应用 | 基于表面能理论和拉拔试验的铁尾矿和沥青黏附性研究

铁尾矿是铁矿石经破碎、筛分、研磨、分级、浮选等工艺流程，筛选出铁元素后的剩余产物，其主要成分与公路工程用集料相同。但现阶段我国的铁尾矿综合利用率较低，主要采取堆存方式进行处置，该做法造成了资源的浪费。公路工程建设过程中需要大量的筑路材料，若能将铁尾矿用作筑路材料，即可以降低公路工程造价，也可减少其对环境的污染。

本文以表面自由能理论为依据,采用座滴法测量铁尾矿和不同沥青的表面能参数,并计算沥青与不同集料间的粘附功,以衡量铁尾矿与沥青间的粘附性能。

本文使用蒸馏水、甘油以及甲酰胺作为测定接触角的试剂，后测定这三种试剂在试样表面的接触角，并计算沥青与集料的表面能及其分量。

本文采用德国KRÜSS公司的DSA100接触角测量仪在25℃下对四种集料和沥青的接触角进行测试。

DSA100接触角测试仪

本文研究过程中采用东海70号沥青、SBS改性沥青（I-D）和SBR改性乳化沥青蒸发残留物三种沥青，集料采用石灰岩、玄武岩和铁尾矿石。原材料各项技术均能满足现行技术规范要求，其中沥青技术指标如表1所示，四种集料矿物成分如表2所示。

结果与讨论

由图1实验结果可以发现，四种集料与测试液体的接触角差别较小，且不同材料与各测试液体的接触角试验的重复性较高。其主要原因可能是，各集料在测试前均对其表面进行了分割和磨平，这使得其空隙情况差别不大，因此各接触角差别不是很大。整体而言，蒸馏水与集料间的接触角随SiO₂含量的增加而减小，其主要原因是水为极性分子，SiO₂对水的极性能力较大，二者接触时更倾向于吸附更多的水以平衡表面力场，降低表面能，所以表现出水与集料间的接触角随SiO₂含量的增加而减小的现象。

SBS改性沥青与水和甘油间的接触角最大，SBR改性乳化沥青蒸发残留物与水间的接触角次之，基质沥青最小；SBR改性乳化沥青蒸发残留物与甲酰胺间的接触角最大，SBS改性沥青次之，基质沥青最小。

为进一步验证测试结果的准确性，将不同测试液体的表面能γ_L与γ_LCOSθ进行线性拟合，结果如图2。由图 2可以发现，测试液体的表面能γ_L与γ_LCOSθ 线性拟合后的相关系数（R²）均大于0.90。表明二者之间具有良好的线性关系，即测试结果可靠。

分别综合3种测试液体的表面能参数及其在集料和沥青的接触角计算集料和沥青的表面能及其分量，计算结果如图3所示。

由图3(a)-(c)可以看出，四种集料的表面能相差不大，其中石灰岩的表面能最大，铁尾矿1的表面能最小，该现象的主要原因是石灰岩中的SiO₂含量最小，铁尾矿1中SiO₂含量最大，已有研究结果表明集料的表面能与SiO₂含量呈负相关关系。四种集料中，铁尾矿2的极性分量最大，色散分量最小，石灰岩的极性分量最小，色散分量最大。

由(d)-(f)三种沥青的表面能存在较大的差异，其中SBS改性沥青的表面能最大，SBR改性乳化沥青蒸发残留物的表面能最小，其可能原因是改性乳化沥青制备过程中需要加入乳化剂，乳化剂的作用原理是降低沥青与水间的界面能，提高二者间的稳定性，蒸发残留物制备过程中的乳化剂未能完全蒸发，导致其表面能的降低。SBS改性沥青的极性分量最小，色散分量最大，SBR改性乳化沥青的极性分量最大，色散分量最小，其可能原因是SBS蒸发残留物中的乳化剂未能充分挥发，使得其蒸发残留物的极性增强。

通过沥青和集料的表面能数据计算得到二者间的粘附功，计算结果如图4。由图4可以发现，不同沥青与不同集料间的粘附功存在一定差别，其中SBS改性沥青与石灰岩间的粘附功最大，为71.16mJ/m²，而SBR改性乳化沥青蒸发残留物和铁尾矿1之间的粘附功最小，为66.24mJ/m²。整体而言，石灰岩与各沥青间的粘附功要大于玄武岩和铁尾矿，该现象产生的原因是石灰岩的SiO2含量仅为0.76%，其碱性要强于玄武岩和铁尾矿。SBS改性沥青与集料间的粘附功要大于70号基质沥青和SBR改性乳化沥青蒸发残留物，究其原因，SBS改性剂的加入使得沥青的极性降低，而SBR改性乳化沥青蒸发残留物中乳化剂在挥发不完全情况下，其极性更大，且残留物制备过程中需要经过高温蒸发，使得沥青发生了一定程度的老化，老化后的沥青极性增强。

小结

石灰岩的表面能最大，铁尾矿的表面能小于石灰岩和玄武岩，且铁尾矿的极性分量大于石灰岩和玄武岩，色散分量小于二者。不同沥青与不同集料间的粘附功存在一定差别，SBS改性沥青与集料间的粘附功大于基质沥青和SBR改性乳化沥青蒸发残留物，石灰岩与沥青间的粘附功要大于玄武岩和铁尾矿。

参考文献：