摻煤矸石SMA混合料的路用性能分析

謝儒華 鄭卜源 李慶釗 何粵紅 李雄鑫 謝一帆

摘 要：為了研究摻煤矸石瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）的路用性能，本文選用煤矸石粉（替代率分別為0%、75%、100%，三者均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）替代石灰石礦粉，通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性及高溫穩(wěn)定性，采用表干法測(cè)其表觀密度。三組試件測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表明，當(dāng)煤矸石粉替代率為75%時(shí)，材料的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性都有所提高。因此，煤矸石粉替代石灰石礦粉作為填料是可行的。

關(guān)鍵詞：煤矸石SMA混合料;馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn);車轍試驗(yàn);替代率

中圖分類號(hào)：U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）14-0092-03

Abstract： In order to study the road performance of coal gangue stone mastic asphalt （SMA） mixture， this paper selects coal gangue powder （replacement rate of 0%， 75%， 100%， all of which are mass fractions） instead of limestone ore powder， and evaluates its water stability and high temperature stability through Marshall stability test and rutting test， and measures its apparent density by the surface dry method. The comparative analysis of the test results measured by the three sets of test pieces shows that when the coal gangue powder replacement rate is 75%， the water stability and high temperature stability of the material are improved. Therefore， it is feasible to replace limestone ore powder as a filler with coal gangue powder.

Keywords： coal gangue SMA mixture;Marshall stability test;rutting test;replacement rate

近年來，隨著交通量和道路軸載的持續(xù)快速發(fā)展，人們對(duì)公路路面材料提出了更高的要求。高速公路建設(shè)的主要任務(wù)是提供安全、經(jīng)濟(jì)、耐久、平整而且能承受預(yù)期荷載的公路路面[1]。隨著新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)，瀝青路面的研究和應(yīng)用水平達(dá)到了更高的層次，其中改性瀝青技術(shù)的發(fā)展最為矚目，在高等級(jí)瀝青路面中應(yīng)用最廣泛的是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（Styrenic Block Copolymers，SBS）改性瀝青，同時(shí)也大幅度增加了瀝青路面的建設(shè)成本。除SBS改性瀝青外，無機(jī)微粉填料由于材料來源廣泛、易加工、成本低廉等特點(diǎn)也已成為改性瀝青研究的一個(gè)領(lǐng)域，受到越來越多的關(guān)注[2]。常見的無機(jī)微粉填料有礦粉、水泥、粉煤灰和火山灰等。

我國(guó)是世界產(chǎn)煤大國(guó)，而煤矸石粉又是煤炭開采和洗滌過程中產(chǎn)生的廢渣，是我國(guó)排放量和存放量最大的工業(yè)固體廢料之一。這種廢渣的排放嚴(yán)重占用了我國(guó)的國(guó)土資源，同時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞。煤矸石粉在瀝青路面上的再利用有著非常大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益，同時(shí)，有研究結(jié)果表明，煤矸石粉可以作為瀝青混合料的填料，且在建筑行業(yè)有很好的應(yīng)用前景[3]。但是，目前，煤矸石的利用力度還不夠大，其主要集中在磚瓦燒制、低熱值燃料開發(fā)、低等級(jí)公路路面及路基材料應(yīng)用等方面，因此其可利用途徑還有待開發(fā)[4]。

鑒于此，本文探討了瀝青混合料中用煤矸石粉代替石灰石礦粉作為微粉填料的可行性，并評(píng)價(jià)其性能及指標(biāo)。這樣既可進(jìn)一步提升煤矸石粉的利用率，又可降低工程造價(jià)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 瀝青

本試驗(yàn)采用SBS（Ⅰ-D）改性瀝青，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）的要求，如表1所示[5]。

1.2 集料及礦粉

本次試驗(yàn)采用密級(jí)配型集料。集料采用芙蓉石場(chǎng)生產(chǎn)的4.75～9.50 mm輝綠巖、9.50～13.20 mm輝綠巖以及0.50～2.36 mm輝綠巖機(jī)制砂，采用惠州博羅益豐石粉廠生產(chǎn)的石灰石礦粉。選用的煤矸石粉產(chǎn)自河南省鞏義市。它們均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）的要求。其中，集料的密度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

2 配合比

SMA是一種新型的路面結(jié)構(gòu)，不僅強(qiáng)度高，而且耐高溫，適應(yīng)性強(qiáng)，能有效預(yù)防路面車轍等早期病害出現(xiàn)[6]。因此，經(jīng)調(diào)查，本文初擬采用SMA13配合比。

在摻入煤矸石粉的條件下，此級(jí)配采用的粒徑偏大，使得在制作馬歇爾試件時(shí)常出現(xiàn)瀝青沉底現(xiàn)象，即試件一邊圓面暴露的集料多，一邊圓面全被瀝青包裹。因此，研究人員進(jìn)一步改良了集料的粒徑，采用了表3所示的集料粒徑。改良后，混合料高溫穩(wěn)定性顯著提高，在煤矸石粉作用下，馬歇爾試件表面瀝青分布均勻，無太多沉底現(xiàn)象。

3 路用性能評(píng)價(jià)

本文將按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）的試驗(yàn)方法，在室內(nèi)對(duì)三組摻煤矸石粉（替代率分別為0%、75%、100%）SMA瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、表觀密度（空隙率及吸水率）進(jìn)行試驗(yàn)分析與評(píng)價(jià)[7]。

3.1 密度試驗(yàn)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中的壓實(shí)瀝青混合料密度試驗(yàn)方法（表干法），試驗(yàn)溫度為25 ℃，下面分別對(duì)三組摻煤矸石粉SMA瀝青混合料的18個(gè)試件進(jìn)行測(cè)定，其試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

通過對(duì)比摻量為0%、75%、100%的三種摻煤矸石SMA瀝青混合料，人們可以看出，瀝青混合料中煤矸石粉的替代率越高，其吸水性越好，替代率為100%的瀝青混合料與替代率為0%的瀝青混合料相比，吸水率差異性不大，但摻煤矸石粉后，其空隙率有所下降。

3.2 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

本試驗(yàn)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中的瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)試方法，采用瀝青混合料萬能試驗(yàn)機(jī)儀器，測(cè)定三組瀝青混合料的水穩(wěn)定性。不同替代率的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表4、表5、表6所示。

通過對(duì)比分析表4至表6的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著煤矸石粉摻量的增加，其穩(wěn)定度越來越高，但摻量達(dá)到100%時(shí)則有所下降。因此，摻入煤矸石粉可提高混合料的水穩(wěn)定性，但75%煤矸石粉的摻量是否為最佳摻量，還需要結(jié)合其他試驗(yàn)以及替代率來驗(yàn)證。

3.3 車轍試驗(yàn)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中的試驗(yàn)方法，采用輪碾法制得300 mm×300 mm×50 mm的車轍試件，在常溫下養(yǎng)護(hù)24 h后，將試件放入60 ℃的恒溫烘箱中保溫，然后在溫度60 ℃、輪壓0.7 MPa的條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn)，以45 min以及60 min的動(dòng)穩(wěn)定度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，三組不同煤矸石粉摻量的瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著煤矸石粉摻量的增加，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性都有顯著提高，替代率為75%的煤矸石粉的動(dòng)穩(wěn)定度比替代率為75%的100%煤矸石粉的要高。

從路用性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著煤矸石粉的摻入，瀝青混合料的水穩(wěn)定性有所提高，但替代率為100%的煤矸石粉則有所下降;從車轍試驗(yàn)來看，煤矸石粉的摻入對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性都有顯著的提高，但100%煤矸石粉的穩(wěn)定性比75%的煤矸石粉的要低。

4 結(jié)語

利用煤矸石粉作為填料替代石灰石礦粉時(shí)，瀝青混合料的滲水性能相差不大。隨著煤矸石粉摻量的增加，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)定性都有顯著的提高。綜合分析來看，煤矸石粉的摻入能提高混合料的路用性能。研究表明，替代率為75%的煤矸石粉的路用性能比其他兩組的都要好，后續(xù)還應(yīng)結(jié)合瀝青混合料的劈裂試驗(yàn)、低溫穩(wěn)定性試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)對(duì)替代率做進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。各試驗(yàn)表明，摻煤矸石的SMA混合料能起到廢物再利用的作用，即煤矸石粉替代石灰石礦粉作為填料是可行的。

參考文獻(xiàn)：

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[6]張周剛，崔亮，單海燕，等.寶天高速公路SMA-13配合比設(shè)計(jì)[J].山西交通科技，2011（4）：1-4.

[7]交通運(yùn)輸部.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程：JTJ E20—2011[S].北京：人民交通出版社，2011.