁矿形态可以看出, 磁铁矿具有一定的棱角性, 因此可以形成互锁的骨架结构, 增强抗车辙破坏的能力。此外, 磁铁矿具有比石灰岩(方解石, Mohs硬度, 3)^[10]更高的硬度和压碎磨损值, 在动稳定度测试中能够承受较高的车辙强度^[11]。

2.2 低温性能

沥青混合料的低温性能通过低温劈裂强度进行评估, 如图 4所示。结果表明, 4组沥青混合料试件在-10 ℃的劈裂强度值分别为2.11, 2.03, 1.96 MPa和1.90 MPa。因此, 磁铁矿的加入会使沥青混合料的低温劈裂强度略微降低。随着温度的降低, 沥青混合料逐渐发生的收缩和变形会使集料之间的触点被拉开^[12], 继而造成混合料低温性能的劣化。因此, 沥青混合料的低温劈裂强度主要取决于沥青与集料之间的黏附力^[13]。图 4结果表明石灰岩明显比磁铁矿更有利于与沥青进行黏结, 因此, 沥青与磁铁矿之间的弱黏附性是影响沥青混合料低温性能的主要因素。为了改善磁铁矿沥青混合料的低温性能, 应适当降低磁铁矿的掺入比例, 或对磁铁矿集料进行物理化学改性, 比如增大磁铁矿集料的粗糙程度, 利用消石灰对磁铁矿集料进行预处理等。这是因为粗糙程度高的集料必然与沥青的黏附力较高, 而消石灰可以使骨料表面呈碱性, 从而提高沥青与磁铁矿之间的黏附力。

2.3 水稳定性

为了研究沥青混合料的水稳定性, 得到了图 5所示的冻融劈裂强度比。结果表明, 第1~4组的TSR值分别为82.2%, 86.7%, 88.7%和91.0%, 说明随着磁铁矿含量的增加, 沥青混合料的水稳定性逐渐提高^[14]。其中, 第1组的TSR达到82.2%, 超过了规范《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中所要求的80%。

为了研究消石灰的加入对沥青的改性效果, 进行了改性前后沥青的红外光谱检测试验, 如图 6所示。随着消石灰的采用, 对照组的化学键和分子官能团发生了明显的变化。改性沥青中2 849~2 944 cm^-1处的C-H键弯曲振动峰在狭窄范围内被压缩。改性沥青在3 641.82 cm^-1处有明显的-OH伸缩振动峰。-OH能使集料表面呈碱性, 使游离沥青易于黏附在集料表面。因此, 加入消石灰可能会使磁铁矿沥青混合料的水稳定性得到改善。

2.4 沥青混合料表面温度

沥青混合料表面温度与微波辐射时间的关系如图 7所示。当掺入较细的磁铁矿集料后, 沥青混合料的表面温度在120 s微波辐射时间内由14 ℃提高到35 ℃, MHE为0.18 ℃/s, 而只含石灰岩集料的沥青混合料在相同的微波辐射时间内由14 ℃提高到22 ℃, 其MHE仅为0.07 ℃/s。此外, 当掺入较粗的磁铁矿集料后, 沥青混合料的MHE进一步提高至0.31 ℃/s, 这主要是由于较粗的磁铁矿集料具有较高的微波发热效率。将沥青混合料中的石灰岩集料全部替换为磁铁矿集料后, 其MHE最终被提升至0.37 ℃/s, 提升幅度较小, 可能与微波和自由空间及吸波基体的阻抗不匹配有关^[15-16]。另外, 不建议对沥青路面进行高温加热, 如100 ℃甚至更高的温度。因为沥青黏合剂在软化点以上会开始融化, 在微波加热设备的荷载作用下, 沥青路面会表现出软化状态, 从而影响沥青路面的路用性能。

2.5 沥青混合料的微波除冰时间

冰层与沥青混合料界面处的冻结层见图 8(a)。由于冻结层的阻碍, 沥青路面上会遗留如图 8(b)所示的残冰, 机械除冰效果不理想, 可能对路面造成严重危害。然而, 微波能使路面与路面之间的冰层完全消除。测试了界面温度为0 ℃时的微波除冰时间, 结果如图 9所示。

图 9显示了不同环境温度下沥青混合料的微波除冰时间。当环境温度为-15 ℃时, 未掺入和掺入细磁铁矿的沥青混合料的微波除冰时间分别为354 s和153 s。表明细磁铁矿的掺入使沥青混合料的微波除冰时间缩短了一半。掺入粗磁铁矿的沥青混合料的微波除冰时间为137 s, 进一步缩短了微波除冰时间。掺入粗细磁铁矿集料的沥青混合料的微波除冰时间在环境温度为-5 ℃时进一步缩短到103 s, 这与上述微波辐射过程中混合料表面温度情况相互对照。随着环境温度的升高, 沥青混合料的微波除冰时间不断缩短, 比如第4组在环境温度为-10 ℃和-5 ℃时的微波除冰时间分别缩短至78 s和53 s。综上, 磁铁矿的含量和所处环境温度都对微波除冰效果有很大影响。

理想的吸收材料应尽可能多地吸收微波, 这就要求材料具有较大的介电损耗或磁损耗^[17-18]。普通沥青混合料中不含磁铁矿集料, 由于沥青和普通集料的磁性成分含量较低, 其磁损耗较小。因此, 磁铁矿集料可以赋予沥青混合料优良的微波吸收能力, 进而改善其微波除冰性能。

3 结论

本研究对磁铁矿沥青混合料路用性能、微波发热能力和微波除冰时间等进行了试验, 提出了不同磁铁矿含量的沥青混合料微波除冰规律和机理, 得出以下结论:

(1) 与石灰岩相比, 磁铁矿具有棱角性和较高压碎值, 能显著改善沥青混合料的高温性能和抗车辙性能。

(2) 磁铁矿的加入会使沥青混合料的低温劈裂强度略有降低。低温劈裂强度取决于沥青与集料间黏结强度, 石灰岩比磁铁矿更有利于沥青与集料黏结。

(3) 沥青混合料的冻融劈裂强度比随磁铁矿含量的增加而增大, 最低TSR达到82.2%。加入消石灰后生成-OH可使磁铁矿集料表面呈碱性, 使游离沥青更容易黏附在集料表面。

(4) 沥青混合料的表面温度明显受微波辐射时间和磁铁矿含量影响。磁铁矿集料替代沥青混合料中的细集料、粗集料和细+粗集料后, 沥青混合料的微波加热速率由对照组的0.07 ℃/s分别提升至0.18, 0.31 ℃/s和0.37 ℃/s。

(5) 磁铁矿含量和所处环境温度都对微波除冰效果影响很大。较高磁铁矿集料含量可以明显缩短微波除冰时间, 微波除冰时间随环境温度降低而增加。