路面回收料（精选8篇）
路面回收料 篇1
在我国经济持续快速发展、交通量日益繁重、轴载不断增加的背景下, 越来越多的道路陆续进入了维修期限。我国部分经济发达地区道路行业的重心已经率先开始从道路新修建设向大中修养护转移。为了节约能源、减少环境污染、合理利用路用资源、尽可能减少废旧混合料堆放场地和降低路面工程造价, 在沥青路面维修工程中应充分考虑废旧沥青路面材料的再生利用问题。特别是旧沥青的再生利用中, 必须对再生沥青混合料中沥青的性能进行评价, 以确定其再生适用性。
1 沥青老化机理分析
沥青在储运、加工、施工及使用过程中, 由于长时间地暴露在空气中, 在风雨、温度变化等自然条件的作用下, 会发生一系列的物理及化学变化, 如蒸发、脱氢、缩和、氧化等。此时, 沥青中除含氧官能团增多外, 其他的化学组成也发生变化, 最后使沥青逐渐硬化变脆开裂, 不能继续发挥其原有的密封作用。沥青所表现出的这种胶体结构、物理性质或机械性能的衰减过程称之为老化。与原样沥青相比, 老化的沥青性能衰减主要体现在两方面:一是粘度过高;二是柔韧性不足。
沥青的老化机理目前主要有两种理论, 即组分迁移理论和相容性理论。组分迁移理论认为沥青老化的根本原因是氧化、缩合作用。沥青发生氧化、缩合作用时, 低分子化合物向高分子化合物转变。在沥青组分中, 油分属于低分子化合物, 经过氧化、缩合作用后, 其中的芳香烃向胶质转变, 胶质向沥青质转变, 最后沥青质聚合成更大的分子化合物;相容性理论认为沥青老化的实质是沥青中各组分化合物化学结构的变化, 引起沥青中沥青质与软沥青质溶解度参数的变化, 导致沥青质与软沥青质之间的溶解度参数差值增大, 因而相容性降低, 胶体结构遭到破坏, 最终表现为沥青路用性能衰减。
2 回收沥青胶结料试验研究
2.1 旧路面沥青室内回收试验
沥青的回收分两个步骤:第一步是抽提, 即用溶剂将沥青从混合料上溶解, 分离出沥青溶液;第二步是蒸馏, 即通过蒸馏将沥青溶液中的溶剂除去, 从而得到沥青, 再进行其性能试验。目前国内最常用的方法是采用三氯乙烯溶剂浸泡沥青混合料, 利用离心分离法将沥青与集料分离, 得到沥青溶液, 然后采用阿布森方法从溶剂中回收沥青。本文研究中采用这种方法进行旧路面沥青的室内回收, 并开展回收沥青胶结料性能试验分析与评价。
2.2 常规试验分析
2.2.1 针入度试验
针入度试验是国际上经常用来测定沥青稠度的一种方法。通常稠度越高的沥青, 针入度值愈小, 表示沥青愈硬。通常描述沥青感温性的指标是针入度指数PI值, 针入度指数PI增加, 说明沥青温度敏感性降低了, 按式 (1) 计算, “八五”攻关建议以当量软化点T800代替实测软化点来评价沥青的高温使用性能, 计算公式见式 (2) , 并以当量脆点T1.2及10℃延度作为评价沥青低温抗裂性能指标, 当量脆点降低, 说明低温抗裂性得到了提高, 计算公式见式 (3) 。
研究中在三种温度 (15℃, 25℃, 30℃) 下, 荷重为100g, 贯入时间为5s, 试样的深度以0.1mm计的情况下进行针入度试验, 其结果如图1, 各指标之间的换算结果见表1。
分析上述试验结果可知, 沥青的老化导致其针入度值变小, 针入度指数PI增加, 当量软化点T800升高, 当量脆点T1.2增加, 由此说明沥青老化后其温度敏感性降低了, 其高温稳定性得到了提高, 但其低温抗裂性能下降。
2.2.2 延度和软化点试验
研究中在参考我国现行的沥青标准规范基础之上, 在试验温度为15℃、拉伸速率为50mm/min下, 测定各种沥青原始状态下的低温延度值;我国现行规范软化点试验法是采用环球法。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 (JTJ052-2000) 的要求对回收沥青和重交沥青70#进行了基本性能的测试, 其结果列于表2。
2.3 SHRP试验分析
2.3.1 旋转粘度试验
参照SHRP标准, 采用Brookfield旋转粘度仪来测试沥青在60℃下的粘度。粘度检测 (60℃粘度) 试验所得数据列于表3。
分析试验数据可知, 随着沥青的老化, 其粘度明显增加。由于沥青材料因其化学组分和化学结构上的差异, 而表现为不同的老化速度, 依据公式 (4) 可以通过老化指数m定量地反映沥青材料的老化速度, 从而为选择合理的再生时机提供依据。
η=b (1+t) m (4)
式中:η—沥青材料60℃的粘度;
b—系数, 其数值等于沥青材料60℃的初始粘度;
t—老化时间;
m—老化指数。
老化时间以5年进行计算, 可知重交沥青70#的老化指数约为1.32。
2.3.2 高温动态剪切试验 (DSR)
研究中采用型号为MCR300的动态剪切流变仪 (DSR) 分别对基质沥青和老化沥青进行车辙因子G*/sinδ的测试, 在52～82℃温度范围内进行试验, 测定各种沥青的复数剪切模量G*和相位角δ, 进而确定沥青的车辙因子 (G*/sinδ) 。对G*、G*/sinδ、δ与温度的关系进行了分析, 其变化规律如图2～图4。
试验结果表明, 沥青的复数模量G*和车辙因子G*/sinδ均随温度的升高而降低, 表明伴随着沥青材料温度的升高, 沥青材料劲度明显降低, 而发生明显的软化现象。
参照Superpave沥青结合料性能规范中要求原样沥青不低于1.0kPa、RTFOT后残留沥青不低于2.2kPa来划分沥青PG高温分级的标准可知回收沥青的高温分级为PG76。对于基质沥青而言, 各不同温度条件下老化后沥青材料的沥青车辙因子在原样沥青材料的基础上有明显的上升, 这是因为老化后沥青的劲度增加, 耐高温性能增强。同基质沥青比较而言, 原有回收沥青在经过短期老化后在各不同温度条件下的沥青车辙因子较原样老化沥青材料的基础上均存在上升的幅度, 由此表明沥青随着老化的加深, 胶体结构逐渐发生变化, 非牛顿性质越来越突出, 只不过回收沥青经过短期老化后的沥青车辙因子较原样沥青材料短期老化后的沥青车辙因子上升幅度小, 回收沥青更加稳定。
2.3.3 低温弯曲梁流变试验 (BBR)
Superpave研究中采用弯曲梁流变试验来评价沥青胶结料的低温流变性质。BBR试验采用弯曲蠕变劲度模量S和蠕变曲线的斜率m来评价沥青低温抗裂性能, 劲度模量S越小, 则表示沥青的低温柔性越大, 要求不超过300MPa;m值越大, 则表示低温应力越不易累积, 沥青路面不易发生低温开裂, 要求不小于0.3。采用美国CANNON公司生产的弯曲梁流变仪进行试验, 其方法为AASHTO标准TP1-93。试样是经过RTFOT老化后的沥青残渣, 对不同沥青在不同温度下的流变性质进行分析, 试验所得的结果如图5、图6。
由图5、图6可以看出:同种沥青的蠕变劲度S随温度的降低而增大, 沥青不一样, 增加的幅度亦有差别, 回收沥青蠕变劲度S较基质沥青大, 说明沥青老化后, 使得沥青柔性减弱, 降低了沥青的松弛能力。沥青的蠕变劲度模量S随时间的变化率m值的大小与温度有关, 随温度的降低而减小, 降低幅度的大小因沥青性质而异。由试验数据可知, 回收沥青的PG低温等级为-12℃, 重交70#沥青的PG低温等级为-18℃, 回收沥青的低温等级比重交70#沥青低一个等级, 抗低温性能变差。
3 回收沥青胶结料性能评价
通过70#重交道路沥青和回收沥青胶结料性能对比试验分析可知:回收沥青胶结料的温度敏感性明显降低;回收沥青当量软化点较重交沥青70#高, 其高温稳定性更好, 沥青的老化有利于高温稳定性提高;回收沥青当量脆点较重交沥青70#高, 其低温抗裂性减弱, 沥青的老化不利于低温抗裂性;试验可知沥青材料的粘度随着沥青的老化明显增加, 且回收沥青的劲度增加, 耐高温性能增强, 与当量软化点T800有较好的相关性;BBR试验数据分析表明老化后沥青低温抗裂性减弱, 与当量脆点有较好的相关性。
4 结论
采用现行规范推出的针入度分级体系和SHRP性能分级体系试验对老化沥青进行评价分析。试验研究表明, 由于沥青的老化, 使得回收沥青的温度敏感性降低, 低温抗裂性减弱, 劲度增加, 耐高温性能增强。对回收沥青性能进行分析研究, 有助于了解沥青的老化程度, 为沥青再生中确定再生剂的种类和剂量提供参考依据。
参考文献
[1]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].人民交通出版社, 2003.
[2]应荣华, 郑健龙, 陈骁.沥青老化效应的试验研究[J].公路交通科技, 2007, 24 (6) :20-23.
[3]JTJ052-2000.公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京:人民交通出版社, 2000.
[4]江苏省交通科学研究所.高性能沥青路面Superpave技术使用手册, 2002.
[5]拾方治, 马卫民.沥青路面再生技术手册.人民交通出版社, 2006.11.
如何改善路面沥青结合料的性能 篇2
关键词：改善路面沥青结合料性能
1、改善沥青结合料的性能
改善沥青的温度敏感性、低温稳定性和流变性对提高混合料的高温和低温力学性质效果非常显著，沥青性能改善对提高路面长期使用性能有着非常重要的作用。比较各种改性沥青的性能，sBs改性沥青无论从高温、低温眭能、弹性恢复性能，还是感温性能几个方面，都有明显的优势，是其他改性沥青如PE和EVA无法相比的。sBs的优越性突出表现在使软化点大幅度提高的同时，又使低温延度明显增加，感温性得到很大改善，不仅高温稳定性大幅度提高，而且低温性能也同时改善，并且弹性恢复率特别大，所有指标都有明显提高，这是非常难得的。sBs改性沥青具有其他改性剂或综合改性剂无法相比的优点，而且在价格上也可以与PE、EVA竞争，所以改性沥青以选用sBs为佳。目前，世界上使用最多的是sBs，约占改性沥青总量的40％-44％。
2、提高集料的质量
在考虑材料对沥青混合料的影响时，往往比较重视沥青的影响，而对集料的影响重视不够。然而，集料质量差，混合料的质量必然也差，故要提高沥青混合料的性能，必要条件是保证集料的质量，然后再考虑矿料级配的控制。要提高路面抗车辙的能力，集料要符合下面两项要求：一是碎石表面微观粗糙度大，且形状接受立方体，质地坚硬；二是使用人工砂，限制使用圆形颗粒的天然砂。但是，我们生产的碎石针片状偏多，形状难以接近立方体；人工砂没有专门生产供应，所谓的人工砂一般只是轧石厂筛余的下脚料。碎石的粒径组成比例也不稳定，筛分结果有较大偏差。这样势必引起混合料级配的改变，对路面的质量和使用寿命产生很大影响。为此，我们应该采取有效措施，提高矿料质量，保证颗粒组成的稳定性。轧好的碎石要分开堆放，并做好防尘保护，保持碎石清洁。进场材料要按规范进行检验，尽可能加大抽检密度，不合格的材料坚决退场。堆场要进行场地硬化，避免将堆场的土混入碎石中。不同规格的料堆间设置隔离墙，以免不同规格碎石混杂一起。料堆要有明显标示，防止上料时装错料。
3、改善沥青与集料的粘结性
路面早期破坏水损害是其中一个重要原因。水损害产生的原因除了施工和配合比设计方面的原因以外，沥青结合料与集料表面的粘结力丧失而导致集料松散剥离是其中的主要原因。沥青混合料的粘附性差(水稳性不好)，容易导致面层严重辙槽、局部松散和坑洞等水损坏现象。国内外道路工程师们常采用两种方法，一是利用碱性矿料处理酸性矿料的表面，使后者活化，传统做法是使用石灰或水泥。由于用消石灰水处理矿料工程量较大，也可以直接往拌和室内加消石灰或生石灰粉。掺消石灰粉、生石灰粉或水泥是首选推荐措施，理由是这种方法价格便宜，施工简单，只要用它代替一部分矿粉就可以了。另外一种方法是向沥青中加入少量液体抗剥落剂，这些液体抗剥落剂的初期效果不错，但其长期性能或耐久性尚待进一步研究，工程应用时要注意选择。
4、使用纤维沥青混凝土
在沥青混凝土中掺加纤维，以改善沥青混凝土的性能，提高沥青混凝土的高温稳定性，低温抗裂性、抗疲劳性、柔韧性、抗剥落；性、抗磨耗性和水稳性，以及抵抗反射裂缝等方面都有很好的功效。按照混合料总重的2.25％的比例加入博尼维后，大约每立方米有超过18亿根分离的博尼维吸附并稳定沥青，使沥青的粘稠度和粘聚力增大，并由于纵横交错的加筋作用，使得混合料具有较高的强度。从动稳定度的结果可以看出，博尼维可使混合料的高温抗车辙性能改善。试验结果还可以看出，博尼维经搅拌均匀后，分布于沥青混合料中，通过加筋作用使混合料具有了较好的柔性，其劲度模量增加，耐疲劳性改善，并使混合料的低温抗裂性能增强，疲劳寿命增加。
5、改善沥青混凝土面层的使用性能
沥青混合料的性能要求往往是矛盾的或相制约的，照顾了某一种性能，很可能会降低另一方面的性能。这里最突出的有两对矛盾，第一是高温稳定性和疲劳性能与低温抗裂性能的矛盾。为了提高高温抗车辙能力，应尽量采用粗级配，增加集料数量，减少用油量，采用粘稠度小的沥青，但这样的混合料低温很容易开裂，疲劳性能差；而为了提高耐久性和低温抗裂性能，则要近可能使用稠度大的沥青，而且要增加用量，用细集料、密集配混合料，但这样到了夏天很容易产生泛油和车辙病害。第二是路面表面特性和耐久性的矛盾。要求抗滑性能好，不濺水，雨雾小，噪音轻，必须提高表面粗糙度，采用构造深度大的粗集料、开级配或半开级配的沥青混合料。但是这样的混合料空隙率必然较大，而孔隙率大的混合料空气接触面大，老化快，耐久性差，耐疲劳性能差；为了提高耐久性，就要采用较小空隙率的混合料。为了解决这两对矛盾，采用传统集配是达不到要求的，实践证明下面几种方法的应用效果非常显著。
5.1使用多碎石沥青混凝土国内研究统计资料显示，sA C-16混凝土的稳定度可达到传统A C25[型混凝土的2.67倍，表面构造深度TD一般都在0.8-1.1(ram)之间，最大可超过1.2mm。且SAC有优良的摩擦系数和表面构造深度，可达到密级配，并具优良的抗辙槽能力。
5.2使用沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)
sMA由于具有相互嵌锁的骨架，它的抗形变能力受高温影响不大。此外，它的卓越封闭性(由于其高沥青含量在每一碎石周围形成了厚沥青膜)能抵风化作用。
路面回收料 篇3
水泥路面大修工程中碎石化工艺被广泛应用。采用王松根等著的《旧水泥混凝土路面碎石化技术应用指南》进行水泥路面碎石化处理的主要工序为:用多锤头破碎机MHB破碎水泥面板,用“Z”型压路机和钢轮压路机振动压实,喷洒乳化沥青透层和石屑,用光轮压路机静压[1]。然后,摊铺沥青加铺层。
上述工艺存在以下问题:(1)破碎的粒料中粒径小于0.075 mm的颗粒含量高,吸收大量沥青,形成未分散的“胶团”;(2)在破碎的粒料表面喷洒乳化沥青后碾压成型,无拌和过程,沥青在粒料中分布不均匀;(3)凭经验确定沥青洒布量,无法保证最佳沥青用量,严重影响成型后结构层强度和抗变形性能。
这些问题的危害是:成型后的结构层的粒料松散,在水泥面板和加铺的沥青面层之间形成软弱夹层,抗拉强度和抗剪强度低。实际工程中,为了降低沥青层底拉应力和沥青层与水泥面板之间的剪应力,都必须加铺厚的沥青层。造成大量沥青和集料资源的浪费。
为克服现有技术存在的不足,回收水泥路面碎石化后破碎的粒料,采用乳化沥青作为结合料,再生成冷拌沥青混合料,并通过试验评价了再生混合料的路用性能。
1 试验材料
在G205安徽天长段旧水泥混凝土路面改造工程中,采用多锤头碎石化设备和“Z”型压路机破碎旧水泥混凝土面板。收集破碎的粒料,筛除粒径小于0.075 mm的颗粒,掺加30%的新集料后,配置的混合料级配见表1。
试验所采用的沥青为阳离子拌和型慢裂乳化沥青,乳化沥青技术性能见表2。采用的水泥为普通硅酸盐水泥,强度等级为32.5。
2 再生沥青混合料的性能
采用表2给出的合成级配,掺加2%的水泥。固定总液体用量,即乳化沥青与水的总量,通过试验评价不同乳化沥青用量的再生混合料的性能。
2.1 马歇尔稳定度试验
通过马歇尔稳定度试验评价再生混合料的高温稳定性,浸水马歇尔稳定度试验评价再生混合料的抗水损害性能。标准马歇尔试验试件养生条件为:常温成型,常温养生1 d,脱模,60 ℃养生3 d,进行马歇尔稳定度试验;浸水马歇尔稳定度试验试件养生条件:常温成型,常温养生1 d,脱模,60 ℃养生3 d,60 ℃浸水48 h进行马歇尔稳定度试验[2]。试验结果见表3。
由3表可得以下结论。
(1)随着乳化沥青用量的增加,马歇尔稳定度呈现先增加,后减小的趋势;乳化沥青用量为5.0%时,马歇尔稳定度最大。
(2)60℃浸水48 h后,试件的残留稳定度均大于75%;乳化沥青用量为5.0%时,残留稳定度最大。
2.2 劈裂强度试验
采用15 ℃的劈裂试验评价再生混合料的抗弯拉强度。标准劈裂试验试件养生条件为:常温成型,常温养生1 d后脱模,60 ℃养生3 d;浸水劈裂试验试件养生条件为:常温成型,常温养生1 d后脱模,60 ℃养生3 d,15 ℃浸水48 h。试验结果见表4。
由表4可得以下结论。
(1)随着油石比的增加,再生混合料的劈裂强度逐渐增大。
(2)由于掺加了2%的水泥,浸水48 h后,试件的残留劈裂强度比均大于85%。
综合马歇尔稳定度试验和劈裂强度试验结果,将再生混合料的最佳乳化沥青用量确定为5.0%。
下面进一步验证,在最佳乳化沥青用量下,混合料的高温稳定性和水稳定性。
2.3 车辙试验
为了进一步验证混合料的高温性能,进行了最佳乳化沥青用量的车辙试验(60℃)检验沥青混合料的高温稳定性。
采用与马歇尔试件相同的密度,常温下轮碾成型车辙试件,常温1 d后脱模,60 ℃养生3 d,按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定的方法进行车辙试验[3]。试验结果见表5。
试验结果表明,采用5.0%的乳化沥青用量,冷再生混合料动稳定度均大于4 500次/mm,具有优良的高温稳定性。达到了JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》对改性沥青混合料的技术要求[4]。
2.4 冻融劈裂试验
采用冻融劈裂试验,评价再生混合料的水稳定性。按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的规定,采用双面各击实50次成型常温马歇尔试件,常温1 d后脱模,60 ℃保温3 d,进行冻融劈裂试验,结果见表6。
表6的试验结果表明,采用5.0%的乳化沥青用量,冷再生混合料残余劈裂强度比大于90%,具有优良的水稳定性。
3 结语
现有水泥路面碎石化技术在破碎的粒料表面喷洒乳化沥青后碾压成型,无拌和过程,沥青在粒料中分布不均匀;也无法保证最佳沥青用量,严重影响成型后结构层强度和抗变形性能。本文采用乳化沥青作为结合料,将回收水泥路面碎石化后破碎的粒料再生成冷拌沥青混合料,并通过试验评价了再生混合料的路用性能。主要结论如下。
(1)通过马歇尔稳定度试验和劈裂强度试验确定的再生混合料的最佳乳化沥青用量为5.0%;
(2)车辙试验结果表明,最佳乳化沥青用量时,冷再生混合料60 ℃的动稳定度均大于4 500次/mm,具有优良的高温稳定性;
(3)冻融劈裂试验结果表明,最佳乳化沥青用量时,冷再生混合料残余劈裂强度比大于90%,具有优良的水稳定性。
综上所述,用回收水泥路面碎石化后破碎的粒料再生成的冷拌沥青混合料具有较高的力学强度,优良的高温性能和水稳定性,满足JTG F41—2008《公路沥青路面再生技术规范》要求[2]。
参考文献
[1]王松根.旧水泥混凝土路面碎石化技术应用指南.北京:人民交通出版社,2007
[2]JTG F41—2008.公路沥青路面再生技术规范.北京:人民交通出版社,2008
[3]JTG E20—2011.公路工程沥青及沥青混合料试验规程.北京:人民交通出版社,2011
路面回收料 篇4
对沥青路面再生利用的研究起源于美国。1998年,美国联邦公路局(FHWA)公布的资料表明,50个州政府的公路局几乎都将沥青路面旧料作为骨料及粘结料的代替材料,用以生产与传统沥青混凝土品质相同的热再生沥青混凝土,其中旧料的添加量随各州政府规范而异,一般在10%～50%之间[1]。近年来,沥青路面再生技术也备受国内道路工程界的关注[2]。2006年～2010年,安徽省高速公路总公司与华南理工大学联合开展了“废旧沥青混合料的再生利用技术”的专题研究[3]。充分利用了国外已有的工程数据和科研成果,运用先进的试验和测试手段,形成先进、实用的沥青路面冷再生成套技术。重点研究了老化沥青和沥青混合料性能;冷再生混合料设计和性能评价;冷再生路面的施工工艺和质量控制技术;冷再生路面使用性能的观测与评价等[4]。
目前,沥青路面冷再生技术已经成为国内外道路工程界的研究热点。但是,普遍将回收的旧沥青混合料(RAP)破碎、筛分后作为集料使用。RAP中的沥青未得以利用,造成了大量沥青资源的浪费。因此,常温下老化沥青的再利用技术是制约沥青路面冷再生技术进步和大规模推广应用的瓶颈。
2010年,安徽省高速公路集团有限公司针对“常温下回收沥青混合料的乳化再生技术”立项研究。目前,已经取得阶段性成果,所研发的常温乳化再生剂能够高效地乳化回收沥青混合料中的老化沥青(如图1所示,图像的放大倍数为1∶0.95);并通过试验比较了添加该乳化剂的再生混合料与常规的添加乳化沥青的冷再生沥青混合料的路用性能。
1 再生混合料的组成
采用高速公路面层铣刨回收的旧沥青混合料、阳离子慢裂乳化沥青(蒸发残留物含量为60.05%)、32.5号水泥和华南理工大学研发的阳离子乳化再生剂。
在回收旧沥青混合料中添加2%的水泥。矿料的筛分结果与合成级配见表1。
采用表1的合成级配,按预估的乳化沥青用量(纯沥青2.5%)和乳化再生剂用量(2%),分别改变拌和用水量,用重型击实试验确定各配比的最佳液体用量及混合料的最大干密度[5]。结果见表2。
2 再生混合料性能评价
2.1 再生混合料的体积指标
常温下成型马歇尔试件,常温养生1 d,脱模,60 ℃养生3 d后,采用表干法测定了试件的毛体积相对密度。同时,用真空法测定了混合料的最大理论相对密度。试验结果见表3。
马歇尔试件的空隙率体现了混合料的压实特性,并对再生混合料长期性能影响显著。表3的试验结果表明,添加乳化再生剂的混合料马歇尔试件空隙率小于常规乳化沥青冷再生混合料。说明前者更易于压实,也更加耐久。
2.2 再生混合料的水稳定性
水稳定性是冷再生沥青混合料的关键性能之一。采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价和比较2种再生沥青混合料的水稳定性。一组马歇尔试件在常温下成型,常温养生1 d,脱模,60 ℃养生3 d后进行马歇尔稳定度试验。另一组对比试验,常温下成型马歇尔试件,常温养生1 d,脱模,60 ℃养生3 d,60 ℃浸水48 h后进行马歇尔稳定度试验。试验结果见表4。
冻融劈裂试验试件养生条件:常温成型,常温养生1 d,一组-18 ℃养生16 h,然后60 ℃养生24 h,两组同时25 ℃浸水不少于2 h。试验结果见表5。
表4和表5的试验结果表明,2组试件的均具有较大的残留稳定度和冻融劈裂强度,说明2组再生试件均具有较高水稳定性,尤其是添加乳化再生剂的试件的水稳定性更加优良。
2.3 再生混合料的强度
劈裂强度是路面结构设计的重要参数之一。劈裂试验试件养生条件为:常温成型,常温养生1 d,60 ℃养生3 d;浸水劈裂试验试件养生条件:常温成型,常温养生1 d,60 ℃养生3 d,15 ℃浸水24 h。试验结果见表6。结果表明,2组试件均具有较高的残留强度。
2.4再生混合料的高温稳定性
再生沥青混合料用作中、上面层时,高温稳定性是其路用性能的重要指标之一。采用马歇尔试件相同的密度,轮碾成型车辙试件,常温1 d后脱模,按照标准进行车辙试验。试验结果见表7。结果表明,2组试件60 ℃的动稳定度均大于热拌改性沥青混合料高温性能的要求,说明冷再生混合料的高温性能优良[6]。
3结 语
通过大量试验,比较了添加常温乳化再生剂的再生沥青混合料与常规的添加乳化沥青的冷再生混合料的力学性能。试验结果汇总如表8所示。并给出了《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41—2008)[7]的技术要求。
试验结果表明,采用华南理工大学研发的乳化再生剂常温下再生回收沥青混合料中的老化沥青,在不添加新沥青的前提下,使得再生沥青混合料的性能满足了《公路沥青路面再生技术规范》的各项技术要求,与常规的乳化沥青冷再生混合料的性能相当。
下一步将通过铺筑试验路研究常温乳化再生沥青混合料的施工工艺和长期路用性能。该成果的推广应用将节约大量宝贵的沥青资源。降低材料成本,节约工程投资。为实践“资源节约,环境友好”和可持续发展的交通建设模式做出贡献。
参考文献
[1]吕伟民.沥青路面再生利用的战略性举措.上海公路,2005;(2):7—9
[2]美国沥青再生协会.美国沥青再生指南.北京:人民交通出版社,2006
[3]张卫军,葛折圣.冷再生沥青混合料性能评价.中南公路工程,2007;22(3):124—126
[4]葛折圣,张卫军.热再生沥青混合料应用于透水性沥青稳定基层.中南公路工程,2010;(1):120—123
[5] JTJ 057—94公路工程无机结合料稳定材料试验规程
[6] JTJ F40—2004公路沥青路面施工技术规范
路面回收料 篇5
国家环境保护部门对废弃塑料制品回收再利用给予充分肯定, 并呼吁“循环经济”, 鼓励走可持续发展之路。再生资源回收利用是我国经济、社会可持续发展的战略选择。目前, 世界各国都把数量巨大的多种废弃物经过回收利用, 变废为宝, 使其得以减量化、无害化和资源化。近20多年来, 塑料废弃物回收利用的研究进展表明, 塑料废弃物的处理是提高资源利用效率、保护环境、建立资源节约型社会的重要途径之一。如果能够对这些报废的铁路货车工程塑料保持架实现有效地回收和充分的再生利用, 不仅可以节省大量的石油资源和能源, 更是一个有很大好处和利益的市场[2]。
同样的, 轴承大修报废下来的工程塑料保持架经过筛选、清洗、破碎后即可作为原材料再次使用, 来制作适合的新产品。当前首先要解决的问题是检测破碎后材料的性能, 确定其性能指标。笔者对报废下来的回收工程塑料保持架清洗后的回收料进行了红外谱图分析、DSC、TG分析、对其中的增强玻纤长度进行了显微成像研究, 并将碎料重新注塑样条进行拉伸、弯曲、冲击性能检测试验, 将检测结果与未加工的原材料性能进行对比, 为制定其性能指标提供了大量的试验数据, 为可能使用该材料的新产品提供相应理论依据。
1 实验部分
1.1 主要样品
工程塑料保持架原材料:25%玻纤增强的尼龙66 (下文简称“保持架原材料”) , 美国杜邦公司。
轴承大修报废下来的工程塑料保持架清洗后的回收料 (下文简称“回收料”) 。
1.2 主要设备、仪器
偏光显微镜:LV100POL型, 日本NICON公司;
热失重分析仪:Q500型, 美国TA仪器公司;
差示扫描量热仪:Q200型, 美国TA仪器公司;
红外光谱仪:Nicolet380型, 美国Nicolet公司;
毛细管流变仪:GOETTFERT MI-3, 德国高特福公司;
万能试验机:INSTRON 5567型, 英国INSTRON公司;
冲击试验机:6957.000, 意大利CEAST公司;
马弗炉:DC-B-1, 北京独创科技有限公司。
1.3 性能测试及表征方法
偏光显微镜观察玻纤长度, 分别取保持架原材料和回收料在马弗炉中升温到600℃进行燃烧2h后, 取出放在干燥器中冷却1h, 将剩余的玻璃纤维在显微镜下观察, 比较两种材料的玻纤长度。
热失重分析 (TGA) , 分别对两种样本进行表征, 样品质量为9.0~11.0mg, 气氛氮气流量60ml/min, 以10℃/min速度升温, 从室温升至580℃, 检测两种样本的开始分解温度, 然后转用氧气气氛流量为60ml/min, 继续升温至680℃, 检测两种材料的各组分的含量。
差示扫描量热分析 (DSC) , 分别取两种样本质量为5.0~6.0mg, 放入铝制坩埚内, 纯铟校正, 空坩埚作参比, 氮气流量50ml/min, 以10℃/min速度升温, 从室温升至300℃, 记录一次升温熔融曲线。按照GB/T19466.3中的分析方法分析其熔融温度。
运用原位全反射傅里叶红外光谱 (ATRFTIR) 技术对两种样本进行红外光谱分析。
熔体粘度分析, 将两种样本进行干燥处理4~6h, 温度285℃预熔4min后, 用10/1的毛细管对处理后的两种料进行粘度检测。设定剪切速率分别为:2、4、8、16、32、64、128、256、512和1024mm/s, 得到每个速率的表观剪切粘度并比较。
力学性能检测, 检测两种样本的拉伸性能、弯曲性能和抗冲击性能, 分析回收料比原材料性能下降比。
2 结果与讨论
2.1 纤维长度显微图片
图1~2分别为保持架原材料和回收料在马弗炉600℃高温燃烧后剩余的玻璃纤维观察的显微镜照片, 由图可见保持架原材料玻纤长度 (97~792.77μm) 明显大于回收料玻纤长度 (93~446.25μm) 。主要是因为添加玻纤的原材料, 经过了一次加工 (注塑产品) 后, 料杆对熔料的搅动会使玻璃纤维变碎变短。而玻璃纤维在材料中主要起到加强力学性能的作用, 因此推断回收料的力学性能与原材料相比会有所下降, 下面的数据也证实了这一点。
2.2 TGA热失重分析
常温条件下, 尼龙66比较稳定。图3中可以看出, 300℃之前, 保持架原材料和回收料失重率非常小, 认为失重主要是因为有机溶剂的挥发及失水所致[2]。400℃以上, 两种样本的失重率迅速增加, 是由于聚合物热分解所致。材料的热稳定性能还是很强的。
图3中分析可知, 回收料的开始分解温度 (403.43℃) 低于保持架原材料的分解温度 (414.20℃) , 主要是因为聚合物材料经过一次加工后, 分子链会发生断裂, 热稳定性下降所致。各组分的含量见表1, 可以看出原材料和回收料各组分没有很大变化。
2.3 DSC分析
聚合物在温度升高时会发生熔融。图4为两个样本的DSC曲线, 从图4中可以看出, 保持架原材料和回收料的开始熔融的温度和峰值基本一致, 表明材料熔点基本没有变化。因此回收料加工时的工艺参数可以参考保持架原材料加工工艺参数。
2.4 红外光谱分析
图5为保持架原材料和回收料的红外光谱图, 图5中可以看出两个样本的图型基本完全一致。从检测的基本型谱可以看出, 两种材料的主要组分均为尼龙类, PA的红外标准谱图[3]特征查询, 特征区和指纹区的任何吸收峰也没有超过5cm-1的偏差, 可见回收料与保持架原材料相比没有影响其基本结构的组分混合进去。因为保持架在轴承中仅与内外环和滚珠以及润滑油接触, 材料本身并没有发生化学变化。
2.5 剪切粘度分析
图6为保持架原材料和回收料经过毛细管流变检测得到的剪切粘度, 可以看出在285℃的熔融温度, 剪切速率为2、4、8mm/s慢速区间时两种材料的剪切粘度稍有偏差, 剪切速率大于16mm/s后两种材料的剪切粘度就基本一致了, 这一特点也可以证明回收料加工时的工艺参数可以参考保持架原材料的工艺参数。
2.6 力学性能分析
保持架原材料和回收料的力学性能分析见表2。干态和50%湿度处理后的回收料的拉伸强度、断裂伸长率, 弯曲强度和缺口冲击强度与原材料相比都有所下降, 拉伸强度下降13~14%, 断裂伸长率下降并不明显, 弯曲强度下降11~12%, 缺口冲击强度下降19~20%。主要是原材料经过一次加工 (制造产品) 后, 聚合物分子链会有断裂, 而且材料中有玻璃纤维增强, 经加工后也会有破碎和断裂情况, 使玻纤长度变短, 图1和图2的显微图片也可以明显看出这一点。因此回收料的力学性能必然有所下降。在试制新产品选材时一定要注意这一点, 不能简单的参考保持架原材料的力学性能指标。
3 结论
经过对轴承大修拆卸报废下来的工程塑料保持架, 由于工况比较单一, 运行过程中仅与油脂接触, 回收后经过简单的清洗即可利用。国内铁路货车自2003年大批量装用工程塑料保持架以来, 年均安装100多万件, 按照8年质量周期计算, 2011年开始已经有大批量报废下来的保持架产品, 单件重量200g计算, 每年产生的废旧保持架重量达到200t以上。经过以上的研究, 报废下来的工程塑料保持架回收料与原材料相比在材料基本组成、结构、熔点以及熔体粘度方面相比均没有变化, 可见该玻纤增强的尼龙材料使用后内部结构相对比较稳定。只是由于玻纤和高分子材料经过一次加工产生的玻纤碎断和分子链断链的现象, 导致了力学性能下降。完全可以用于本身要求力学性能不高的产品。本文中笔者仅对工程塑料保持架回收料的基本性能进行了初步的分析和研究, 望能为以后使用该材料制造新产品时提供相应的参考依据。
摘要：利用现代分析设备和技术, 对铁路货车轴承大修报废的工程塑料保持架的回收料进行性能分析。用显微镜观察材料内部的增强玻纤的长度;利用红外光谱表征回收料的结构;应用DSC差式扫描量热分析和TGA热失重分析回收料的热性能;运用拉伸、弯曲和冲击实验研究回收料的力学性能, 并将结果与原材料进行对比, 为以后用其制造新产品提供参考依据。
关键词：工程塑料保持架,回收料,力学性能,热性能
参考文献
[1]中华人名共和国铁道部主编.铁路货车轮轴组装检修及管理规则.中国铁道出版社, 2007.
[2]马占峰.废旧塑料回收利用的必要性和可行性.塑料工业, 2006, 4.
路面回收料 篇6
1 拌和站的除尘原理
本次研究采用DG4200T280型间歇式沥青混合料搅拌设备。首先通过一系列的布袋过滤和排除在骨料干燥过程中所产生的灰尘;然后利用高压空气短时间内喷吹布袋使其抖动而使粘附在其上的灰尘落入集料斗中,通过料斗下的螺旋输送器输送到外部,过滤后的气体通过引风机上的烟道排放到大气中。
2 试验材料
试验采用SBS改性沥青,主要的性能指标见表1。
回收粉采用石灰岩回收粉,颜色为灰白色。矿粉采用石灰岩磨细的矿粉。矿粉及回收粉的试验结果见表2。
集料采用石灰岩,各项指标均满足规范要求。
混合料采用AC-13Ⅰ型密级配沥青混凝土,最佳油石比为4.7%。为了研究回收粉对沥青混合料性能的影响,填料采用全部矿粉以及用10%、20%、30%、50%回收粉代替部分矿粉的沥青混合料分别对沥青混合料的高温性能、低温性能和抗水损害能力进行研究。
3 试验结果与分析
3.1 高温性能
抗车辙性能是衡量沥青路面高温稳定性的重要指标,本次研究根据规范[2]要求对混合料进行车辙试验以检验沥青混凝土的高温稳定性。车辙试件采用轮碾成型,试件尺寸为30 cm×30 cm×5 cm,试验温度为60℃,轮压为0.7 MPa,并以动稳定度DS作为沥青混合料抗车辙能力的评价指标。试验结果如表3所示,从表中可以看出,随着回收粉用量的增加,动稳定度增加,在10%时达到了峰值,之后逐渐下降。
3.2 水稳性
规范[2]规定:对于高速公路和一级公路的公称最大粒径等于或小于19 mm的密级配沥青混合料(AC),必须在规定的试验条件下进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验检验沥青混合料的水稳性。浸水马歇尔试验方法与标准马歇尔试验方法的不同之处在于,浸水马歇尔试验的试件在已达规定温度恒温水槽中保温时间为48 h,其余均与标准马歇尔试验方法相同[3]。冻融劈裂试验是按马歇尔击实法成型的圆柱体试件,击实次数为双面各50次。试件分成2组,第1组试件在室温下保存备用,第2组试件按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[3]T0717中的方法真空饱水,在98.3~98.7 k Pa真空条件下保持15 min,然后打开阀门,恢复常压,试件在水中放置0.5 h。取出试件放入塑料袋中,加入约10 m L的水,扎紧袋口,将试件放入恒温冰箱中在-18℃冷冻16 h取出与第1组试件一起放入25℃水中2 h,然后进行劈裂试验,算出水损害前后劈裂破坏的强度比,以评价沥青混合料水稳定性。浸水马歇尔及冻融劈裂试验结果见表4、表5。从表中可以看出,随着回收粉含量的增加,浸水马歇尔残留稳定度及冻融劈裂试验强度比增加,在10%时达到峰值,之后逐渐下降。说明用10%的回收粉代替矿粉时混合料的抗水损害的性能最好。
3.3 低温性能
规范规定[2]:宜对密级配沥青混合料在温度-10℃、加载速率50 mm/min的条件下进行弯曲试验,测定破坏强度、破坏应变、破坏劲度模量,并根据应力应变曲线的形状,综合评价沥青混合料的低温抗裂性能。按照T0715-1993中的试验方法[3],由轮碾成型的板块状试件上用切割法制作棱柱体试件,试件尺寸满足要求,每组试件为6根。采用万能多功能伺服试验机进行小梁试件的弯曲试验。试验结果如表6所示。从表中可以看出,随着回收粉含量的增加,弯拉应变在10%时达到峰值,之后逐渐下降。说明用10%的回收粉代替矿粉时混合料的低温性能同样最好。
3.4 试验结果分析
从车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验及小梁弯曲试验可以看出,用10%的回收粉取代部分矿粉时沥青混合料的各项性能都达到了最好,分析原因是因为回收粉比矿粉细,比表面积比矿粉大,在相同油石比的情况下,随着回收粉含量的增加,形成的沥青膜愈薄,结构沥青所占比重愈大,因而沥青混合料的粘聚力愈大,但回收粉含量超过一定比例之后,其中有害物质所起的作用愈加明显,以致使沥青混合料的各项性能指标呈下降的趋势。
4 结论
在沥青混合料中掺入适量的回收粉代替部分矿粉提高了沥青混合料的高温、低温和抗水损害的能力。因此建议在沥青混合料中使用部分回收粉作为填料使用,这样不仅能够节约工程成本,而且可保护环境。
参考文献
[1]黄晓明,吴少鹏,赵永利.沥青与沥青混合料[M].南京:东南大学出版社,2002.
[2]JTGF40—2004公路沥青路面施工技术规范[S].
沥青砼路面混合料离析现象探讨 篇7
1 沥青混凝土形成离析带的原因
沥青混合料产生离析的主要原因如下:
沥青混合料从贮料筒向运输车里卸落时, 混合料形成锥体后, 大骨料滚落在椎体角, 形成粗集料第1次集中。
运输车里的混合料卸向摊铺机时, 部分大骨料滚落在摊铺仉拌厢壁附近, 形成粗集料的第2次集中。
摊铺机送料器在送混合料过程中, 先将中间集料送于布料器, 剩余粗集料留存在料斗中, 摊铺机收斗时, 形成粗集料的第3次集中。
螺旋布料器形成的离析。摊铺机产生离析的主要环节在螺旋分混合料过程, 在作业中功率消牦最大的环节也在螺旋分析过程 (约为整机的50%～60%) 。摊铺机在设计过程中, 主要考虑功率因素, 使螺旋分料器中的物料表面位于螺旋直径的1/2-2/3处。按照这种情况, 输料量加大时, 而螺旋只有位于物料内部的部分才有输料能力, 因此为满足作业要求, 只能将转速提高。这样, 高速旋转且暴露在空中的螺旋布料器顶端就会向物料层上部的空间抛送物料。这是分料过程中形成离析的主要原因。
2 解决沥青混合料形成离析方法
基于以上分析, 为避免沥青混合料产生离析, 在摊铺中应采取如下措施:
2.1 从运输车辆方面来解决
从拌和机贮料罐向运料车上卸料时, 分3层放料, 即每卸1斗混合料, 汽车挪动1个位置。等l层放完后, 再逐次进行第2、3层放料, 从而减少粗集料的集中。
2.2 从摊铺机本身操作方面来解决
在摊铺机螺旋1/2处, 边端装反向螺旋叶片, 沥青的选择特别重要, 尤其是对于交通量路面, 要首选优质沥青, 沥青表层更如此。
集料的选定, 主要是判定粗集料、细集料酸碱性, 对于有些矿石材料像玄武岩、石英岩、花岗岩等本身就带酸性, 由于沥青含有沥青酸而显酸性, 如果两种酸性物质结合在一起, 则大大降低了相互之间的化学吸咐力, 因此沥青与集料容易剥离。在这种情况下应采用石灰岩、矿碴磨成矿粉或者直接加入一定的抗剥落剂, 增强沥青混合料的化学吸咐力。
此外, 对粗集料的压碎值应有较高的要求, 高等级路面一般不能高于28%, 以保证路面具有一定的抗压和抗滑能力。
2.3 沥青混合料的组成设计
沥青混合料的组成设计系沥青混凝土路面成功与失败的关键, 从组成设计角度看, 沥青混合料的配比应特别注意下列几个方面的内容。
2.3.1 骨料中最大粒径的确定
级配中的粗集料粒径大小与沥青混合料的抗疲劳强度和抗车辙能力有密切关系。国内有关科研资料表明, 当沥青混合料厚 (h) 与最大粒径 (D) 的比值大于2时, 抗疲劳强度显著提高, 但抗车辙能力明显下降, 而h/D小于2时抗车辙能力增强, 而抗疲劳强度减弱, 应该说这是一个矛盾指标, 一般情况下取h/D接近2最理想, 即骨料最大粒径取接近厚度的1/2, 相对而言, 上面层沥青混合料粒径略为偏粗一点。
2.3.2 中面层设计
中面目应采用密级配, 这一层是承上启下的结构层, 一是要有良好的抗水渗透能力, 防止雨水渗到基层破坏路面。二是要有良好的抗疲劳能力, 因此h/D应略。小2为好, 建议采用密级配沥青混合料。
2.3.3 下面层沥青混合料
下面层是荷载承载层和应力扩散层的结合部, 因此其强度、稳定性、耐久性比较重要。建议h/D应略大于或等于2, 同时采用半开级配较为理想, 由于中面层是一个完整的抗水层, 雨水不会下渗, 因此, 不会有雨水下渗到下面层、路面基层, 另一方面, 半开级配可提高路面的热稳定性 (由于沥青为黑色, 夏天太阳暴晒吸热, 其内部温度可达50-60℃) , 同时半开级配有较多沥青及细粒填充, 故该层具备一定的耐久性。
2.4 沥青油石比的选择
沥青油石比由室内常规马歇尔试验确定, 通常是由沥青混合料密实度、稳定度、孔隙率等指标初步确定, 再与规范规定的上下值要求进行比较取值。
2.4.1 油石比要结合当地气候条件综合考虑
在寒冷地区冬天较冷, 夏天时间较短, 则油石比略为偏大较好, 提高沥青混合料低温抗裂性和抗老化能力;相反在热带地区, 夏天较长气温高, 冬季时间偏暖, 则相应油石比取低限, 提高路面热稳定性和抗车辙能力。
2.4.2 油石比的确定应引进动稳定度试验
传统的马歇尔试验虽然能确定最佳级配, 但由于目前国内交通量发生了显著变化, 大吨位的车辆越来越多, 过去的设计理论, 黄河标准轴载及常规的试验手段已满足不了现在交通量增大、车载增重的需要, 这就是为什么有的高等级路按标准设计、施工单位按规范施工, 而路面照样出现问题的一个重要原因, 因此建议在车流量集中、车载较大的高等级路面, 沥青混合料除了要进行常规的马歇尔试验外, 还需进行动稳定度试验, 这样才能客观全面地反映实际。由动稳定度鉴定级配和油石比是否合理, 这也是国内许多专家学者, 通过对比总结的一条经验。
2.5 沥青混合料的施工
路面施工应优先选取在5～10月份, 这期间气温较高, 白天日照时间长, 比较适合沥青混凝寸:路面施工, 因此, 施工工期尽可能安排在这一周期, 如果在5月初之前或者10月底之后, 必须采取一定的措施, 提高拌和出厂温度, 减少运输时间, 确保摊铺与碾压温度和路面成型质量。沥青摊铺机的选用, 对于路面较宽的路段, 为了纵向接缝美观, 建议采用2台或多台同种型号摊铺机前后错开10m左右行走比较理想, 不主张宽12m以上的摊铺机一次摊铺, 这是因为摊铺机越宽, 通过中央分料器的距离就越长, 混合料产生离析的可能性大。
3 结束语
总之, 沥青混凝土路面离析病害的产生有多方面的原因, 无论设计方面、还是施工方面、或是路面形成后的使用、养护和管理等方面都存在一些不足。鉴于目前沥青离析病害早期化的特点, 我们在考虑优化设计的同时, 更为重要的是应注意加强施工过程的技术管理、以避免或减少错误的工艺指导思想, 在确保提高沥青路面使用性能的同时, 来进一步达到延长使用寿命, 提高投资效益的最终目标。
摘要：针对沥青砼路面铺筑时产生的离析现象, 本人结合自身施工实践, 分析产生原因, 并结合相关规范及经验积累, 提出个人的若干见解, 以供业内同行共同参考借鉴。
关键词：沥青砼,离析,成因分析,控制措施
参考文献
[1]沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京:人民交通出版社, 2001.
路面回收料 篇8
随着我国太阳能光伏发电产业发展迅速,作为该产业的重要一环的硅晶圆和多晶硅硅锭线切割加工量急速增加[1,2,3,4]。对线切割产生的加工废料的处理利用的相关研究正在受到重视。硅锭线切割的废料的主要成分为粒径约为800-1500目碳化硅微粉和金属硅微粉。目前,较多的研究是将线切割的废料中金属硅和其他杂质出去后,将其中的Si C微粉回收,重新作为线切割的原料再次利用。但这种回收处理会产生大量新的胶态硅酸钠污水,还需进一步解决后续环保问题。
本实验的目的是探讨将晶锭或晶圆线切割的废料直接作为原料,加入适量的烧结助剂和造孔剂,以研制具有良好的机械和热性能的Si C多孔陶瓷。
1 实验
硅晶圆线切割回收料由南京霄科纳米陶瓷技术开发有限公司提供,其主要成份为Si C、Si和Si O2,含量分别约为85wt%,10wt%和5wt%,及少量Fe。图1是回收料的XRD分析图谱。氧化铝为普通工业级α-Al2O3,平均粒径为0.77μm。以平均粒径为5μm的普通石墨粉为造孔剂,各组试样配方见表1。按配比配料在行星磨中球磨8h(料∶球∶水=1∶2∶1),球磨后的浆料经烘箱干燥、破碎后过80目筛、加入8wt%的PVA,过40目筛造粒后,干压成型(压力约50Mpa)。烧成温度分别为1400℃、1450℃、1500℃,保温时间均为4h。
用阿基米德法测定试样的显气孔率,采用高温热膨胀仪(RPZ-01型,洛阳耐火材料研究所)测定试样的热膨胀系数(升温速率为5℃·min-1)。采用三点弯曲法测定强度。
2 结果与讨论
作为本实验的前期实验,我们对该回收料的烧结助剂进行了选择,在BatiO3、堇青石和氧化铝中,以氧化铝的综合性能最佳。因而对氧化铝的添加对材料的烧成特性和物理性能的影响进行了较为系统的研究。
2.1 Al2O3含量对烧结性能的影响
如图2所示,不同烧成温度下Al2O3添加量对气孔率的影响,其中Al2O3添加量在为0-30wt%,随Al2O3添加量的增加,气孔率呈先减小后增大的趋势,Al2O3添加量为10wt%时,气孔率达到最小。当烧成温度为1450℃,Al2O3添加量为30wt%时,气孔率高达42.21%。
2.2 Al2O3含量对强度的影响
如图3所示,1400℃、1450℃下烧成的试样,抗弯强度随Al2O3添加量的增加,均呈逐渐增大的趋势,Al2O3添加量为30wt%时分别达到了25.23Mpa和30.50Mpa,氧化铝的添加对材料的强度影响是十分明显的。一方面Al2O3颗粒会填充在Si C颗粒堆积形成的框架内,提高成型的堆积密度和烧成体的致密化程度;另一方面,随Al2O3添加含量的增加,大量的在升温过程中形成的SiO2和Al2O3形成低共融相,生成莫来石,有利于降低Si C烧结温度和增加烧结驱动力,起到助烧的效果[5,6]。1500℃烧成的试样,其强度随Al2O3添加量的增加,呈先减少后增大的趋势,添加30wt%Al2O3时,试样具有最大抗弯强度仅为18.81MPa。这可能是由于,当烧结温度大于1450℃时,材料中的玻璃相的粘度很低[7],SiC颗粒被很快氧化,导致材料的机械性能有所下降。由图1得知1450℃为用该回收料制备多孔陶瓷的最佳烧结温度。
图4是1450℃烧成,保温4h的2#和4#试样的XRD图谱,可知,随Al2O3含量的增加,莫来石的含量增加。当添加10wt%Al2O3时,莫来石的生成量较少,且有方石英生成。石英的来源有两个:一是由回收料中金属硅氧化而生成的,二是SiC微粉表面在高温下氧化生成的,其反应式为:
当添加30wt%Al2O3时,石英含量下降,莫来石含量明显增加。说明Al2O3与SiO2发生了反应,生成了莫来石,其反应式为:
2.3 Al2O3含量对热膨胀性能的影响
图5为1450℃烧成,保温4h试样(RT~800℃)的热膨胀系数,随Al2O3添加量的增加,试样的热膨胀系数呈先减小后增大的趋势。Al2O3添加量为30wt%时,试样的热膨胀系数达到最小值,为6.64×10-6K-1。并且根据图2当烧成温度为1450℃时,Al2O3与SiO2反应生成莫来石,而且随Al2O3添加含量的增加,材料中生成的莫来石增加,(因为莫来石热膨胀系数较低(5.3×10-6K-1at 0-1000℃),所以使得制品的总体线性膨胀系数减小),从而材料整体的热膨胀性能提高,热膨胀系数下降。但当添加40wt%Al2O3时,试样的热膨胀系数达到最大,为9.94×10-6K-1(RT~800℃)。结合图6,我们推测当添加40wt%Al2O3时,由于Al2O3添加量较大,未及时与SiO2反应生成莫来石,在材料中形成单相Al2O3,Al2O3的热膨胀系数较大为9.6×10-6K-1(RT~800℃),因此当添加40wt%Al2O3时,热膨胀系数不降反升。
从图7中可知,2#,4#试样均有液相生成,因为回收料中含有较多的杂质,如SiO2、Si、Fe在材料烧结过程中形成低共熔,降低了熔点,产生了大量的液相。添加10wt%Al2O3的2#试样晶粒尺寸较大,晶粒堆积疏松并且界面较清晰,同时存在大量的贯通气孔,且尺寸较大,从而导致材料强度较小。添加30wt%Al2O3的4#试样晶粒堆积非常紧密,断面类似网状结构,并且有大量的液相生成,结合相将SiC颗粒很好的包裹在其中,并且在Si C颗粒间起到了“搭桥”作用,促进了多孔瓷的抗折强度的提高。在材料烧结过程中产生的大量液相,同时也能促进材料在低温的烧结和莫来石的生成,降低了材料的热膨胀系数。
3 结论
当Al2O3和石墨添加量分别为30wt%和10wt%,在1450℃温度下烧成的多孔陶瓷的气孔率高达42.21%、抗弯强度达到30.5Mpa、热膨胀系数为6.64×10-6K-1。SiC多孔陶瓷烧结时,Al2O3与SiC表面的SiO2形成莫来石,随着Al2O3含量的增加,莫来石的生成量相应提高,在Si C颗粒之间形成一种搭桥效应,促进了烧结,降低的了烧结温度,并且由于莫来石的较低的热膨胀性,随着莫来石含量的增大,促使试样的热膨胀性能提高。
摘要：以硅锭线切割回收料为主要原料、Al2O3为烧结助剂、石墨粉为造孔剂,用普通烧结工艺制备了SiC多孔陶瓷。着重研究了Al2O3添加量对SiC多孔陶瓷的形貌、热膨胀系数、气孔率以及力学性能的影响。结果表明:当Al2O3和石墨添加量分别为30wt%和10wt%,在1450℃温度下烧成的多孔陶瓷的气孔率高达42.21%、弯强度达到30.5Mpa、热膨胀系数为6.64×10-6K-1,可以满足在熔融金属过滤等方面的应用。
关键词：碳化硅,氧化铝,多孔陶瓷,气孔率,抗折强度
参考文献
[1]昌金铭.国内外光伏发电的新进展.阳光能源,2007,(1):28-30
[2]李俊峰,王斯成等.2007年中国光伏发展报告.北京:中国环境科学出版社,2007.16
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