礦料巖性評價方法及其試驗研究

■段乃民 ■廣東省路橋建設發展有限公司，廣東 廣州 510000

礦料巖性關系到瀝青與礦料的粘附性進而影響瀝青混合料的路用性能，目前，針對礦料巖性是根據組成礦料的礦物成分中SiO2的含量來判定，SiO2含量大于65%即認為礦料呈酸性，SiO2含量小于52%即認為礦料呈堿性，而介于52%和65%之間時，認為礦料呈中性，由于要準確測定礦料中SiO2的含量比較困難，導致依據SiO2含量來判定礦料的巖性實際當中難以操作。本文對礦料巖性方法進行了探討，嘗試了采用PH值法、堿值法和表面Zata電勢法來評價礦料的巖性，并采用上述方法對石灰巖、花崗巖、石英巖和玄武巖四種典型礦料的巖性進行了試驗研究，試驗結果表明，采用PH值法對礦料巖性進行判別其區分度不好，但堿值法和表面Zata電勢法對礦料的巖性有較好的判別能力。

1 礦料巖性的PH值表征方法

1.1 PH值定義

pH值，亦稱氫離子濃度指數、酸堿值，是溶液中氫離子活度的一種標度，也就是通常意義上溶液酸堿程度的衡量標準。通常情況下(25℃、298K左右)，當pH＜7的時候，溶液呈酸性，當pH＞7的時候，溶液呈堿性，當pH=7的時候，溶液為中性。

1.2 實驗方法

(1)儀器:雷磁pHSJ-3F型精密pH計。

(2)測定方法:pH值是表征溶液酸堿程度的指標，固體和液體的pH值一般不能直接測量。為了考察幾種礦料的pH值，先將過量的礦料加入到蒸餾水中，在隨后放入130℃油浴鍋中回流煮沸30分鐘，冷卻后放置24小時，測量上層清液的pH值。

1.3 結果與討論

本文使用上述方法測定了四種礦料的pH值，如表1所示。

表1 四種礦料的pH值

如表1所示，四種礦料pH值由大到小順序為花崗巖、玄武巖、石灰巖、石英巖，而通常情況下石灰巖是堿性石料，其他幾種是酸性礦料，試驗結果與實際情況不符。此外，從試驗數據來看，不同礦料水溶液的PH值相差無幾，表明采用礦料水溶液的PH值來判定礦料的巖性區分度不是太好。

2 礦料堿值的測定

2.1 堿值的定義

礦料的巖性通常是按礦料化學成分中SiO2含量的多少來區分的，SiO2含量大于65%的礦料為酸性礦料，SiO2含量小于52%的礦料為堿性礦料，SiO2含量在52%～65%的礦料為中性礦料。各種礦料中SiO2的含量雖有一定的范圍，但要較準確地確定礦料的巖性，必須對礦料的化學組成進行分析。而礦料成分分析比較麻煩，需要時間長。本文提出了用相對比較的方法來確定礦料的巖性強弱，即用分析純的碳酸鈣作為標準，其它礦料的巖性強弱都與碳酸鈣比較，這樣就可得到各種礦料的巖性相對強弱。該方法的理論依據是酸堿質子理論:“凡能與質子(H+)結合的物質都是堿。”測定方法是采用一定濃度的酸對一定粒徑的礦料進行侵蝕，然后測定溶液中消耗掉的H+離子濃度進行比較，并定義二者的比值為該礦料的“堿值”。

各種礦料接受質子的能力不同，消耗掉的氫離子濃度也不相同，故堿值的大小不一樣，因此，可以根據礦料的堿值大小，確定其巖性的相對強弱。

2.2 結果與討論

我們用上述方法測定了四種礦料的堿值，其結果見表2。

表2 四種礦料的堿值

由試驗結果可知，四種礦料的堿值由大到小的順序為:石灰巖、玄武巖、花崗巖、石英巖。這與前述礦料的巖性通常按礦料中SiO2的百分含量分類是吻合的。如典型的石灰巖中SiO2的含量為1.01%，屬堿性礦料，堿值大;花崗巖中SiO2含量為69.62%，屬酸性礦料，其堿值小。試驗結果與事實吻合。

用該方法測定的雖是“堿值”，但對堿性礦料或酸性礦料都適用。因為“堿值”是選擇純的碳酸鈣作標準而得到的相對數值，所以不論什么礦料都可以與標準物進行比較而得到“堿值”。

3 礦料表面Zeta電勢的測定

3.1 Zeta電勢的定義

Zeta電位所代表的就是剪切面的電位，很多情況下它是用來衡量膠體分散系穩定性的一個重要指標，它還有其它的名稱也可以稱為電動電位或者電動電勢。

正反離子相吸性就是它的原理所在。原理其實很簡單，即分散的細小粒子表面帶有電荷，如果在它旁邊有反號離子那么它就會吸引反號離子。兩相界面所包含的反號離子會呈擴散狀態分布從而形成一種特殊的電層，既擴散雙電層。雙電層可以分類成2部分，說的具體一點就是Stern層以及擴散層。在這里有一個概念剪切面，指的就是穩定層和擴散層相互之前發生了相對位移的滑動面面，當然有一個前提條件就是分散例子處于外電廠作用下。Zeta電位或電動電位指的就是遠離剪切面的流體的某點相對于剪切面的電位。Zeta電位可以直接測得依據的是電動現象。

Zeta電位的數值與膠態分散的穩定性有著十分重要的聯系，這也是Zeta電位的重要意義。Zeta電位是對顆粒之間相互排斥或吸引力的強度的度量。分散粒子的半徑越小，Zeta電位(正或負)越高，從而體系越來越穩定，理解的簡單些就是溶解或分散可以用來抵抗聚集。從相反的方面來說，Zeta電位(正或負)越低，越傾向于凝結或凝聚，即吸引力超過了排斥力，分散被破壞而發生凝結或凝聚。

圖1 雙電層模型圖

公路所使用的用礦物材料，屬與混合物，而這種混合物是由很多種單質化合物組成的，混合物的礦物材料的配比決定了她的材料性質。當礦物材料被粉碎成細小的顆粒作為分散相分散于介質水中，從而在每一個顆粒的附件都會形成雙電層。多余的反離子的凈電荷被包含在擴散層內，在電場的作用下這些離子發生了位移。因為所包含的離子是水合離子，所以當離子本身運動的時候會帶動水一起發生位移，礦物材料表面普遍帶有電荷的性質決定了水的運動方向，簡單點闡述礦物材料表面普遍帶有電荷的性質不同，其導致的水的運動的方向也不同。由此可見礦物材料表面所帶有的電荷的性質可以根據液體的運動方向來判斷。電荷密度越大，Zeta電位也就越大。礦物材料表面占主導地位的電荷密度在雙電層厚度確定的條件下決定了電勢的大小。這個電勢就是被我們測試出來的電勢，這個電勢就是礦料與水兩相發生相對運動的邊界處與液體內部的電位差。

3.2 實驗方法

使用OPTION菜單中的SETTING，進行電壓等的設定，并輸入樣品的pH值，按啟動，圖象上顆粒會隨電極的切換左右移動，使用快捷鍵調節所需畫面和畫質，稍后按存盤，程序截取圖象供分析計算用。選取清晰顆粒進行zeta電勢的計算，同時判斷顆粒的帶電狀態。

3.3 結果與討論

按照上述方法測定了4種礦料的Zeta電勢，如表3所示。

表3 四種礦料的Zeta電勢

從試驗結果來看，四種礦料中石灰巖和玄武巖帶正電荷，而花崗巖和石英巖帶有負電荷。以Zeta電勢來看，石灰巖和玄武巖應當屬于堿性礦料，花崗巖和石英巖屬于酸性礦料。試驗結果與事實吻合。

4 結論

通過“堿值法”和“表面Zata電勢法”進行礦料巖性實驗得出以下結論:

(1)“堿值法”和“表面Zata電勢法”可以有效評價礦料酸堿性，并且該實驗方法具有極好的可靠性以及區分度。可以進行進一步相關巖性檢驗推廣應用。

(2)試驗結果表明:礦料浸水溶液酸堿性與礦料巖性無明顯相關性。因此，通過測定礦料溶液PH值并以此來判斷礦料巖性精確度離散型較大，不具有可靠性。

［1］LANE，A.R.and OTTEWILL，A.The preparation and properties of bitumen emulsions stabilised by cationic surface active agents［J］.Theory and Practice of Emulsion Technology，1976，p.157.

［2］POIRIER，J.E.，BOURREL，M.，CASTILLO，P.，et al.AspHalt emulsions:Experimental study of cationic surfactant adsorption at the aspHalt water interface［J］Programme of Colloid Polymer Science ，1989，79，p.106.

［3］CHOQUET，F..Measuring the breaking and setting index of cationic bitumen emulsions［J］.First World Congress on Emulsions，1993，p.1-40-167/1.