贝壳粉作为沥青混合料矿粉的可行性研究

贝壳粉作为沥青混合料矿粉的可行性研究

周波

重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074

【摘要】随着社会的环境保护力度逐步加大，贝壳固体废弃物资源化利用和开发逐渐得到大家的关注。以废弃生蚝贝壳作为研究对象，对比常用矿粉，总结前人对贝壳粉的研究成果，生蚝粉的优势与不足，探究贝壳粉作为矿粉的可能性以及所需要的改良，旨在实现贝壳资源在沥青混合料方面的再利用。

【关键词】固体废弃物；矿粉；贝壳粉；沥青混合料；再利用

1  矿粉

1.1矿粉的定义

矿粉是符合工程要求的石粉及其代用品的统称，是将矿粉粉碎加工后的产物。

1.2沥青混合料用矿粉的要求

矿粉作为目前沥青混合料中的矿粉必须采用石灰岩或岩浆岩中强基性的岩石等憎水性石料经磨细得到的矿粉，由于沥青采用的是中性或酸性的耐磨石料，因此矿粉必须呈现碱性，其沥青与矿料之间相互作用后，能够改善沥青与矿料的粒料的黏附性，提高沥青砼的水稳性，从而提高沥青砼路面的抗破坏能力，延长使用寿命，其矿粉质量应符合表1要求：

表1   沥青混合料用矿粉质量要求

1.3 矿粉性能对沥青混合料的影响

1.3.1 级配

矿粉作为沥青混合料中矿料的一个重要组成部分，除了要满足材料自身的级配要求外，还要填充粗细集料之间的空隙，以保证整体的矿料级配能够满足设计要求，并满足设计空隙率的要求。沥青混合料是由粗集料、细集料和沥青胶浆组成的，其中包含矿粉和沥青的沥青胶浆则是决定沥青混合料高、低温性能的关键因素。由于规范中对粉胶比的定义仅仅涉及粒径小于0.075ｍｍ 的集料，即真正与沥青相结合形成胶浆的是这部分集料。那么矿粉中粒径小于0.075mm这一部分的级配组成对整个沥青混合料的质量是有重要影响的。粉胶比越大，沥青混合料的高温抗车辙能力越强，粉胶比越小，会有利于混合料的低温抗裂性。

1.3.2 比表面积

矿粉的比表面积是指单位质量矿粉的总表面积。在沥青混合料中矿粉的用量虽然只占很小的一部分，但其表面积却占矿质混合料总表面积的80 %以上;同时，矿粉的比表面积由于矿物组成 、粒径、表面性质不同，也有很大的差异，因此，比表面积是评价矿粉性质的一个重要指标。比表面积受矿粉的级配、表面特征等因素的影响。比表面积大，则可吸附较多的沥青成分，对沥青的增劲效果明显，但过大的比表面积会使得沥青胶浆的劲度模量过大，这说明表面特征等因素对比表面积有较大影响 [1]。

1.3.3亲水系数

李涛、扈惠敏[2]通过对比测试岩性、粒径、表观密度及亲水系数等技术指标来探究不同矿粉对胶浆性能的影响，表明石灰岩矿粉比白云岩矿粉更易吸附沥青，矿粉的亲水系数即矿粉试样在水（极性介质）中膨胀的体积与同一试样在煤油（非极性介质）中膨胀的体积之比，用于评价矿粉与沥青结合料的粘附性能。矿粉的亲水系数直接影响沥青混合料的水稳定性。对于亲水系数大于１的矿粉，当遇到水时，由于对水的亲和力要大于对沥青的亲和力，矿粉会优先与水结合，从而降低集料与沥青的粘附性。水进入到沥青－集料界面，阻断沥青与集料的粘结，使沥青与集料的接触面减小，最终导致沥青从集料表面剥落，出现水损害现象。

1.3.4塑性指数

矿粉的塑性指数是矿粉液限含水量与塑限含水量之差，用于评价矿粉中粘性土成分的含量。塑性指数高的矿粉，吸水性和吸油性较大，并由此发生膨胀，将使沥青混合料的强度降低，或者在水的作用下发生剥离，导致沥青路面的损坏。

1.3.5加热安定性

矿粉的加热安定性是矿粉在热拌过程中受热而不产生变质的性能，用于评价矿粉易受热变质成分的含量。试验时，温度要加热到200℃，与一般沥青混合料拌和时矿粉的加热温度相符合。

2  矿粉的表面能

孔令云[3]等为探究矿粉表面能与其组成化学成分间的内在关系，通过灰色关联法与主成分分析法，以矿粉的化学成分质量分数为媒介，对采用毛细管上升法测得的5种矿粉、5种化学成分表面能之间的关系模型进行量化分析。结果表明: 矿粉的表面能实测值与通过其化学成分表面能计算的计算值之间存在良好的关联度; 提出了变化的矿粉表面能、化学成分质量分数与不变的化学成分表面能之间定量关系模型，通过该模型可对不同岩石加工的矿粉，在测得其化学成分质量分数后，直接计算得到矿粉的表面能。

3  贝壳的结构和组成

贝壳是一类重要的生物矿化材料，由占壳重95%的碳酸钙和约5%的有机质构成［4］。贝壳广泛存在于软体动物中，其形态结构也复杂多变。最外层为角质层，厚度较小，主要由硬化蛋白质组成，能耐酸的腐蚀，对贝壳起到保护作用；中间层为棱柱层，由棱柱状的碳酸钙晶体和棱柱之间的有机质复合而成；内层为珍珠层，由片板状碳酸钙晶体平行堆砌而成，片层之间通过有机质紧密相连。贝壳中的无机组分主要为方解石型碳酸钙晶体和文石型碳酸钙晶体，其中后者对温度和压力的稳定性不如前者。在贝壳的生物矿化过程中，有机质组分的功能是调控碳酸钙的晶核形成、晶型转变和晶体生长，并最终决定贝壳的微观结构

［5］。

4  贝壳粉体的表面特性

贝壳的有机无机复合结构使得贝壳粉体表现出独特的理化性质。对常见的贻贝、河蚌和珍珠等贝壳粉体的物相、表面元素组成和亲水亲油性等性质进行了研究。对贻贝壳珍珠层粉体的表征结果显示，其主要成分为文石型和方解石型碳酸钙，呈片状，且粉体的热失重温度高于250℃，热稳定性良好。对珍珠贝壳珍珠层粉体的研究表明，粉体表面对水的接触角约23.4°，对正庚烷浸润，具有亲水和亲油的双亲性，粉体中有机物含量约为3.87%；粉体表面含有氨基和羟基等有机基团。此外，对河蚌壳珍珠层和棱柱层粉体的研究也表明，粉体中含有一定比例的有机质（约4%），粉体表面由钙、碳、氧和氮元素组成，粉体表面具有亲水和亲油的双亲性。

5 结论

本文首先陈列了矿粉的要求以及在沥青混合料的性能指标，再通过大量文献的总结，阐述了贝壳的结构与组成，以及研磨成粉的表面特性，发现了贝壳与矿粉成分极其类似，但由于材料结构差异，贝壳不能直接应用到各种领域，需要对其进行改性。虽然贝壳随处可见，但最后的研究对贝壳粉加工后的成本进行控制。由于贝壳在沥青混合料的应用研究很少，探索贝壳粉作为沥青混合料矿料具有广阔的研究价值和推广价值。

6 参考文献

[1]李平，芦军，张争奇，王秉纲，孙鸿伟.沥青混合料用矿粉性能指标研究[J].中国公路学报，2008(04):6-11.

[2]李涛，扈惠敏. 矿粉对沥青胶浆性能的影响[J]. 合肥工业大学学报:自然科学版，2013.

[3]孔令云，李金桥，张玉贞，余苗.矿粉表面能与其所含化学成分表面能关系模型[J].哈尔滨工业大学学报，2018，50(09):101-107.

[4]李海晏. 废弃贝壳高附加值资源化利用[D].浙江大学，2012.

[5]曾仕梅. 三角帆蚌贝壳基质蛋白基因hic31和hic52的鉴定及其生物矿化功能研究[D]. 上海海洋大学.