高嶺土礦粉瀝青混合料的灰色關(guān)聯(lián)分析

胡 超,包惠明

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院, 廣西 桂林 541004 )

0 引言

高嶺土是高嶺土礦選后產(chǎn)生的固體廢棄物，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，每年都會(huì)消耗大量的高嶺土礦產(chǎn)資源，并且已經(jīng)造成了嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)難[1]，如何最大限度減少高嶺土礦的危害并最大效率地處理、利用高嶺土，已經(jīng)成為迫在眉睫的問題[2]。由于高嶺土本身具有優(yōu)異的技術(shù)性能，目前在國(guó)外已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于材料、化工等領(lǐng)域；在國(guó)內(nèi)，高嶺土“濕法”改性瀝青的文章也有報(bào)道[3]，大多是將高嶺土以改性劑的形式摻加到基質(zhì)瀝青中，企圖通過改變基質(zhì)瀝青的三大指標(biāo)來(lái)改善瀝青的相關(guān)性能，這種“濕法”改性固然很好，也能夠使得高嶺土與基質(zhì)瀝青更好地融合在一起，取得了一定的研究成果[4-7]，但是這種方法操作流程麻煩，不便于推廣，而且我國(guó)對(duì)于像高嶺土這種高分子聚合物的“濕法”改性技術(shù)還不成熟，改性瀝青的指導(dǎo)理論還不太完善，這種客觀存在的現(xiàn)實(shí)極大地限制了我國(guó)“濕法”改性瀝青的發(fā)展。本研究從高嶺土這種固體廢棄物出發(fā)，一方面是為了積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，向著致力于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的方向作出一些探索和努力；另一方面，也是想在前人研究的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步地深入研究搞清楚高嶺土中具體哪一種成分對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能影響最大。采用的高嶺土礦粉來(lái)自4個(gè)不同地區(qū)，分別是：陜西、四川、湖北、云南。由于不同地區(qū)的氣候條件不同，高嶺土在不同地區(qū)的化學(xué)組分也會(huì)有較大的差別。眾所周知，物質(zhì)的化學(xué)成分會(huì)影響物質(zhì)的宏觀性能，高嶺土中的化學(xué)組成及含量也是評(píng)價(jià)礦物質(zhì)量的重要依據(jù)之一。基于這樣的研究背景，論文通過“干法改性”(即：將不同地區(qū)、化學(xué)組分不盡相同的高嶺土等體積代替石灰?guī)r礦粉，而后再將其與石灰?guī)r集料攪拌并制成標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件的過程)，探究不同地區(qū)高嶺土礦粉中哪一種化學(xué)成分對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能影響最大。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 集料

采用某采石場(chǎng)棱角性、壓碎值較高、表面紋理較好、片狀較低的石灰?guī)r作為礦質(zhì)集料。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)與《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》 (JTG F40—2004)中的要求對(duì)集料進(jìn)行了10個(gè)檔次的篩分試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)不同檔位的石料分別進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果均符合相應(yīng)技術(shù)規(guī)范。

1.1.2 基質(zhì)瀝青

采用東海牌70#A級(jí)的道路石油瀝青，按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40—2004)中的相關(guān)要求對(duì)基質(zhì)瀝青的3大指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，其結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

1.1.3 高嶺土

高嶺土來(lái)自于4個(gè)省份：陜西、四川、湖北、云南(分別記為1號(hào)礦粉、2號(hào)礦粉、3號(hào)礦粉、4號(hào)礦粉)，由于不同省份的氣候條件各不相同，所以不同省份的高嶺土形成過程也不相同，進(jìn)而導(dǎo)致不同省份的高嶺土化學(xué)成分稍有差別。然而，化學(xué)組成及含量是評(píng)價(jià)高嶺土礦物質(zhì)量的重要依據(jù)之一。在試驗(yàn)開始前，先將4個(gè)省份的高嶺土分別進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具的檢測(cè)報(bào)告顯示，不同省份的高嶺土化學(xué)成分盡管含量各不相同，但主要的化學(xué)成分都是Al2O3，SiO2，F(xiàn)e2O3，TiO2，CaO，MgO等等。不同省份高嶺土的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 不同省份高嶺土的主要化學(xué)成分Tab.1 Main chemical constituents of Kaolin from different provinces

1.2 混合料配合比設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)中，選用AC-13級(jí)配制作成型瀝青馬歇爾試件。各檔石灰?guī)r集料均按照J(rèn)TGF40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中推薦的級(jí)配中值進(jìn)行初選。對(duì)于不同類型高嶺土改性瀝青混合料，首先以AC-13型級(jí)配范圍為基礎(chǔ)，在這個(gè)基礎(chǔ)上確定改性瀝青混合料的最佳瀝青用量。按照設(shè)定的油石比梯度：3.5%，4.0%，4.5%，5.0%成型4組馬歇爾試件，每組試件成型4個(gè)。通過肯塔堡飛散試驗(yàn)和謝倫堡析漏試驗(yàn)確定出最佳油石比為4.3%。本研究通過“干法改性”(即：將不同地區(qū)、化學(xué)組分不盡相同的高嶺土當(dāng)作一種填料摻加到瀝青混合料中等體積代替石灰?guī)r礦粉，而后再將其與石灰?guī)r集料攪拌并制成標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件的過程)來(lái)探究不同類型高嶺土礦粉對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能的改善效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE20—2011)中的方法成型高嶺土礦粉改性瀝青馬歇爾試件，在測(cè)定馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度的過程中，每組試件是4個(gè)，在測(cè)定凍融劈裂強(qiáng)度比的過程中，每組試件是8個(gè)。具體的測(cè)試結(jié)果如表2、表3所示。

表2 高嶺土礦粉改性瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度及流值試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Result of marshall stability and flow value test of kaolin mineral powder modified asphalt mixture

表3 高嶺土礦粉改性瀝青混合料浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Result of immersion marshall stability test of kaolin mineral powder modified asphalt mixture

表2～表4分別給出了5種不同類型高嶺土礦粉改性瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：把高嶺土當(dāng)作礦粉摻加到瀝青混合料中，可以明顯地提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。以2號(hào)礦粉為例，摻加高嶺土后相比較于普通礦粉，馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比從8.59%，5.99%，59.29%提高到13.18%，11.69%，78.63%，三者增大幅度約為1.53，2.29，1.33倍。這表明：將普通石灰?guī)r礦粉替換成等體積的高嶺土礦粉可以改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。主要原因可以歸結(jié)為：高嶺土礦粉的粒徑小于普通礦粉，高嶺土礦粉的比表面積大于普通礦粉，這種特點(diǎn)有利于高嶺土礦粉小顆粒與瀝青結(jié)合，從而增大瀝青膜的厚度和黏度、提高改性瀝青混合料抗水損壞的能力。另外，高嶺土的主要成分是典型的硅氧四面體和氫氧八面體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠形成六方排列的網(wǎng)格層，使得摻加高嶺土礦粉改性瀝青混合料的試件具有比普通礦粉試件更加穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。

表4 高嶺土礦粉改性瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Result of freeze-thaw splitting test of Kaolin mineral powder modified asphalt mixture

2.2 水穩(wěn)定性能灰色關(guān)聯(lián)分析

2.2.1 灰色關(guān)聯(lián)度的確定

按照灰色關(guān)聯(lián)理論，選取鄧式關(guān)聯(lián)度[8-16]。

關(guān)聯(lián)度的確定步驟：首先，GM(1，1)模型指的是用新信息X0(n+1)代替之前老信息X0(1)，假設(shè)原始數(shù)據(jù)為：

X0={X0(1)，X0(2)，X0(3)，…,X0(n)，X0(n+1)}。

(1)

式(1)就是典型的GM模型。為了便于計(jì)算，往往用微分形式表達(dá)：

(2)

式中，p，q為亟待辨別參數(shù)和內(nèi)部變量，在針對(duì)具體問題時(shí)采用最小二乘法進(jìn)行計(jì)算。為此，假定參考數(shù)列為：

X0={X0(1)，X0(2)，X0(3)，…，X0(n)}，

(3)

假定比較數(shù)列為：

Xi={Xi(1)，Xi(2)，Xi(3)，…，Xi(n)}。

(i=1, 2, 3, 4,…,m)

(4)

然后，對(duì)參考數(shù)列和比較數(shù)列進(jìn)行平均化處理，處理結(jié)果定義為新數(shù)列，新的參考數(shù)列：

Y0={Y0(1)，Y0(2)，Y0(3)，…，Y0(n)}=

(5)

新平均數(shù)列為：

(6)

新比較數(shù)列為：

Yi={Yi(1)，Yi(2)，Yi(3)，…，Yi(n)}=

(7)

新比較數(shù)列均值為：

(i=1, 2, 3, 4,…,m)

(8)

分辨系數(shù)計(jì)算式：

ξi(k)=[minminY0(k)-Yi(k)+maxmaxY0(k)-

Yi(k)×[Y0(k)-Yi(k)+maxmaxY0(k)-Yi(k)]-1，

(k=1, 2, 3, 4, 5,…,n)

(9)

式中，ξ為分辨系數(shù)，介于0到1 之間。minminY0(k)-Yi(k)為兩個(gè)層次間的最小差；maxmaxY0(k)-Yi(k)為兩個(gè)層次間的最大差。

關(guān)聯(lián)度表達(dá)式：

(10)

式中，ri為曲線Xi(Yi)對(duì)參考曲線X0(Y0)的關(guān)聯(lián)度大小。眾所周知，關(guān)聯(lián)度的大小次序決定了各個(gè)影響因素的重要程度。通過比較不同地區(qū)高嶺土化學(xué)成分含量對(duì)改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能的改善效果來(lái)判斷高嶺土中化學(xué)成分對(duì)改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響程度是有一定理論依據(jù)的。

2.2.2 高嶺土礦粉主要化學(xué)成分的灰色關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具的檢測(cè)報(bào)告顯示，不同省份的高嶺土化學(xué)成分盡管含量各不相同，但主要的化學(xué)成分都是Al2O3，SiO2，F(xiàn)e2O3，TiO2，CaO，MgO等等。在對(duì)不同地區(qū)高嶺土礦粉化學(xué)成分與改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析時(shí)，選取馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂抗拉強(qiáng)度比作為參考數(shù)列，以不同類型高嶺土的主要化學(xué)成分組成作為比較數(shù)列。不同類型高嶺土主要化學(xué)成分灰色關(guān)聯(lián)分析原始數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 主要化學(xué)成分與馬歇爾穩(wěn)定度的灰關(guān)聯(lián)分析原始數(shù)據(jù)Tab.5 Initial data of gray cor relational analysis of primary chemical constituents and Marshall stability

將表5中的數(shù)據(jù)代入公式(9)(計(jì)算時(shí)ξ取0.5)，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)如下所示：

ξ0-1=(0.687 9, 0.856 7, 1.000 0, 0.966 1, 0.502 7)，

ξ0-2=(0.348 5, 0.608 1, 1.000 0, 0.853 7, 0.406 1)，

ξ0-3=(0.348 0, 0.575 1, 0.749 1, 0.570 5, 1.000 0)，

ξ0-4=(0.543 6, 0.648 2, 0.450 7,1.000 0, 0.438 7)，

ξ0-5=(0.603 1, 0.398 6, 0.548 9, 1.000 0, 0.398 4)，

ξ0-6=(0.370 4, 0.489 1, 1.000 0, 0.880 4, 0.526 9)。

在求解灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的基礎(chǔ)上，再將其代入公式(10)，分析高嶺土礦粉主要化學(xué)成分對(duì)水穩(wěn)定性能的影響程度，關(guān)聯(lián)分析結(jié)果為：r(x0,x1)=0.802 7,r(x0,x2)=0.643 3,r(x0,x3)=0.648 5,r(x0,x4)=0.616 2，r(x0,x5)=0.589 7,r(x0,x6)=0.653 4。

將表6中的數(shù)據(jù)代入公式(9)(計(jì)算時(shí)ξ取0.5)，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)如下所示：

ξ0-1=(1.000 0, 0.961 1, 0.800 9, 0.932 1, 0.591 9)，

ξ0-2=(0.343 6, 0.598 9, 1.000 0, 0.844 1, 0.406 0)，

ξ0-3=(0.364 1, 0.603 9, 0.461 0, 0.633 9, 1.000 0)，

ξ0-4=(0.800 9, 1.000 0, 0.737 7, 0.938 9, 0.677 9)，

ξ0-5=(0.687 1, 0.418 1, 0.558 9, 1.000 0, 0.387 1)，

ξ0-6=(0.361 9, 0.488 1, 1.000 0, 0.865 9, 0.511 2)。

表6 主要化學(xué)成分與浸水馬歇爾穩(wěn)定度灰關(guān)聯(lián)分析原始數(shù)據(jù)Tab.6 Initial data of gray cor relational analysis of primary chemical constituents and immersion Marshall stability

在求解灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的基礎(chǔ)上，再將其代入公式(10)，分析高嶺土主要化學(xué)成分對(duì)水穩(wěn)定性能的影響程度，關(guān)聯(lián)分析結(jié)果為：r(x0,x1)=0.857 2,r(x0,x2)=0.638 5,r(x0,x3)=0.612 6,r(x0,x4)=0.833 1，r(x0,x5)=0.610 2,r(x0,x6)=0.645 4。

表7 主要化學(xué)成分與劈裂抗拉強(qiáng)度比的灰關(guān)聯(lián)分析原始數(shù)據(jù)Tab.7 Initial data of gray cor relational analysis of primary chemical constituents and splitting tensile strength ratio

將表7中的數(shù)據(jù)代入公式(9)(計(jì)算時(shí)ξ取0.5)，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)如下所示：

ξ0-1=(0.557 9, 0.837 0, 0.968 9, 1.000 0, 0.5044 )，

ξ0-2=(0.568 19, 0.964 1, 1.000 0, 0.614 2, 0.669 1)，

ξ0-3=(0.432 9, 0.463 1, 0.893 9, 0.658 0, 0.995 8)，

ξ0-4=(0.601 9, 0.656 8, 0.441 1,1.000 0, 0.465 0)，

ξ0-5=(0.542 1, 0.400 9, 0.557 1, 1.000 0, 0.438 9)，

ξ0-6=(0.444 9, 1.000 0, 0.622 0, 0.592 9, 0.841 7)。

在求解灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的基礎(chǔ)上，再將其代入公式(10)，分析高嶺土主要化學(xué)成分對(duì)水穩(wěn)定性能的影響程度，關(guān)聯(lián)分析結(jié)果為：r(x0,x1)=0.773 6,r(x0,x2)=0.763 1,r(x0,x3)=0.688 7,r(x0,x4)=0.633 0，r(x0,x5)=0.587 8,r(x0,x6)=0.700 3。

通過求解灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)可得出：不同地區(qū)高嶺土礦粉的主要化學(xué)成分中，Al2O3含量與瀝青混合料水穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度最大，達(dá)到了0.857 2，其他主要化學(xué)成分與瀝青混合料水穩(wěn)定性能的關(guān)聯(lián)度也較大，但相比較于Al2O3，其他主要化學(xué)成分介于0.5～0.7之間，小于Al2O3含量與水穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度。這也充分說明了：不同地區(qū)高嶺土礦粉的主要化學(xué)成分中，Al2O3含量對(duì)高嶺土改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能影響最大。

2.3 高嶺土礦粉瀝青混合料的機(jī)理分析

物質(zhì)的微觀組成及結(jié)構(gòu)會(huì)影響物質(zhì)整體的結(jié)構(gòu)性能，不同地區(qū)高嶺土改性瀝青的相態(tài)結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了改性瀝青的穩(wěn)定性。為了從微觀上解釋高嶺土改性瀝青能夠改善混合料的水穩(wěn)定性能，試驗(yàn)借助掃描電鏡手段對(duì)高嶺土改性瀝青混合料進(jìn)行相態(tài)結(jié)構(gòu)分析。為了便于分析，給出了摻加高嶺土瀝青混合料的照片和沒有摻加高嶺土基質(zhì)瀝青混合料的照片。由圖1和圖2的對(duì)比可以明顯地看出，摻加高嶺土的4組瀝青混合料試件都有纖維狀、絮凝狀物質(zhì)[17]。然而，對(duì)于普通礦粉的基質(zhì)瀝青混合料卻沒有這種現(xiàn)象，它們顯得更加“平靜”。通過電鏡掃描可以發(fā)現(xiàn)：高嶺土礦粉能夠均勻地覆蓋在瀝青表面，這表明高嶺土礦粉與基質(zhì)瀝青的相容性較好，這也為改善基質(zhì)瀝青的基本性能提供了可能。

圖1 摻加高嶺土改性瀝青試件的電鏡掃描照片F(xiàn)ig.1 Scanning electron microscope photographs of Kaolin modified asphalt specimens

圖2 基質(zhì)瀝青試件的電鏡掃描照片F(xiàn)ig.2 Electron microscopic scanning photographs of matrix asphalt specimens

將普通礦粉替換成高嶺土礦粉能夠提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，可以從以下兩個(gè)方面來(lái)考慮。一方面，高嶺土中的主要成分是典型的硅氧四面體和氫氧八面體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠形成六方排列的網(wǎng)格層，如圖1所示的絮凝狀、纖維狀結(jié)構(gòu)，它在某種程度上可以增大瀝青與高嶺土之間的粘結(jié)面，促進(jìn)高嶺土礦粉吸收瀝青中的油分和芳香分，從而增大高嶺土和基質(zhì)瀝青之間的分子引力，增大瀝青膜厚度，最終提高改性瀝青與石灰?guī)r集料之間的粘結(jié)力。另一方面，摻加進(jìn)去的高嶺土礦粉借助高嶺土顆粒間的機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)[18]，會(huì)使得高嶺土礦粉顆粒間的形貌發(fā)生改變，加快不規(guī)則玻璃體破裂、加劇高嶺土礦粉表面粗糙化、降低高嶺土礦粉中Si-O和Al-O鍵之間的鍵能、暴露出高嶺土礦粉的核心活性成分、增大Si(Al)四面體的畸變度，最終增加了高嶺土礦粉表面的活性，增強(qiáng)了改性瀝青混合料中顆粒與顆粒之間的粘結(jié)力，使得摻加高嶺土礦粉的改性瀝青混合料具有更穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。

所以，從宏觀數(shù)據(jù)上可見摻加高嶺土礦粉試件的水穩(wěn)定性明顯比沒有摻加高嶺土礦粉試件的好，這也就解釋了摻加高嶺土礦粉能夠提高瀝青混合料水穩(wěn)定性能的原因。

3 結(jié)論

(1)通過將高嶺土礦粉以等體積的方式代替普通石灰?guī)r礦粉可以明顯改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。將不同產(chǎn)地的高嶺土礦粉當(dāng)作一種填料摻加到瀝青混合料中，不但能夠提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，而且還為高嶺土作為一種新型改性劑的推廣打開了新思路。

(2)灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，高嶺土礦粉的主要化學(xué)成分中，Al2O3對(duì)高嶺土礦粉瀝青混合料的水穩(wěn)定性能影響程度最大，其次為SiO2，其他化學(xué)成分對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能影響較小。