掺磁铁矿粉/二氧化锰的沥青混合料吸波升温性能研究
时间：2023-02-08 13:05:09 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
朱浩然,于明明，张 杨，王文峰
(1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；
2. 新型道路材料国家工程实验室，江苏 南京 211112)
微波加热技术与传统的热风、红外加热技术相比，具有深层加热、温度梯度小、减少表层沥青老化和环保等优点。最初其用于沥青路面的坑槽修补被引入道路工程，近来被创新性应用于高等级路面材料的就地热再生，得到道路工作者的广泛关注。然而传统沥青混合料吸收微波性能较差，导致微波设备应用于沥青路面养护的加热时间较长，约15～20 min，限制了微波加热技术在路面中的应用。
根据现有文献研究成果，吸波材料能够有效提高沥青路面的吸波能力。郭德栋[1]对比研究了磁铁矿集料和普通集料的吸波特性，提出了矿铁矿集料替代普通集料制备的沥青混合料具有较好的融雪破冰效果。已有研究表明掺磁铁矿石可提高沥青混合料抗温缩裂缝的能力，但未考虑磁铁矿石掺量对微波加热升温效率的影响[2-3]。马贺[4]采用水热合成法制备了不同形状和晶型的二氧化锰，分析其对微波的吸收性能和磁滞损耗机理。赵华[5]提出磁铁矿粉复合改性沥青混合料微波吸收性能的优化设计，研究成果适用于微波加热路面养护和融雪除冰技术。李一冰[6]等将MnO2和玄武岩纤维的复合后加入沥青混合料中，且其掺量为混合料质量的12%时，具有较好的微波吸收性能。郑志涛[7]等通过在沥青混合料中掺加二氧化锰，提高了微波对道路表面的修补。杨国栋[8]等研究发现磁损耗型吸波材料主要是依靠磁滞损耗等磁极化机制来衰减微波。王艳琴[9]研究表明，掺加磁铁矿粉可提高沥青混合料对微波的吸收性能。蔡园[10]等对国内外路用吸波材料在道路裂缝修补和融雪除冰的应用进行了综述，调研结果表明，磁铁矿石和二氧化锰具有较好的吸波特性。苏婷婷[11]通过水热合成法制备了不同晶型的纳米MnO2，并研究了MnO2纳米材料的结构-吸波性能关系。李军野[12]等通过对隧道壁表面喷涂吸波材料，提高其对铁路隧道的微波防冰效率。李永翔[13]等制备的微波敏感型沥青再生剂可提高微波在坑槽修补方向的应用。
综上所述，当前研究通常将吸波材料作为大粒径的骨料，甚至以100%掺量替代集料，制备成沥青混合料，来评估沥青混合料的吸波性能，虽然较好地改善了沥青混合料的吸波性能，但未考虑工程实际操作的可行性，吸波材料在沥青路面的研究尚处于室内探索阶段。本文在文献资料和市场调研的基础上，选择工业化水平高的磁铁矿粉和二氧化锰，将其作为矿粉的替代品，通过一系列微波加热试验，研究吸波材料提升集料、沥青混合料吸波升温的效果，确定适宜的吸波材料掺量，可为吸波路面材料在公路沥青路面快速养护和融雪化冰的应用提供理论指导和技术支持。
2.1 原材料
试验用原材料主要包括：石灰岩粗集料(4.75～9.5、9.5～16 mm)、细集料和矿粉、SBS改性沥青、磁铁矿粉、二氧化锰。
磁铁矿粉是磁铁矿石经颚式破碎机破碎和研磨机研磨后而成的粉末状材料，具有良好的电磁特性和微波吸收能力，粒径约为6.5 μm，Fe3O4含量为95%，黑色粉末；
试验用二氧化锰为强铁氧体材料，粒径为0.2 μm，MnO2含量为91.5%，黑色粉末。见图1、图2。
图1 磁铁矿粉Figure 1 Magnetite powder
图2 二氧化锰Figure 2 Manganese dioxide
2.2 试验方案
本文采用将吸波材料(磁铁矿粉、二氧化锰)与石灰岩集料混合、吸波材料掺入沥青混合料中2种方式，研究不同配方、不同掺量吸波材料条件下，沥青混合料吸波升温的性能。
本试验采用普通微波炉，对吸波材料与集料、沥青混合料的混合物进行加热。每加热一定的时间，采用插入接触式数显测温仪，测量不同加热时间集料和沥青混合料内部5 cm处的加热温度。试验用微波炉(见图3)，微波炉微波输出功率为650 W，微波工作频率为2.45 GHz(与微波加热设备的工作频率相同)。
图3 试验用微波炉Figure 3 Experimental microwave oven
具体试验方案如下：
方案一：参照AC-13混合料矿粉的用量通常为4%，选用200 g粒径为5～10 mm的石灰岩集料，8 g矿粉，与不同比例的磁铁矿/二氧化锰混合均匀，其掺量分别为矿粉质量的0%、20%、40%、60%、80%和100%(相当于集料的0%、0.8%、1.6%、2.4%、3.2%和4%)。将混合均匀的石灰岩集料置于微波炉内，加热时间为1、2、3 min，用插入式数显测温仪，测得石灰岩集料的温度变化规律。
方案二：按等体积替代法，用吸波材料代替矿粉，制成AC-13混合料，试验用AC-13混合料的级配曲线如图4所示。为保证吸波材料分散的均匀性，先将吸波材料与矿粉混合均匀→再将混合后的材料与石料混合均匀→加入沥青→拌锅内湿拌180 s。将拌好的混合料放置在干燥皿内，冷却至室温备用，可防止混合料在空气中吸收水分，避免不同含水率对试验结果的影响。
采用温升速率k来判断被加热材料的吸波升温效果，计算公式如下：
(1)
其中，T1是初始温度，即室温；
T2是加热后的温度；
t是微波加热时间。
图4 石灰岩AC-13合成级配Figure 4 AC-13 composite gradation of limestone
3.1 单掺磁铁矿粉对石灰岩集料温升的影响
将不同掺量的磁铁矿粉与矿粉、石灰岩集料混合均匀后，用微波炉加热1、2、3 min，测量石灰岩集料的微波加热温度，石灰岩集料的温度变化和温升速率如图5、图6所示。
图5 单掺磁铁矿粉对集料温升的影响Figure 5 The influence of single-doped magnetite powder on the temperature rise of aggregate
图6 微波加热3 min石灰岩集料的温升速率Figure 6 Temperature rise rate of limestone aggregate heated by microwave for 3 min
由图5可知，微波加热掺加磁铁矿粉的石灰岩集料具有显著的温度提升作用，随着磁铁矿掺量的增加，集料的吸波性能显著。
分析不同掺量磁铁矿粉集料的温升速率k，微波加热3 min，当磁铁矿粉掺量分别为矿料质量的0.8%、1.6%、2.4%、3.2%和4.0%时，相应的温升速率较未掺加磁铁矿粉的石灰岩集料提高了56.18%、102.25%、85.94%、92.46%和95.18%。总体趋势，随着磁铁矿粉掺量增加，石灰岩集料温升速率k提高的越多。说明磁铁矿粉掺加对石灰岩集料吸波温升性能具有显著改善作用。
分析其原因为：石灰岩集料主要成分为CaCO3，碳酸盐是弱吸波物质，在一定功率的微波加热条件下，石灰岩集料所能到达的温度有限；
而磁铁矿粉作为强的铁磁性材料，其具有良好的介电和导磁特性，在相同频率的微波加热条件下，介电损耗和导磁损耗越大，材料的吸波性能越好[14]，材料将微波能转换成热能，通过热传导效应，石灰岩集料温度得到显著提升。
3.2 单掺二氧化锰对石灰岩集料温升的影响
将不同掺量的二氧化锰与矿粉、石灰岩集料混合均匀，石灰岩集料的温度变化和温升速率如图7、图8所示。
图7 单掺二氧化锰对集料温升的影响Figure 7 The influence of single-doped manganese dioxide on the temperature rise of aggregate
图8 微波加热3 min石灰岩集料的温升速率Figure 8 Temperature rise rate of limestone aggregate heated by microwave for 3 min
由图7和图8可知，在相同的试验条件下，微波加热3 min后，未掺加二氧化锰的石灰岩集料吸波温升速率为12.87 ℃/min；
当二氧化锰的掺量为集料的0.8%、4.0%时，相应的温升速率较未掺加二氧化锰的集料提高了119.66%、246.31%。试验结果表明，二氧化锰对石灰岩集料的微波加热性能具有明显的改善作用，且二氧化锰的温升效果优于磁铁矿粉。
分析其原因为：二氧化锰作为一种强铁氧体材料，其形态为带状和条状结构，粒径大小约为200 nm，具有较大的比表面积，在相同填充量的情况下，能产生更大的偶极矩，在微波作用下具有更大的吸收和散射截面，从而能在更大程度上散射和衰减电磁波。同时二氧化锰作为一种介电型吸波材料，通过介电损耗吸收和衰减电磁波。故在相同频率微波加热的条件下，随着二氧化锰掺量的增加，石灰岩集料的温升作用明显。
3.3 复掺磁铁矿粉/二氧化锰对石灰岩集料温升的影响
将磁铁矿粉和二氧化锰比例按1∶1和7∶3的比例复配，与矿粉、石灰岩集料混合均匀，测得微波加热3 min石灰岩集料的温升速率如图9所示。
(a) 磁铁矿粉∶二氧化锰=1∶1
(b) 磁铁矿粉∶二氧化锰=7∶3
由图9可以看出，与单掺磁铁矿粉、二氧化锰的规律相同，不同吸波材料掺量集料温升速率较未掺加吸波材料的集料相比，均有显著提高，随着复合添加剂掺量的增大，集料的温升速率提高越多。
由图10可知，吸波材料的掺量为集料质量的1.6%时，不同吸波材料对石灰岩集料的温升速率大小为∶单掺二氧化锰>磁铁矿∶二氧化锰=1∶1≈磁铁矿∶二氧化锰=7∶3>单掺磁铁矿粉，单掺二氧化锰的集料温升速率是单掺磁铁矿粉的1.26倍。
基于上述试验结果，由于二氧化锰的成本是磁铁矿粉的6倍，出于经济性考虑，下面选择单掺磁铁矿粉(记为MSA1)，研究吸波材料对石灰岩AC-13混合料的温升效果。
图10 添加剂掺量占集料的比例为1.6%时集料的温升速率Figure 10 The temperature rise rate of the aggregate when the additive content accounts for 1.6% of the aggregate
4.1 磁铁矿粉对混合料温升性能的影响
对比研究磁铁矿粉掺量为集料的0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%和未掺磁铁矿粉时，不同加热时间下石灰岩AC-13沥青混合料的微波加热温度，试验结果如图11所示。
图11 AC-13沥青混合料的微波加热温度随磁铁矿粉掺量变化的规律Figure 11 Variation of microwave heating temperature of AC-13 asphalt mixture with magnetite powder content
微波加热前期，掺加不同掺量磁铁矿粉的沥青混合料温升作用不明显，微波加热4 min后，掺加磁铁矿粉的沥青混合料具有较好的微波吸收性能，沥青混合料的温升与微波加热时间存在良好的线性相关特性。
在实际应用中，普通沥青混合料的废弃温度一般为190 ℃～195 ℃，再生温度一般为150 ℃左右，而微波养护过程中沥青混合料的温度往往只需要达到160 ℃。由图11可知，微波加热8 min时，其中3组混合料的温度达到150 ℃～160 ℃，因此，选择8 min时间点分析混合料微波加热温度随吸波材料掺量变化规律。
由图12可知，当磁铁矿粉掺量由0.1%增加到2%时，石灰岩AC-13沥青混合料的温度随磁铁矿粉掺量的增加呈先快速增大后稳定的变化趋势。当磁铁矿粉掺量分别为矿料的0.1%、0.2%和0.5%时，微波加热8 min后，沥青混合料的加热温度与未掺加磁铁矿粉相比，从83.5 ℃提高到84.6 ℃、112.3 ℃、150.2 ℃，沥青混合料的微波加热温度得到明显提升，说明掺加磁铁矿粉可提高石灰岩AC-13沥青混合料的微波吸收特性。当磁铁矿粉掺量为矿料质量的1.0%和2.0%时，沥青混合料的加热温度与磁铁矿粉掺量0.5%的沥青混合料基本相同，说明当磁铁矿粉掺量在0.5%以上时，磁铁矿粉掺量的增加对沥青混合料的微波加热性能影响不大。
图12 微波加热8 min，AC-13混合料温度随磁铁矿粉掺量变化的规律Figure 12 Microwave heating for 8 min， Variation of temperature of AC-13 mixture with magnetite powder content
因此，推荐磁铁矿粉的最佳掺量为矿料的0.5%，AC-13混合料的吸波升温性能提高80%。
4.2 磁铁矿粉对混合料路用性能的影响
通过车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验，与普通石灰岩AC-13混合料对比，评价磁铁矿粉对沥青混合料路用性能的影响，试验结果如表1所示。
表1 沥青混合料路用性能试验结果Table 1 Road performance test results of asphalt mixture
由表1可以看出，相对于普通AC-13沥青混合料，掺磁铁矿粉的AC-13混合料高温抗车辙、抗水损害性能、低温性能均有一定程度改善，尤其高温抗车辙性能提高显著，且各项路用性能均满足规范技术要求。
本文试验结果表明，采用磁铁矿粉替代部分矿粉的方式制备沥青混合料，有效改善了普通沥青混合料的微波加热性能，且具有更好的路用性能，沥青路面吸波材料的研发与应用对公路沥青路面热再生和融雪破冰工程具有重要的意义。
本文选择磁铁矿粉和二氧化锰这2种吸波材料，将其作为矿粉的替代品，通过一系列微波加热试验，研究吸波材料对集料、沥青混合料吸波升温性能的影响，主要结论如下：
a.随着磁铁矿粉掺量的增加，集料的温升速率增大，说明磁铁矿粉的掺加对石灰岩集料的吸波温升性能具有显著的改善作用。
b.二氧化锰提升集料微波加热性能的效果优于磁铁矿粉。不同吸波材料对石灰岩集料温升速率作用大小为：单掺二氧化锰>磁铁矿 ∶二氧化锰=1∶1≈磁铁矿∶二氧化锰=7∶3>单掺磁铁矿粉。
c.当磁铁矿粉掺量由0.1%增加到0.5%时，沥青混合料的吸波性能随着磁铁矿粉掺量的增加得以显著提升，当磁铁矿粉掺量大于0.5%时，磁铁矿粉掺量的增加对沥青混合料的微波加热性能影响不大。
d.吸波沥青路面材料制备，推荐磁铁矿粉的最佳掺量为矿料的0.5%，AC-13混合料的吸波升温性能可提高80%，且具有更好的路用性能。
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