粉煤灰摻量對(duì)瀝青膠漿及混合料高溫性能的影響研究

李江華 李運(yùn)高 蘇宏慶

摘要：文章基于粉煤灰表面的形貌及元素組成，將粉煤灰以質(zhì)量比分別為0、35%、70%、100%替代礦粉加入到瀝青膠漿和瀝青混合料中，采用車(chē)轍因子評(píng)價(jià)瀝青膠漿的高溫性能，并通過(guò)馬歇爾實(shí)驗(yàn)和車(chē)轍實(shí)驗(yàn)分別分析不同粉煤灰摻量下瀝青混合料的高溫性能。結(jié)果表明，將粉煤灰作為填料加入到瀝青膠漿和瀝青混合料中，均能改善其高溫性能。

關(guān)鍵詞：粉煤灰;車(chē)轍因子;瀝青膠漿;馬歇爾模數(shù);動(dòng)穩(wěn)定度

0 引言

每年我國(guó)燃煤量約占全球的50%，粉煤灰作為燃煤的產(chǎn)物，每年積累的粉煤灰不僅占用大量的土地，而且粉煤灰中的有害物質(zhì)會(huì)對(duì)土壤、水源等產(chǎn)生嚴(yán)重的污染[1-2]。在水環(huán)境中，粉煤灰能夠與堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有膠凝作用的材料而被廣泛應(yīng)用于水泥混凝土中。此外，粉煤灰由于質(zhì)輕、比表面積大、具有孔隙而被用于瀝青混合料中的填料，解決了粉煤灰堆放、資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等問(wèn)題[3]。

周松濤等[4]對(duì)以粉煤灰為填料的瀝青混合料路用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，路用性能均能滿(mǎn)足規(guī)范的要求。張寶龍等[5]通過(guò)對(duì)粉煤灰進(jìn)行表面改性，將其加入到瀝青混合料中進(jìn)行路用性能評(píng)價(jià)，研究結(jié)果再一次證明了粉煤灰可以作為填料加入到瀝青混合料中。

我國(guó)道路路面的主要形式為瀝青路面，高溫車(chē)轍病害是瀝青路面早期破壞的一種主要形式，而提高瀝青混合料高溫性能對(duì)延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命具有重要意義。但是，目前國(guó)內(nèi)外在粉煤灰摻量對(duì)瀝青膠漿和瀝青混合料高溫性能的影響方面研究較少。

本研究將粉煤灰按照質(zhì)量比分別為0、35%、70%、100%替代礦粉，通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR），以車(chē)轍因子評(píng)價(jià)瀝青膠漿的高溫性能，并通過(guò)馬歇爾實(shí)驗(yàn)和車(chē)轍實(shí)驗(yàn)分別分析不同粉煤灰摻量下的穩(wěn)定度、流值和動(dòng)穩(wěn)定度，評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能。

1 原材料基本性能

1.1 瀝青

本研究采用的瀝青為70#基質(zhì)瀝青。瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 集料及填料

本研究采用的集料為石灰?guī)r碎石，采用的填料有兩種，一種是石灰?guī)r礦粉，一種是粉煤灰。兩種填料的主要技術(shù)指標(biāo)和化學(xué)組成及含量見(jiàn)表2和表3。

2 粉煤灰瀝青膠漿高溫性能研究

2.1 粉煤灰瀝青膠漿的制備

本研究中采用粉膠比為1.2，粉煤灰替代礦粉的質(zhì)量分別為0、35%、70%、100%，制備瀝青膠漿。具體步驟是：將基質(zhì)瀝青緩慢加熱至流動(dòng)狀態(tài)（溫度135 ℃），以1 500 r/min剪切速度攪拌瀝青5 min，然后將填料分三次加入到瀝青中，待填料完全加入后，調(diào)節(jié)剪切速度至3 500 r/min，繼續(xù)攪拌20 min，制成瀝青膠漿試樣。

2.2 DSR試驗(yàn)

采用DSR對(duì)瀝青膠漿進(jìn)行60 ℃下掃描試驗(yàn)，選擇夾具直徑為25 mm，間距為1 mm，加載速度為10 rad/s。

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

由圖1可知，隨著粉煤灰摻量的增加，車(chē)轍因子不斷增大，即摻加了粉煤灰的瀝青膠漿的高溫性能優(yōu)于礦粉瀝青膠漿。對(duì)比礦粉和35%粉煤灰摻量的瀝青膠漿可知，隨著部分礦粉被粉煤灰替代，抗車(chē)轍因子顯著增加，增長(zhǎng)率為34.1%，瀝青膠漿的高溫性能明顯提高;繼續(xù)增加粉煤灰的摻量，抗車(chē)轍因子增長(zhǎng)較慢，這主要是礦粉和粉煤灰表面形貌、化學(xué)組成差異導(dǎo)致的。礦粉表面較為光滑，與瀝青的界面浸潤(rùn)程度小，使得瀝青不能完全在礦粉表面形成一層包覆層;粉煤灰顆粒表面粗糙，整體較疏松，與瀝青的界面浸潤(rùn)效果好，豐富的孔隙使得瀝青中的油分更易于滲入到粉煤灰中形成膠聯(lián)錨固作用。此外，粉煤灰中的金屬陽(yáng)離子易與瀝青中的高分子羧基酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成強(qiáng)度較高的化學(xué)鍵[6]。

3 粉煤灰瀝青混合料高溫性能研究

3.1 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

按照馬歇爾配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，研究中采用的級(jí)配為AC-13型，級(jí)配曲線見(jiàn)圖2，確定該級(jí)配類(lèi)型條件下最佳油石比為4.7%。

從圖3中可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度先增加后減小，當(dāng)粉煤灰的摻量為70%時(shí)，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度最大;當(dāng)粉煤灰完全替代礦粉時(shí)，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度又開(kāi)始下降，但是仍然高于礦粉瀝青混合料。隨著粉煤灰摻量不斷增加，粉煤灰既作為填料，又發(fā)揮滾珠作用，增加瀝青的流動(dòng)性，改變?yōu)r青與集料之間的相對(duì)位移，改變?yōu)r青混合料的穩(wěn)定度。

由圖4可知，隨著粉煤灰摻量的增加，瀝青混合料的流值先減小后增加，當(dāng)粉煤灰摻量為35%時(shí)，瀝青混合料的流值最小。主要原因是：粉煤灰的密度小于礦粉，研究中采用等質(zhì)量方式替代礦粉將增加填料的體積，減小瀝青混合料的空隙。此外，粉煤灰與瀝青之間較好的粘結(jié)性使得流值減小，但是隨著粉煤灰摻量的增加，粉煤灰的滾珠作用增大瀝青-集料間的位移，增大了瀝青混合料的流值。

由圖5可知，隨著粉煤灰摻量的增加，瀝青混合料的馬歇爾模數(shù)先增加后減小，瀝青混合料的抗變形能力先增加后減小。當(dāng)粉煤灰的摻量為35%時(shí)，馬歇爾模數(shù)達(dá)到最大值，瀝青混合料的抗變形能力最大，高溫性能最好。因此，通過(guò)馬歇爾模數(shù)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能宜采用的粉煤灰摻量為35%。

3.3 車(chē)轍實(shí)驗(yàn)

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011），按照3.1設(shè)計(jì)的瀝青混合料成型300 mm×300 mm×50 mm車(chē)轍試件，并在60 ℃環(huán)境中以0.7 MPa的應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)，讀取45 min和60 min的車(chē)轍變形數(shù)據(jù)，并根據(jù)式（2）進(jìn)行計(jì)算。

從圖6可知，隨著粉煤灰摻量的增加，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度增加，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性變好，與采用馬歇爾模數(shù)的評(píng)價(jià)方法存在一定差異。分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因，主要是瀝青混合料的高溫性能受其骨架結(jié)構(gòu)影響較大，瀝青混合料強(qiáng)度的形成主要依靠集料之間的嵌擠力。兩種評(píng)價(jià)方法中，采用馬歇爾模數(shù)評(píng)價(jià)，一方面實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要浸水，另一方面馬歇爾模數(shù)受穩(wěn)定度和流值兩個(gè)測(cè)試指標(biāo)的影響。而采用車(chē)轍實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)就更加簡(jiǎn)潔直觀。兩種評(píng)價(jià)方法的不同也是造成高溫性能結(jié)果不一致的原因。

4 結(jié)語(yǔ)

將粉煤灰按照礦粉質(zhì)量的0、35%、70%、100%替代礦粉，對(duì)瀝青膠漿、瀝青混合料的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)不同粉煤灰摻量的瀝青膠漿的車(chē)轍因子進(jìn)行分析，可以得出粉煤灰對(duì)提高瀝青膠漿的高溫性能具有積極的促進(jìn)作用。

（2）通過(guò)對(duì)瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和流值進(jìn)行測(cè)試、計(jì)算與分析，用馬歇爾模數(shù)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能，采用粉煤灰摻量為35%的瀝青混合料的高溫性能最好。

（3）采用車(chē)轍實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能，可以看出粉煤灰摻量越多，瀝青混合料的高溫性能越好。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳金榮，李 飛，宋風(fēng)寧.粉煤灰/聚酯纖維瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2020，283（4）：347-354.

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[3]牛力達(dá).粉煤灰復(fù)合改性瀝青膠漿路用性能的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[4]周松濤，閆 風(fēng).粉煤灰代替礦粉拌制瀝青混合料的試驗(yàn)研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，26（Z1）：50-52.

[5]張寶龍，吳 平，閆新勇.表面修飾粉煤灰對(duì)瀝青路用性能的影響[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，38（3）：34-51.

[6]吳 平.粉煤灰熱再生瀝青膠漿微觀作用機(jī)理及其混合料性能研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2017.