粉煤灰摻量對瀝青混合料路用性能影響研究

摘 要：本研究旨在探討不同粉煤灰摻量對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能的影響。通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、流值測試和低溫劈裂試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了粉煤灰摻量對瀝青混合料力學(xué)性能的變化規(guī)律。結(jié)果表明，摻入適量粉煤灰（40%～80%）可以有效提高混合料的高溫抗變形能力和延展性，其中，80%摻量下的馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到最大值。粉煤灰摻量增加有助于提高混合料的延展性，但摻量過高（超過80%）會降低抗裂性能和剛度，尤其在低溫條件下，劈裂抗拉強(qiáng)度明顯下降。研究結(jié)果為粉煤灰在瀝青路面中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)，建議在工程中合理控制粉煤灰摻量，平衡各項(xiàng)路用性能。

關(guān)鍵詞：粉煤灰；瀝青混合料；高溫穩(wěn)定性；低溫抗裂性；馬歇爾穩(wěn)定度

中圖分類號：U 41" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

粉煤灰是燃煤電廠產(chǎn)生的主要工業(yè)副產(chǎn)物，因其豐富的資源、低廉的成本及較好的化學(xué)穩(wěn)定性，逐漸應(yīng)用于土木工程中，特別是在水泥混凝土的研究中得到了廣泛應(yīng)用。將粉煤灰應(yīng)用于瀝青混合料中，不僅可以提高材料的力學(xué)性能，還能減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)資源可持續(xù)利用。然而，粉煤灰在瀝青混合料中的具體作用機(jī)制仍存在較多不確定性，尤其是不同摻量的粉煤灰對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性的影響機(jī)制尚不明確[1]。

在高溫條件下，馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)用于評價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，通過測試馬歇爾穩(wěn)定度和流值，能夠分析混合料在荷載作用下的抗變形能力[2-3]。在低溫條件下，劈裂試驗(yàn)是評價(jià)瀝青混合料抗裂性能的有效方式，通過測試劈裂強(qiáng)度，可以評估混合料在低溫條件下的抗拉破壞能力[4]。因此，本研究通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了不同粉煤灰摻量對瀝青混合料在高溫和低溫條件下的路用性能影響。

本文旨在通過試驗(yàn)研究不同摻量下的材料性能，確定最佳的摻量配比，為道路工程中的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

瀝青混合料的常見原材料主要有瀝青、粗細(xì)集料、礦粉。由于礦粉的生產(chǎn)過程會造成較大的能源消耗，不符合綠色低碳的生產(chǎn)理念，因此在實(shí)際工程中常采用粉煤灰進(jìn)行替代。本文所用瀝青為70#石油瀝青，其技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，具體見表1。

粗集料為粒徑在2.36mm～13.2mm的石灰?guī)r碎石，細(xì)集料為粒徑在0.075mm～2.36mm的石灰?guī)r碎石屑。礦粉為粒徑小于0.075mm的石灰?guī)r礦粉，粉煤灰取自當(dāng)?shù)匕l(fā)電廠，其粒徑小于0.075mm。兩者化學(xué)組成和物理性能對比如圖1所示。

本文共設(shè)計(jì)6種不同的粉煤灰替代礦粉摻量的試驗(yàn)方案，替代率分別為0%、20%、40%、60%、80%和100%。試驗(yàn)中的油石比分別為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%，根據(jù)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，油石比與馬歇爾穩(wěn)定度間關(guān)系如圖2所示。最終確定本試驗(yàn)的最佳油石比為4.9%。因此，后續(xù)試驗(yàn)均基于最佳油石比。每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行試樣（試樣高度63.5 cm），將平行試樣試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果，進(jìn)行后續(xù)分析。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 耐高溫馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

耐高溫馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)分為兩個(gè)主要步驟：水浴加熱和穩(wěn)定度測試。模擬瀝青混合料在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性，通過水浴加熱使試樣達(dá)到規(guī)定的溫度，以便進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度測試。主要步驟如下：按照設(shè)計(jì)的油石比制作瀝青混合料試樣，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為直徑101.6 mm，高度63.5 mm的圓柱體。將恒溫水浴設(shè)備的溫度設(shè)定為60℃，這是馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)中常用的高溫測試條件。將瀝青混合料試樣放入水浴槽中，使其完全浸沒在水中，保持溫度均勻。試樣在水浴中保持（60±1）min，保證試樣內(nèi)部與外部的溫度一致，達(dá)到60℃的高溫狀態(tài)。在加熱時(shí)間結(jié)束后，將試樣從水浴中取出，并迅速進(jìn)行下一步的馬歇爾穩(wěn)定度測試，以免試樣降溫影響測試結(jié)果。

在馬歇爾穩(wěn)定度測試中，將試樣放置在測試設(shè)備的加載頭之間，并以1.27 mm/min的速度進(jìn)行垂直加載。在測試過程中，設(shè)備記錄試樣所能承受的最大荷載（即馬歇爾穩(wěn)定度）和破壞時(shí)的垂直變形量（流值）。

1.2.2 低溫劈裂試驗(yàn)

低溫劈裂試驗(yàn)包括低溫冷凍和劈裂測試兩個(gè)步驟。將按照設(shè)計(jì)配比制作的瀝青混合料試樣放入低溫恒溫箱中，設(shè)定溫度為-10℃或其他符合試驗(yàn)要求的低溫條件，冷凍至少4h，保證試樣內(nèi)部和外部溫度一致，達(dá)到穩(wěn)定的低溫狀態(tài)。在冷凍完成后，試樣迅速取出并進(jìn)行劈裂試驗(yàn)。

將試樣水平放置在劈裂試驗(yàn)機(jī)上，以50 mm/min的加載速度垂直施加壓力，直到試樣沿直徑方向破裂。記錄試樣破裂時(shí)的最大荷載，計(jì)算其抗拉強(qiáng)度，從而評估瀝青混合料在低溫環(huán)境下的抗裂性能。通過該試驗(yàn)，可以有效模擬嚴(yán)寒環(huán)境下瀝青混合料的路用性能，為實(shí)際工程提供參考依據(jù)。

2 瀝青混合料高溫性能

2.1 粉煤灰摻量對馬歇爾穩(wěn)定度的影響分析

圖3為粉煤灰摻量對馬歇爾穩(wěn)定度的影響。從圖中可以看出馬歇爾穩(wěn)定度隨粉煤灰摻量增加，呈現(xiàn)先升后降的趨勢，表明適量的粉煤灰有助于提高混合料的密實(shí)度和黏結(jié)性，從而增強(qiáng)其抗變形能力。然而，當(dāng)粉煤灰摻量過多時(shí)，穩(wěn)定度反而降低，可能是因粉煤灰過量導(dǎo)致混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，增加了空隙率，試驗(yàn)降低了骨料與瀝青的黏結(jié)性。當(dāng)粉煤灰摻量為80%時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到最大值（10.3143 kN）。表明在80%的摻量下，瀝青混合料的抗變形能力最強(qiáng)，也是最佳的粉煤灰摻量。

2.2 粉煤灰對流值的影響

圖4為粉煤灰摻量對流值的影響的結(jié)果。從圖中可知，當(dāng)摻量在20%～40%時(shí)，流值處于最低點(diǎn)（約為2.63 mm），表明此時(shí)瀝青混合料的變形能力較小，表現(xiàn)出良好的剛性。當(dāng)粉煤灰摻量超過60%時(shí)，流值明顯增加，表明高摻量下瀝青混合料的流動性增強(qiáng)，抗變形能力下降，可能是過多粉煤灰導(dǎo)致混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

綜上所述，粉煤灰摻量對流值的影響較為顯著，當(dāng)摻量較少時(shí)（20%～40%），混合料的流值較低，抗變形性能較好，而當(dāng)摻量較多時(shí)（60%～100%），流值明顯上升，抗變形能力下降。因此，在工程應(yīng)用中，應(yīng)避免過摻量多的粉煤灰，保持混合料的良好性能。

2.3 粉煤灰對馬歇爾模數(shù)的影響

圖5為粉煤灰摻量對馬歇爾模數(shù)的影響。由圖5可知，隨著粉煤灰摻量增加，馬歇爾模數(shù)呈現(xiàn)先升后降的趨勢。當(dāng)粉煤灰摻量為0%～40%時(shí)，馬歇爾模數(shù)不斷上升，表明摻加適量的粉煤灰可以增強(qiáng)瀝青混合料的剛度和抗變形能力。然而，在摻量超過40%后，馬歇爾模數(shù)逐漸下降，尤其當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到100%時(shí)，馬歇爾模數(shù)降至最低值。當(dāng)粉煤灰摻量為40%時(shí)，馬歇爾模數(shù)達(dá)到最大值4.41961kN/mm，表明在此摻量下，瀝青混合料的剛度和抗變形能力最強(qiáng)。當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到100%時(shí)，模數(shù)降至最低值（2.77569 GPa），表明此時(shí)混合料的剛度和穩(wěn)定性大幅下降，表現(xiàn)較差。

綜上所述，粉煤灰的摻量對瀝青混合料的馬歇爾模數(shù)有顯著影響。當(dāng)摻量為40%時(shí)，混合料的模數(shù)最大，表明其力學(xué)性能最佳，而摻量超過這個(gè)比例后，模數(shù)逐漸減少，會影響材料的剛度和抗變形性能。因此，工程中應(yīng)將粉煤灰的摻量控制在40%左右，以達(dá)到最佳性能。

3 瀝青混合料低溫性能

3.1 粉煤灰對低溫劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖6為粉煤灰摻量對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。由圖6可知，粉煤灰摻量對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響表現(xiàn)出逐步下降的趨勢。隨著粉煤灰摻量增加，劈裂抗拉強(qiáng)度不斷降低，表明增加粉煤灰在一定程度上削弱了瀝青混合料的抗拉能力。在沒有摻加粉煤灰的情況下，劈裂抗拉強(qiáng)度最大（2.4266 MPa），表明未摻入粉煤灰的瀝青混合料具有更好的抗裂性能。當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到100%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度降至最低（1.9912 MPa），表明粉煤灰過多會顯著降低瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度，影響其抵抗裂縫形成的能力。

綜上所述，粉煤灰摻量增加會顯著降低瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度。未摻加粉煤灰的混合料表現(xiàn)出最佳的抗裂性能，而摻量越高，抗拉強(qiáng)度下降越明顯。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)將粉煤灰的摻量控制在較低范圍內(nèi)，避免混合料的抗裂性能降低。

3.2 粉煤灰對破壞拉伸應(yīng)變的影響

粉煤灰摻量對破壞拉伸應(yīng)變的影響如圖7所示。隨著粉煤灰摻量增加，破壞拉伸應(yīng)變呈現(xiàn)逐步上升的趨勢。粉煤灰摻量從0%增至100%，破壞拉伸應(yīng)變也不斷增加，說明摻入粉煤灰提高了混合料的延展性和變形能力。隨著粉煤灰摻量從0%增至100%，破壞拉伸應(yīng)變逐漸增加，這表明加入粉煤灰使混合料的韌性提高，能夠承受更多的拉伸變形，不易發(fā)生破壞。

綜上所述，粉煤灰摻量增加能夠顯著提高瀝青混合料的破壞拉伸應(yīng)變，使其變形能力增強(qiáng)，延展性增加。當(dāng)粉煤灰摻量為100%時(shí)，混合料表現(xiàn)出最強(qiáng)的變形能力，因此在某些對延展性要求較高的工程中，適量增加粉煤灰摻量可能有助于提高材料的整體韌性。但是在實(shí)際應(yīng)用中還需要平衡其他性能，保證混合料的整體質(zhì)量和性能。

4 結(jié)論

當(dāng)粉煤灰摻量在80%時(shí)，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到最大值，表明其高溫抗變形能力最強(qiáng)，但摻量超過80%后，穩(wěn)定性下降。當(dāng)40%粉煤灰摻量時(shí)，混合料的馬歇爾模數(shù)最大，剛度和抗變形能力最佳，超過這個(gè)摻量后，剛度逐漸下降。粉煤灰摻量增加會顯著降低混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度，抗裂性能隨摻量增加而降低，因此建議在低溫環(huán)境中控制粉煤灰的摻量。粉煤灰摻量增加能提高混合料的破壞拉伸應(yīng)變和韌性，100%摻量時(shí)的延展性最強(qiáng)，適用于對變形能力要求較高的工程。

參考文獻(xiàn)

[1]吳金榮， 李飛， 宋風(fēng)寧， 等. 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)， 2020，39（4）： 1343-1350.

[2]童李， 胡曉軍. 聚酯纖維對透水瀝青混合料的高溫性能影響[J]. 隴東學(xué)院學(xué)報(bào)， 2024， 35（5）： 36-40.

[3] 趙愛軍， 寇吟松， 李武倫， 等. 高摻量SBS改性瀝青及其混合料老化行為[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2024， 49（4）： 751-763.

[4] 尹力勃. 混合料內(nèi)部裂隙對瀝青路面路用性能的影響[J].交通世界， 2023 （13）： 41-44.