煤氣化爐渣對瀝青膠漿流變性能的影響研究*

王書慧，劉 芳，張 翛，高 陽，孔慶忠，劉曉東

(1.太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024；2.山西交通控股集團(tuán)有限公司晉中高速公路分公司，山西 晉中 030811；3.山西省公路局朔州分局，山西 朔州 036899)

0 引 言

隨著各國道路建設(shè)快速發(fā)展，瀝青路面被廣泛應(yīng)用，瀝青、集料、礦粉作為瀝青混合料的組成材料其需求量逐年增加。其中礦粉作為瀝青混合料空隙的填料，與瀝青構(gòu)成瀝青膠漿，共同增進(jìn)了瀝青混合料的強(qiáng)度和流變性能。然而，天然礦粉主要來自礦石資源，極大的消耗了不可再生資源，同時其粉碎過程也對環(huán)境造成較大的污染，出于環(huán)?？紤]，很多礦粉廠關(guān)閉，導(dǎo)致天然礦粉價格明顯上漲[1]。因此，尋找瀝青膠漿中天然礦粉的替代品具有重要意義。

作為一個富煤貧油少氣的國家，我國能源消耗結(jié)構(gòu)以煤炭為主，煤制氣、煤制油等是以煤氣化為核心技術(shù)的主要產(chǎn)業(yè)，煤氣化已成為實現(xiàn)煤炭清潔高效利用的有效途徑[2-5]。煤氣化是將煤與氣化劑(空氣、氧氣或水蒸氣)在一定溫度和壓力下進(jìn)行反應(yīng)，最終煤炭可轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w和少量(15%～20%)爐渣[6-7]。在煤氣化過程中，煤中無機(jī)礦物質(zhì)經(jīng)過不同的物理化學(xué)轉(zhuǎn)變伴隨著煤中殘留的碳顆粒形成煤氣化爐渣，主要成分為SiO2、Al2O3、CaO和殘余碳[8-9]，其化學(xué)組成的差別與原煤灰分含量、組成、造渣助溶劑的類型和引入量以及氣化工藝及其參數(shù)有關(guān)[10]。隨著煤氣化技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用，產(chǎn)生的煤氣化爐渣越來越多，大量煤氣化爐渣堆積占用了農(nóng)田耕地，不僅產(chǎn)生粉塵和風(fēng)沙，還會釋放含硫或含氨氣體，對環(huán)境造成較大污染[11]。目前對于煤氣化爐渣的處置主要為填埋[12]，需要一筆相當(dāng)大的費(fèi)用，因此探索煤氣化爐渣的合理利用方法，減緩煤氣化爐渣的堆積和填埋帶來的環(huán)境污染問題，具有十分重要的意義。

許多學(xué)者為此做了大量的工作，提出了幾種綜合利用煤氣化爐渣的方法。煤氣化爐渣可分為粗渣和細(xì)渣[13]，粗渣產(chǎn)生于氣化爐的排渣口處，占60%～80%，細(xì)渣主要產(chǎn)生于合成氣的除塵裝置處[12]，占20%～40%。一般來講，煤氣化爐渣細(xì)渣的停留時間比粗渣短[14]，造成細(xì)渣較粗渣殘?zhí)己扛遊15]，而較高的殘?zhí)己繒璧K其在水泥和混凝土中的應(yīng)用[16-17]，研究認(rèn)為高殘?zhí)?、高熱值而且粒徑足夠?xì)的煤氣化爐渣可以考慮摻燒循環(huán)流化床鍋爐，經(jīng)循環(huán)硫化床燃燒后，爐渣中殘?zhí)剂拷档停儆米鹘ú脑?，可以完全滿足煤氣化爐渣的資源化利用要求[18]。

煤氣化爐渣與硅酸鹽水泥化學(xué)組成相近，有替代硅質(zhì)原料制備水泥熟料的潛力。將煤氣化爐渣作為水泥生料配料，能起到降低熟料熱耗、提高余熱發(fā)電量、提高熟料強(qiáng)度的效果[19]。袁蝴蝶[20]利用Texaco煤氣化爐渣[21-22]制備水泥熟料，與適量(2%)石膏混合制得的硅酸鹽水泥28 d力學(xué)強(qiáng)度與42.5標(biāo)號水泥相當(dāng)。煤氣化爐渣除了可用作水泥原料之一外，還可將其粉磨后部分替代水泥使用，以增強(qiáng)水泥砂漿的流動性和強(qiáng)度[23]。利用煤氣化爐渣微粉替代部分水泥制得的水泥砂漿的早期強(qiáng)度可高于同比例替代水泥的粉煤灰組[24]。

煤氣化爐渣還可作為集料應(yīng)用，將煤氣化爐渣粗渣替代砂子制得的水泥砂漿90 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度明顯增加[25]，煤氣化爐渣替代全部砂石集料應(yīng)用于水泥粉煤灰穩(wěn)定煤氣化爐渣基層中，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可滿足各等級公路基層強(qiáng)度要求，同時還具有優(yōu)良的保溫抗凍性[26]。雷彤[27]用煤氣化爐渣粗渣替代半剛性基層中細(xì)集料，發(fā)現(xiàn)煤氣化爐渣粗渣含量對干縮性能的影響遠(yuǎn)沒有水泥含量影響大。由煤氣化爐渣替代混凝土中細(xì)集料制成的混凝土可達(dá)到與使用天然砂制成的混凝土幾乎相同的抗壓強(qiáng)度、干縮率和抗凍融性[28]。因研磨后的粗渣能起到一定的膠凝作用，若將煤氣化渣研磨后的粗渣(≤2.36 mm)替代天然砂摻入混凝土中可以明顯提高混凝土的強(qiáng)度，且混凝土的收縮率也有所降低[29]。

綜上所述，目前煤氣化爐渣主要除了用于制備墻體材料[30-32]以及磚材[10,33]，在道路工程中的應(yīng)用主要為充當(dāng)水泥原料以及混凝土中的粗、細(xì)集料，但是其作為填料在瀝青混合料中的研究卻鮮見報道。

因此，本研究將煤氣化爐渣應(yīng)用于瀝青混合料，將煤氣化爐渣部分或全部替代天然礦粉制備瀝青膠漿，通過對比兩種填料的礦物組成、表面形貌，以及不同煤氣化爐渣替代率的瀝青膠漿的基本物理性能和流變性能，研究不同煤氣化爐渣替代率對瀝青膠漿性能的影響，評價煤氣化爐渣替代天然礦粉在瀝青膠漿中應(yīng)用的可行性，為煤氣化爐渣的推廣應(yīng)用提供參考。

1 實 驗

1.1 材 料

1.1.1 瀝 青

本研究采用70#基質(zhì)瀝青，70#基質(zhì)瀝青的主要技術(shù)性能見表1，其測試方法與技術(shù)要求參見《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[34]。

表1 70#基質(zhì)瀝青的主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indicators of 70# base bitumen

1.1.2 填 料

選取煤氣化爐渣和天然礦粉作為填料，其中天然礦粉為石灰?guī)r粉末，其粒徑小于0.075 mm；煤氣化爐渣來自山西潞安集團(tuán)，鑒于用煤氣化爐渣替代天然礦粉，因此將煤氣化爐渣進(jìn)行破碎，過0.075 mm篩，表2為兩種填料粒度分布及比表面積。

表2 不同填料的粒度分布及比表面積Table 2 Gradation parameters and specific surface area of different fillers

1.2 瀝青膠漿的設(shè)計和制備

本研究采用質(zhì)量比為1∶1的瀝青和填料來制備瀝青膠漿，其中煤氣化爐渣按0%、25%、50%、75%和100%部分或全部替代天然礦粉。瀝青膠漿的制備過程為：首先將70#基質(zhì)瀝青在160 ℃左右持續(xù)加熱直至融化，將天然礦粉與煤氣化爐渣混合物按照預(yù)定比例均勻混合后在150 ℃條件下進(jìn)行預(yù)熱；其次將預(yù)熱后的混合物加入到瀝青中，并在150 ℃的溫度下用高速剪切機(jī)以1000 r/min的速度剪切0.5 h制成瀝青膠漿。

1.3 試 驗

1.3.1 礦物成分

本研究采用日本理學(xué)UltimalV型X射線衍射(XRD)儀對兩種填料的礦物學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了表征，管電壓為40 kV，管電流為40 mA，X射線衍射角(2θ)為5°到90°，掃描步長為連續(xù)掃描。

1.3.2 表面形貌特征

為分析不同填料顆粒形態(tài)與瀝青膠漿基本性能及流變性能之間的潛在聯(lián)系，采用日本JSM-IT200電子顯微鏡對煤氣化爐渣和礦粉進(jìn)行微觀表征研究。制備樣品時首先使用粘性貼片將一定量的填料粉末附著在導(dǎo)電膠上，其次由于填料顆粒均為無機(jī)物，且為非導(dǎo)電性材料，因此在進(jìn)行電鏡掃描之前，需要對填料樣品表面進(jìn)行鍍金，以增強(qiáng)其導(dǎo)電性，從而獲得較為清晰的掃描電鏡圖像[35]。在測試過程中，掃描電子顯微鏡在15 kV的加速電壓下運(yùn)行，并在二次電子成像模式下拍攝圖像。

1.3.3 瀝青膠漿基本性能

根據(jù)規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)[34]測得瀝青膠漿軟化點、針入度(25 ℃)、延度(10 ℃)和黏度，表征不同煤氣化爐渣替代率對瀝青膠漿基本性能的影響。基于針入度、軟化點，根據(jù)公式(1)計算針入度指數(shù)[36]，用針入度指數(shù)來評估瀝青膠漿的溫度穩(wěn)定性。

(1)

式中：PI為針入度指數(shù)；Pen25為針入度；SP為軟化點。

1.3.4 溫度掃描試驗方案

本研究使用美國TA動態(tài)剪切流變儀(DSR)對瀝青膠漿進(jìn)行溫度掃描試驗。選用直徑為25 mm的平行板，板間隙設(shè)置為1 mm，設(shè)定頻率為10 rad/s，溫度掃描范圍為40～80 ℃，溫度間隔為10 ℃，掃描應(yīng)變?yōu)?%。測得復(fù)數(shù)剪切模量(G*)、相位角(δ)、車轍因子(G*/sinδ)等流變測試參數(shù)[37-38]。

1.3.5 多應(yīng)力重復(fù)蠕變(MSCR)試驗方案

為了更加準(zhǔn)確的評估瀝青膠漿的抗永久變形能力，根據(jù)AASHTO T350-19[38]進(jìn)行了多應(yīng)力重復(fù)蠕變(MSCR)試驗，設(shè)備將自動采集每個蠕變恢復(fù)周期樣品的應(yīng)變數(shù)據(jù)[39-43]。試驗溫度為60 ℃，在0.1 kPa應(yīng)力水平下加載1 s，之后卸載恢復(fù)9 s，重復(fù)20次，首先完成0.1 kPa應(yīng)力水平下的重復(fù)蠕變恢復(fù)，取11～20個周期內(nèi)應(yīng)變平均值；接著在3.2 kPa應(yīng)力水平下重復(fù)10次蠕變恢復(fù)，取21～30個周期內(nèi)應(yīng)變平均值，2個加載應(yīng)力之間不發(fā)生間歇。通過計算得到變形恢復(fù)率(R)、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)、變形恢復(fù)率和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃康膽?yīng)力敏感性參數(shù)Rdiff、Jnrdiff，計算方法如下：

(2)

(3)

式中：γnr為每個加載周期內(nèi)的殘余變形；γ0為每個加載周期內(nèi)的初始應(yīng)變；τ為每個加載周期的應(yīng)力水平；γP為每個加載周期內(nèi)的峰值應(yīng)變。

(4)

(5)

式中：Jnr0.1、Jnr3.2分別為0.1、3.2 kPa時的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?kPa-1)；R0.1、R3.2分別為0.1、3.2 kPa時的變形恢復(fù)率(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 礦物成分分析

考慮到瀝青與不同填料界面的相互作用不同，這種相互作用不僅與基質(zhì)瀝青有關(guān)，更受填料性質(zhì)的影響，因此本文通過X射線衍射圖譜對煤氣化爐渣和天然礦粉的礦物組成進(jìn)行對比分析。其中圖1(a)為煤氣化爐渣的XRD圖譜，可以看出尖銳而強(qiáng)烈的衍射峰較多，表明煤氣化爐渣大多為晶體相物質(zhì)；其中位于2θ=26.623°處的最強(qiáng)衍射峰代表石英(SiO2)，位于2θ=29.387°處的第二強(qiáng)峰代表方解石(CaCO3)，位于2θ=35.240°處的第三強(qiáng)峰代表莫來石(2Al2O3·SiO2)，位于2θ=11.665°處的第四強(qiáng)峰則代表石膏(CaSO4·2H2O)，表明煤氣化爐渣主要的晶相組成為石英、方解石、莫來石以及石膏，而這些高溫晶體相物質(zhì)均是原煤經(jīng)過氣化即其中的礦物元素發(fā)生一系列物理化學(xué)變化之后轉(zhuǎn)化而成，這與已有研究結(jié)論一致[28]。

其中煤氣化爐渣中的石英相來源于原煤在氣化過程中未來得及參加反應(yīng)的石英顆粒，而原煤中大部分石英與高嶺石發(fā)生了反應(yīng)，生成新的礦物質(zhì)或非晶質(zhì)[48]。方解石一方面來源于煤氣化爐渣中的CaO，由于爐渣長時間堆放，CaO會與空氣中的CO2反應(yīng)生成CaCO3；另一方面來源于助熔劑(CaCO3)，在煤氣化過程中為了降低灰分的熔融溫度與黏度需添加適量的助熔劑，由于CaCO3顆粒粒徑較大且在氣化爐中停留的時間較短，無法完全分解而殘留在爐渣中[10]。莫來石是原煤中高嶺石經(jīng)過一系列連續(xù)變化反應(yīng)而成，首先高嶺石在600～800 ℃時開始脫水變?yōu)槠邘X石，在980 ℃時偏高嶺石開始生成莫來石的前驅(qū)體—硅線石，在約1 000 ℃時莫來石開始生成，其含量在1 000～1 400 ℃范圍內(nèi)隨著溫度升高而增加[18,45]。石膏是原煤燃燒過程中有機(jī)硫氧化而成。

由圖1(b)為天然礦粉的XRD圖譜，其中最強(qiáng)衍射峰位于2θ=29.342°處，代表方解石(CaCO3)，表明該天然礦粉的礦物組成較為單一，主要為方解石。石英、莫來石均比方解石物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，方解石較脆，且易分化。因此，作為瀝青膠漿的填料時，以石英、莫來石為主要礦物成分的煤氣化爐渣比以方解石為主要礦物成分的天然礦粉理化性質(zhì)更加穩(wěn)定，由煤氣化爐渣替代天然礦粉制得的瀝青膠漿理化性質(zhì)也更加穩(wěn)定，煤氣化爐渣替代礦粉制備瀝青膠漿在理論上切實可行。

圖1 兩種填料的X射線衍射譜圖Fig 1 X-ray diffraction spectra of two fillers

2.2 填料顆粒表面特征分析

圖2分別為煤氣化爐渣和天然礦粉在掃描電鏡下的顆粒形貌特征，可以看出兩種填料表面形貌存在差異，在粒度、顆粒形態(tài)和表面紋理方面呈現(xiàn)出不同的形貌特征。圖2(a)中，煤氣化爐渣大多為幾十微米的塊狀體，部分為球狀、棒狀體，顆粒形狀不規(guī)則性較強(qiáng)。大部分顆粒表面較為光滑，少數(shù)表面粗糙，有較多小顆粒散落在大顆粒表面，這可能是由于煤氣化爐渣在粉磨過程中不斷破裂、解離所致。顆粒粒徑整體分布較為連續(xù)、均勻。圖2(b)中，天然礦粉大多為幾十微米塊狀體，顆粒形狀較為規(guī)則，顆粒表面存在層狀紋理。顆粒粒徑分布較為集中、單一。當(dāng)填料與瀝青發(fā)生物理吸附時，與天然礦粉顆粒相比，煤氣化爐渣不規(guī)則的顆粒形狀能在高速剪切機(jī)作用下與瀝青中的大分子更好地纏繞、吸附，使形成的“煤氣化爐渣-瀝青”界面更加牢固。

圖2 兩種填料掃描電鏡圖像Fig 2 Scanning electron micrograph of two fillers

2.3 瀝青膠漿基本性能分析

2.3.1 三大指標(biāo)試驗分析

瀝青膠漿的三大指標(biāo)即軟化點、針入度和延度如圖3所示。由圖3(a)可以看出隨著煤氣化爐渣替代率的增加，軟化點增大，當(dāng)煤氣化爐渣替代率達(dá)到50%時，瀝青膠漿的軟化點達(dá)到最大，之后隨著煤氣化爐渣替代量的增加，瀝青膠漿的軟化點逐漸呈穩(wěn)定趨勢，表明煤氣化爐渣可以改善瀝青膠漿的高溫性能。

瀝青的針入度可以評價瀝青的軟硬程度和稠度，同樣，也可以通過針入度試驗對瀝青膠漿的軟硬程度進(jìn)行一定的表征。煤氣化爐渣替代率從0%上升到25%時，瀝青膠漿的針入度明顯降低，可能是因為煤氣化爐渣與天然礦粉的硬度差距較大，煤氣化爐渣摻量的增加使得瀝青膠漿變硬，針入度降低。但是隨著煤氣化爐渣替代率從25%上升到50%，瀝青膠漿中煤氣化爐渣小粒徑逐漸增多，一方面，針入度試驗室內(nèi)保溫過程中容易出現(xiàn)粉粒沉淀的現(xiàn)象，煤氣化爐渣中的小粒徑足以使原本均質(zhì)的瀝青變成非均質(zhì)的膠體，另一方面，粉粒的尺寸與標(biāo)準(zhǔn)針尖的尺寸處在同一個數(shù)量級上，針入度試驗的測量精度很容易出現(xiàn)問題，因此出現(xiàn)了針入度增大的結(jié)果。而隨著煤氣化爐渣摻量的進(jìn)一步增大，瀝青膠漿逐漸變得穩(wěn)定，測量精度提高，針入度逐漸減小。雖然針入度測試的結(jié)果出現(xiàn)離散的現(xiàn)象，但總體上隨著煤氣化爐渣摻量的增大，瀝青膠漿的針入度減小，高溫性能得到改善。

隨著煤氣化爐渣替代率的上升，瀝青膠漿的延度先下降后趨于平緩，拉伸斷裂均表現(xiàn)為脆性，煤氣化爐渣的摻入使得瀝青膠漿變硬，低溫抗裂性能下降?？赏ㄟ^應(yīng)變能理論來解釋瀝青膠漿的低溫拉伸行為，溫度降低時瀝青臨界應(yīng)變能減小，可恢復(fù)彈性能增加，拉伸會發(fā)生脆性斷裂和回彈。加入填料后由于填料的剛性導(dǎo)致瀝青臨界應(yīng)變能進(jìn)一步減小，拉伸時瀝青膠漿內(nèi)部密集分布的顆粒材料也會改變?yōu)r青本身的粘彈性[46]。

針入度指數(shù)結(jié)果見圖3(d)，針入度指數(shù)可用來評估瀝青膠漿的溫度穩(wěn)定性，針入度指數(shù)越高表明溫度敏感性越小，彈性越大。隨著煤氣化爐渣摻量的增加，瀝青膠漿彈性增加，表現(xiàn)出了較低的溫度敏感性，在經(jīng)歷晝夜溫差變化和長期高溫或低溫時，相比于礦粉作為填料的瀝青膠漿有更大優(yōu)勢。針入度指數(shù)明顯提高的原因可能在于煤氣化爐渣不規(guī)則的顆粒形狀能與瀝青分子產(chǎn)生更好地纏繞、吸附作用，使得分布于煤氣化爐渣顆粒表面的“結(jié)構(gòu)瀝青”厚度較礦粉表面更大。

綜合三大指標(biāo)來看，隨著瀝青膠漿中煤氣化爐渣逐漸替代礦粉，高溫性能得到明顯改善，但低溫性能略有下降。當(dāng)煤氣化爐渣替代50%的天然礦粉時，煤氣化爐渣開始發(fā)揮其良好的作用，瀝青膠漿開始呈現(xiàn)出較好的高溫性能和低溫性能。

2.3.2 布氏黏度試驗分析

本研究在135 ℃下，采用布氏粘度儀的21號轉(zhuǎn)子，以20 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測試，試驗結(jié)果如圖4所示。煤氣化爐渣替代礦粉后黏度總體呈上升趨勢，表明煤氣化爐渣可以提高瀝青膠漿的抗剪切變形能力。煤氣化爐渣相對天然礦粉具有較小的粒徑以及較大的比表面積，因此可以吸附和固定更多的自由瀝青，導(dǎo)致瀝青的潤滑作用降低，填料之間的摩擦效應(yīng)增強(qiáng)，使得瀝青膠漿具有更高的黏度。同時，瀝青膠漿黏度的提高必然影響瀝青混合料的拌和效率，因此用煤氣化爐渣替代天然礦粉時可以通過適當(dāng)提高拌和溫度來獲得更好的施工和易性。

圖4 不同煤氣化爐渣替代率下瀝青膠漿黏度Fig 4 Viscosity of asphalt mastic under different coal gasification slag replacement ratio

2.4 流變性能分析

2.4.1 溫度掃描試驗結(jié)果分析

瀝青是一種黏彈塑性材料，其力學(xué)性能隨溫度變化而變化，瀝青在低溫狀態(tài)下表現(xiàn)為塑性，當(dāng)溫度上升時，瀝青逐漸向黏彈性材料轉(zhuǎn)變，因此對瀝青膠漿進(jìn)行溫度掃描試驗十分有必要。

以10 rad/s的頻率進(jìn)行溫度掃描試驗，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，瀝青膠漿的流變性能表現(xiàn)出明顯的溫度依賴性[47]，相比于天然礦粉瀝青膠漿G*隨溫度的變化，煤氣化爐渣的加入改變了瀝青膠漿隨溫度變化的應(yīng)變大小，但是不改變?yōu)r青膠漿G*隨溫度的變化曲線特征及趨勢，不同煤氣化爐渣摻量的瀝青膠漿G*均隨著溫度升高呈線性減小，表明隨著溫度的升高，瀝青膠漿變軟，抗變形能力減弱。溫度升高，分子動能增加，瀝青會從高彈態(tài)逐漸變?yōu)轲ち鲬B(tài)，黏結(jié)力降低，抵抗變形能力減弱。

圖5 不同煤氣化爐渣替代率下瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角Fig 5 Complex modulus and phase angle of asphalt mastic under different coal gasification slag replacement ratio

在相同溫度下，用天然礦粉制備的瀝青膠漿表現(xiàn)出最低的復(fù)數(shù)剪切模量。煤氣化爐渣替代天然礦粉時，G*有增大趨勢，并在100%煤氣化爐渣替代率下，瀝青膠漿的G*達(dá)到最高，意味著煤氣化爐渣可以提高瀝青膠漿高溫下的抗永久變形能力。這與軟化點和針入度測試有很好的相關(guān)性。

同一溫度下，隨著煤氣化爐渣的加入，δ略有減小。這一現(xiàn)象表明，煤氣化爐渣使瀝青膠漿彈性有一定增加，有助于瀝青路面的彈性。同一煤氣化爐渣替代率下瀝青膠漿在低溫時δ較小，表明此時瀝青膠漿以彈性為主。隨著溫度的升高，一方面所有樣品的δ都逐漸增大，表明此時瀝青膠漿黏性起主要作用，另一方面，煤氣化爐渣摻量的改變對δ影響變小，即不同煤氣化爐渣替代率瀝青膠漿的δ趨于一致，表明高溫時填料的改變對瀝青膠漿的黏彈組成比例影響較小，這是因為在此溫度下填料對以黏性為主的瀝青影響較小。

因此，利用煤氣化爐渣可以提高瀝青膠漿的彈性和抗變形能力，對瀝青混合料的高溫性能有積極的影響。

車轍因子G*/sinδ是利用G*和δ計算出來的，其被認(rèn)為是表征抗車轍能力的一個重要參數(shù)，較大的車轍因子與較好的高溫抗車轍能力相關(guān)[48]。如圖6，在相同溫度下，隨著煤氣化爐渣替代率的增加，G*/sinδ在逐漸增大，表明煤氣化爐渣提高了瀝青膠漿的高溫抗車轍能力；在同一煤氣化爐渣替代率下，G*/sinδ隨著溫度的升高而降低，表明高溫會使瀝青膠漿抗車轍能力降低；在溫度較低時，不同爐渣替代率下G*/sinδ的差異較大，但是隨著溫度的升高，G*/sinδ的差異逐漸減小，表明隨著溫度的升高，爐渣替代率的變化對車轍因子的影響逐漸減小，對瀝青膠漿高溫性能改善效果減弱。在60 ℃時，100%煤氣化爐渣替代率的車轍因子與0%替代率相差較小，僅為3.51 kPa，其高溫性能較難明確表征，因此下述采用MSCR試驗對60 ℃下的瀝青膠漿的高溫性能進(jìn)行深入研究。

圖6 不同煤氣化爐渣替代率下瀝青膠漿的車轍因子Fig 6 Rutting factor of asphalt mastic under different coal gasification slag replacement ratio

2.4.2 MSCR試驗結(jié)果分析

圖7為0.1和3.2 kPa兩種應(yīng)力水平下不同煤氣化爐渣替代率的瀝青膠漿累積應(yīng)變，可以看出隨著煤氣化爐渣替代率的增加，累積應(yīng)變在逐漸減小，表明煤氣化爐渣提高了瀝青膠漿的抗永久變形能力；對比逐級增加25%的爐渣替代率對累積應(yīng)變的影響發(fā)現(xiàn)，不同應(yīng)力水平下爐渣替代率對瀝青膠漿累積應(yīng)變的影響不同，在0.1 kPa下，100%煤氣化爐渣替代率與75%之間的累積應(yīng)變減小幅度最大，3.2 kPa下，75%煤氣化爐渣替代率與50%間的累積應(yīng)變減小幅度最大。

圖7 瀝青膠漿累積應(yīng)變Fig 7 Accumulated strain of asphalt mastic

R表征了瀝青膠漿的回彈性能，同時包含了瞬時彈性和延遲彈性。兩種應(yīng)力水平下，對比相同煤氣化爐渣替代率的瀝青膠漿的變形恢復(fù)率R，發(fā)現(xiàn)R隨著應(yīng)力的增加而降低，說明高應(yīng)力水平下，瀝青膠漿的彈性變形較??；不同爐渣替代率的Rdiff差異較小，表明煤氣化爐渣對瀝青膠漿的變形恢復(fù)率的應(yīng)力敏感性Rdiff影響較小。相同應(yīng)力水平下，隨著煤氣化爐渣替代率增加，R也隨之升高，說明煤氣化爐渣可使瀝青膠漿的彈性行為比例增大。對比0%替代率與100%替代率，發(fā)現(xiàn)在0.1 kPa下R提升了96.1%，3.2 kPa下R提升了72.6%，瀝青膠漿在低應(yīng)力下彈性比例較高應(yīng)力下更大，煤氣化爐渣在低應(yīng)力下對瀝青膠漿的彈性恢復(fù)效果更好。

試驗發(fā)現(xiàn)瀝青膠漿在試驗溫度下彈性成分所占比例很小，粘性成分占主導(dǎo)，因此本節(jié)主要對瀝青膠漿的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr以及應(yīng)力敏感性指標(biāo)Jnr-diff分別進(jìn)行對比分析，以期對不同煤氣化爐渣替代率對瀝青膠漿性能的影響做出評價[49]。

不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr可以用來表征瀝青高溫抗車轍能力。兩種應(yīng)力水平下，對比相同煤氣化爐渣替代率的Jnr，發(fā)現(xiàn)Jnr隨著應(yīng)力的增加而升高，說明高應(yīng)力水平下，瀝青膠漿的不可恢復(fù)變形較大；Jnr-diff隨著煤氣化爐渣替代率的增大而增大，表明煤氣化爐渣摻量的增大會使瀝青膠漿不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃康膽?yīng)力敏感性增大。

在相同應(yīng)力水平下，瀝青膠漿的Jnr0.1和Jnr3.2均逐漸減小，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是爐渣中石英、莫來石的硬度較天然礦粉中的方解石大，隨著爐渣替代率的增加導(dǎo)致瀝青膠漿的硬度增大，瀝青膠漿的抵抗永久變形能力增大。對比0%替代率與100%替代率，發(fā)現(xiàn)在0.1 kPa下Jnr下降了32.95%，3.2 kPa下Jnr下降了36.46%，煤氣化爐渣在高應(yīng)力下與瀝青的界面相互作用程度更大，因此高應(yīng)力下瀝青膠漿的流變性能改變程度較大，對瀝青膠漿的抗車轍能力提高效果更為明顯。

表3 不同煤氣化爐渣替代率下瀝青膠漿的R、Jnr、Rdiff和Jnr-diff值Table 3 R,Jnr,Rdiff and Jnr-diff values of asphalt mastic under different coal gasification slag replacement ratio

3 結(jié) 論

研究了煤氣化爐渣對瀝青膠漿流變性能的影響。首先對煤氣化爐渣粉末的物理化學(xué)性質(zhì)以及形貌特征方面進(jìn)行了表征，并與天然礦物填料進(jìn)行了比較。其次通過基本性能試驗和流變測試，對不同煤氣化爐渣替代率制備的瀝青膠漿的性能進(jìn)行評價，可以得出以下結(jié)論:

(1)煤氣化爐渣以石英、莫來石為主要物相，由煤氣化爐渣替代天然礦粉制得的瀝青膠漿理化性質(zhì)較天然礦粉更加穩(wěn)定。

(2)煤氣化爐渣顆粒形狀不規(guī)則性較強(qiáng)，顆粒粒徑整體分布較為連續(xù)、均勻，其在高速剪切作用下能與瀝青中的大分子產(chǎn)生更好地纏繞、吸附作用。

(3)隨著煤氣化爐渣替代率的上升，瀝青膠漿溫度穩(wěn)定性提高，高溫性能改善，彈性以及抗永久變形能力增強(qiáng)，低溫性能略有下降。

(4)煤氣化爐渣在不同應(yīng)力水平下對瀝青膠漿累積應(yīng)變的影響程度不同。煤氣化爐渣在高應(yīng)力下與瀝青的界面相互作用程度更大，對瀝青膠漿的抗車轍能力提高效果更為明顯。煤氣化爐渣替代率的改變對瀝青膠漿的Rdiff影響不大，但會導(dǎo)致Jnr-diff的增大。

將煤氣化爐渣應(yīng)用于瀝青膠漿中，不僅可以降低瀝青膠漿的造價，還可以有效減緩煤氣化爐渣堆積和填埋帶來的環(huán)境污染問題，具有十分重要的實際應(yīng)用價值。在今后的研究過程中，可對煤氣化爐渣瀝青膠漿進(jìn)行適當(dāng)改性，進(jìn)一步改善其低溫性能，以推進(jìn)路面新型材料的發(fā)展。