含改性红泥填料的沥青玛蒂脂的黏附性能：来自实验室测试和量子化学计算的见解

《International Journal of Adhesion and Adhesives》：Adhesion properties of asphalt mastic incorporating modified red mud filler: Insights from laboratory test and quantum chemistry calculations

　　

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  本文提出了一种新的改性方法，能够同时降低红泥（RM）中的钠和重金属含量。
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  通过量子化学（QC）计算阐明了界面相互作用的增强机制。
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  红泥的改性改善了其颗粒大小分布，并增强了红泥与沥青之间的界面相互作用。
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  含有改性红泥、消石灰（HL）和天然石灰石（NL）的复合填料的沥青具有更优良的抗水性。
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  改性红泥对地下水和路边植被的影响最小。

引言

红泥（RM）是生产氧化铝过程中产生的高碱性工业固体废物。全球每年产生的红泥量约为1.2亿吨，累计库存超过27亿吨[1]。红泥含有碱性金属氧化物和重金属，如Na₂O和Cr [2]。如果红泥储存不当，可能会导致碱性物质和重金属的渗漏，从而污染地下水和土壤，对生态系统和人类健康构成严重威胁[3]、[4]。因此，开发可行的红泥回收利用途径是缓解环境压力并推动可持续发展的有效策略[5]、[6]、[7]。

由于沥青混合物具有优异的机械性能、高操作安全性和卓越的驾驶舒适性，它们被广泛用于道路工程[8]、[9]。在这些性能决定因素中，骨料与沥青之间的粘附性能尤为重要，因为它们直接影响沥青路面的耐久性[10]、[11]。沥青混合物由沥青胶结剂、粗骨料和细骨料以及矿物填料组成。尽管填料的质量仅占混合物质量的6%至10%，但它们提供了超过75%的总表面积[12]、[13]。因此，填料的质量和组成极大地影响了填料与沥青之间的界面粘附性，进而决定了沥青玛蹄脂的粘附性和流变性能。这种相互作用最终决定了沥青混合物的高温性能、抗水性和抗裂性[14]。矿物填料（如石灰石粉）是沥青路面中最常用的填料，但它们是非可再生资源。

近年来，许多研究人员探讨了将红泥作为沥青混合物中替代填料的可行性[15]。研究结果表明，红泥可以降低沥青玛蹄脂的温度敏感性并提高沥青混合物的高温抗车辙性能[16]。这些性能的提升归因于两个关键机制：首先，红泥含有高浓度的金属氧化物（如CaO）以及可溶性钠化合物（例如铝硅酸钠或残留的NaOH），这些成分共同赋予了强烈的碱性，并促进了与沥青酸和沥青胶结剂酸酐的物理化学反应，从而形成稳定的化学键[17]。其次，红泥的多孔微观结构和较大的比表面积使其在沥青中具有更好的机械互锁性和吸附性，提高了粘度并减缓了氧气的渗透，从而增强了混合物的抗老化性能[18]、[19]。然而，直接将原始红泥用作沥青混合物的填料存在显著挑战。张等人的研究表明，虽然红泥在干燥条件下显著提高了沥青玛蹄脂与骨料之间的界面粘附性，但在潮湿条件下其粘结强度下降了约70%，表明其抗水性较差。当红泥的替代比例超过15%时，沥青混合物的残留稳定性从86.2%下降到68.5%，拉伸强度比率也降至72%以下[20]。这个问题主要是由于红泥中Na₂O含量较高（通常在3%至13%之间）。Na₂O在化学上不稳定。当水分渗透到含有红泥填料的沥青混合物中时，它会优先与红泥发生作用，逐渐使红泥颗粒从玛蹄脂中脱离，从而稀释沥青薄膜[21]。这一过程会破坏玛蹄脂与骨料表面的粘结，最终导致沥青路面的湿润损伤[22]。因此，在将红泥有效引入沥青混合物之前，必须对其进行适当改性或与适当的抗剥离剂结合使用，以确保足够的抗水性[23]、[24]。

在本研究中，首先对原始红泥进行了三阶段改性处理，以降低其钠和重金属含量并提高其在沥青中的分散性。然后通过将改性红泥与消石灰（HL）和天然石灰石粉（NL）混合制备了七种填料。使用表面自由能（SFE）测试、胶结剂粘结强度（BBS）测试和Cantabro剥离测试全面评估了含有这些填料的沥青玛蹄脂的粘附性能。紫外-可见光（UV-Vis）测试用于阐明填料与沥青胶结剂之间的吸附和相互作用能力，量子化学（QC）计算用于研究沥青与改性红泥之间的分子间相互作用。最后分析了环境影响。本研究的结果为红泥在沥青路面中的可持续增值利用提供了理论支持。

部分摘要

沥青胶结剂

本研究中使用了70#沥青胶结剂，其基本性质列于表1中。

填料

本研究中使用的红泥（RM）来自中国贵州省的一家拜耳工艺氧化铝精炼厂。天然石灰石粉（NL）和消石灰（HL）分别作为传统的矿物填料和抗剥离填料，用于评估改性红泥作为沥青混合物填料的适用性。

激光粒度分析（LPSA）

使用激光粒度分析仪（LPSA）表征了原始红泥（Raw RM）和改性红泥（Modified RM）的颗粒大小分布。LPSA得出的典型特征颗粒尺寸参数包括< />_0.1、< />_0.5和< />_0.9。具体来说，< />_0.1是指累计曲线通过率10%时的颗粒直径，即10%的颗粒直径小于< />_0.1。< />_0.5和< />_0.9的定义类似。

對KH-550、原始红泥（Raw RM）和改性红泥（Modified RM）中的官能团进行了表征

红泥的颗粒大小分布

如图8所示，激光粒度分析（LPSA）产生了两条曲线：一条颗粒大小分布曲线和一条累计颗粒大小分布曲线。对于原始红泥（Raw RM），其特征颗粒尺寸< />_0.1、< />_0.5和< />_0.9分别为0.706μm、5.023μm和20.264μm。经过改性后，这些特征尺寸分别降低了46.74%、44.20%和78.78%。累计颗粒大小分布曲线向更细小的粒径方向移动，表明颗粒大小有了显著减小

结论

在本研究中，红泥（RM）经过三阶段改性处理，然后与消石灰（HL）和天然石灰石（NL）混合，制成用于沥青玛蹄脂的复合填料。系统评估了含有这些填料的沥青玛蹄脂的粘附性能和环境影响。主要发现如下：

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  洗涤和钙化处理显著降低了红泥中的钠含量，从8.06%降至1.62%，并提高了钙含量

作者贡献声明

Jianguo Jiang：项目管理和方法论。Xihe Zhang：资源管理、项目管理和资金筹集、正式分析。Qian Li：监督、方法论、调查。Qi Chen：撰写——初稿、软件、方法论、正式分析。Xiaoming Liu：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、资源管理、资金筹集。Yu Zhao：可视化、软件、方法论、正式分析

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

6. 致谢

本工作部分得到了中南大学高性能计算中心的支持，并得到了中南大学研究生创新项目（2024XQLH163）和动力中国贵阳工程有限公司的关键科研项目（YJZDXM240006）的资助。对此表示衷心的感谢。

Qi Chen|Xiaoming Liu|Yu Zhao|Jianguo Jiang|Xihe Zhang|Qian Li