活化煤矸石改性瀝青膠漿高溫性能影響因素研究

熊 銳，楊曉凱，楊 發，房建宏，徐安花，盛燕萍

(1.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710061；2. 云南省交通運輸廳工程質量監督局，云南 昆明 650214；3. 云南昭會高速公路建設指揮部，云南 昆明 650200；4.青海省交通科學研究院，青海 西寧 810008)

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活化煤矸石改性瀝青膠漿高溫性能影響因素研究

熊 銳1，楊曉凱1，楊 發2,3，房建宏4，徐安花4，盛燕萍1

(1.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710061；2. 云南省交通運輸廳工程質量監督局，云南 昆明 650214；3. 云南昭會高速公路建設指揮部，云南 昆明 650200；4.青海省交通科學研究院，青海 西寧 810008)

采用動態剪切流變試驗(DSR) 對比研究了不同粉膠比條件下(0.6，0.8，1.0，1.2，1.4)和不同溫度條件下(64，70，76，82 ℃)活化煤矸石和礦粉改性瀝青膠漿的高溫流變性能；運用灰熵法分析了活化煤矸石改性瀝青膠漿高溫性能影響因素——溫度、活性成分SiO2含量、粉膠比、135 ℃運動黏度、膠漿軟化點——的顯著性。結果表明：活化煤矸石代替礦粉作為填料可使瀝青膠漿的高溫性能有大幅提高；粉膠比對活化煤矸石改性瀝青膠漿高溫性能有最顯著影響。

道路工程；活化煤矸石；瀝青膠漿；車轍因子；高溫性能；灰熵法

0 引 言

近年來，在改性瀝青研究領域，SBS和SBR等聚合物以其優良的性能得到廣泛應用，但同時也顯著增加了瀝青鋪面建設成本。除聚合物改性瀝青外，無機微粉填料由于材料來源廣泛、易加工、成本低廉等特點已成為改性瀝青研究的新領域而備受關注。研究表明，在瀝青或瀝青混合料中加入一種或數種無機改性填料，通過適當的加工工藝，使改性材料熔融或分散在瀝青或瀝青混合料中，可以有效提高瀝青混合料的耐久性[1-3]。常見的無機微粉填料主要包括礦粉、水泥、石灰、粉煤灰、火山灰、硅藻土、炭黑等，其中以煤矸石為代表的工業固體廢棄物在瀝青路面上的再利用體現出顯著的經濟、社會和環保效益。

盡管近年來我國已經開始重視煤矸石的綜合利用，但總體水平仍待提高。因此，對煤矸石進行活性激發和道路建材資源化再利用還有很大的研究空間。目前，煤矸石在道路建筑材料方面的應用主要集中在水泥燒制、路面及路基鋪筑用骨料方面[4-6]，由于煤矸石中含有大量的黏土類礦物，煅燒后可產生一定活性，會一定程度上影響著煤矸石與瀝青的界面性質及膠漿的宏觀性能。

筆者采用動態剪切流變試驗(DSR)研究了不同粉膠比條件下(0.6，0.8，1.0，1.2，1.4)活化煤矸石改性瀝青膠漿的高溫流變性能，并與礦粉改性瀝青膠漿進行對比，研究將活化煤矸石替代礦粉作為瀝青混合料填料的可行性，以期變廢為寶。此外，填料改性瀝青膠漿是一種典型的黏彈性材料，其高溫性能的變化是多因素共同作用的結果，可分為外因和內因。外因主要指不同的氣候環境條件；內因主要包括瀝青和填料性質、瀝青膠漿組成等。在一定的工程環境中，統籌考慮外因和內因，通過合理的瀝青混合料組成設計實現復合材料的高性能化具有重要現實意義。由于瀝青膠漿的高溫性能是一個典型的“灰色系統”，故筆者以改進型車轍因子G*/[1- 1/(sinδtanδ)]作為評價指標，選用灰熵法進行系統分析，篩選出影響瀝青膠漿高溫性能較為顯著的因素，并對其進行了分析。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

1.1.1 瀝 青

采用新疆KLM A-110 # 瀝青，各項指標如表1。

表1 KLM A-110 # 瀝青技術指標

1.1.2 填 料

煤矸石產自河北省靈壽縣，經高溫煅燒、機械研磨制成試驗用活化煤矸石粉。礦粉為磨細的石灰石粉。采用Hitachi S-4800掃描電子顯微鏡(SEM)得到兩種填料的微觀形貌(×20.0 K)，如圖1。表2、表3分別為兩種填料的技術性能指標及主要化學組成。

圖1 礦粉與活化煤矸石的微觀形貌Fig.1 Microstructure of mineral powder and activated coal gangue

指標活化煤矸石礦粉表觀密度/(g·cm-3)2.3142.626親水系數0.780.85粒度范圍/% <0.6mm100100 <0.15mm93.592.9 <0.075mm81.779.7比表面積/(m2·kg-1)2.561.31

表3 活化煤矸石及礦粉主要化學組成

1.2 研究方法

1.2.1 試驗方法

采用動態剪切流變儀(DSR)測試填料改性瀝青膠漿的剪切模量G*和相位角δ(ASTM D7175)。采用一種改進型車轍因子G*/[1-1/(sinδtanδ)]代替傳統的車轍因子G*/sinδ來評價填料改性瀝青膠漿的高溫流變性能[7-8]。G*/[1-1/(sinδtanδ)]值越大，表明材料的彈性越大，高溫性能越好。

1.2.2 灰熵分析法

灰色理論是鄧聚龍[9]提出的一種新型工程系統理論。該理論能在“小樣本、貧信息”的條件下對系統進行分析，從而分辨出主次影響因素。該法克服了現有灰色關聯方法存在的諸多不足，并使分析結果更加準確[10-11]。基于此，筆者將采用該法來研究各影響因素的顯著性。其計算步驟如下：

1)灰關聯系數

X為灰關聯因子集，x0[x0(1)，…，x0(n)]為參考列，xi[xi(1)，…，xi(n)] (i=1，2，…，m)為比較列，比較列與參考列間的灰關聯系數為：

(1)

2)灰關聯熵與灰熵關聯度

X為離散數列x0∈x為參考列，xi∈x(i= 1，…，m)為比較列，Ri={ξ[x0(k),xi(k)]k=1,…,n} ，則得分布的密度值為：

(2)

Xi的灰關聯熵表示為：

(3)

序列xi的灰熵關聯度為：

(4)

式中：Hmax=lnn，代表由n個元素構成的差異信息列的最大值。

3)關鍵影響因素分析

根據灰熵關聯度的排序可知，比較列的熵關聯度越大，則比較列與參考列的關聯性越強，從而確定出各影響因素的顯著性。

1.2.3 填料改性瀝青膠漿高溫性能影響因素

對于由填料和瀝青膠結料組成的復合材料，認為影響其高溫性能主要在于溫度(外因)及原材料和瀝青膠漿的特性——活性成分SiO2含量、粉膠比、135 ℃運動黏度、膠漿軟化點(內因)。不同粉膠比條件下(0.6，0.8，1.0，1.2，1.4)和不同溫度條件下(64，70，76，82 ℃)活化煤矸石與礦粉改性瀝青膠漿的高溫抗車轍因子測試結果見表4。

表4 瀝青膠漿高溫抗車轍因子測試結果

注：X0—改進型車轍因子，kPa；x1—溫度，℃；x2—活性成分SiO2含量，%；x3—粉膠比；x4—135℃運動黏度，Pa·s；x5—膠漿軟化點，℃。

2 結果分析

2.1 灰熵計算

以改進型車轍因子G*/[1-1/(sinδtanδ)]作為參考序列，對各影響因素進行灰熵分析，由式(1)～式(4)，得到比較序列的灰熵關聯度，如表5。

表5 灰熵關聯度

由表5可知，各影響因素對活化煤矸石改性瀝青膠漿高溫抗車轍因子影響大小依次為：粉膠比>膠漿軟化點>溫度>135 ℃運動黏度>活性成分SiO2含量，即粉膠比和膠漿軟化點等內因是影響活化煤矸石改性瀝青膠漿高溫性能最重要的兩個影響因素。

2.2 結果分析

按照近代膠漿理論，瀝青混合料是一種三級空間網狀結構的分散系，而這三級分散相尤以瀝青膠漿(以填料為分散相分散在瀝青介質中)最為重要，其組成結構決定了瀝青混合料的各項性能和材料的黏彈性變化[10]。在瀝青種類確定的情況下，粉膠比則顯得非常重要。選擇合理的粉膠比可顯著提高瀝青膠漿及瀝青混合料的穩定性和耐久性。以試驗溫度64 ℃為例(最接近瀝青混合料高溫車轍試驗溫度60 ℃)，繪制兩種填料瀝青膠漿的高溫抗車轍因子隨粉膠比變化柱狀圖，見圖2。

圖2 活化煤矸石和礦粉改性瀝青膠漿高溫性能對比

由圖2可以看出，與礦粉相比，活化煤矸石改性瀝青膠漿在不同粉膠比條件下的高溫性能均具有顯著提高，且隨著粉膠比的增加，活化煤矸石的優越性愈加明顯。這主要是因為：

1)活化煤矸石具有更多的活性成分SiO2(約為礦粉的4.5倍)及更大的比表面積(約為礦粉的2倍)，與瀝青的黏附性更強并可形成更多的結構瀝青。

2)由填料微觀形貌圖可知，礦粉為表面光滑致密的多面體結構，棱角較少，顆粒較大，且無明顯的微孔隙，相互連接不強；而活化煤矸石表面呈網格搭接結構，具有較強的整體性，且表面存在大量均勻分布的分孔空隙，互穿通透，可與瀝青形成較為致密的整體結構，從而顯著提高瀝青膠漿的高溫性能。

膠漿軟化點亦與瀝青膠漿的高溫性能密切相關，較高的軟化點賦予膠漿更佳的高溫抗車轍性能，此與實際相符。此外，盡管溫度的變化影響瀝青材料的黏彈性，進而影響著填料瀝青膠漿的高溫流變性能，但瀝青膠漿的材料組成(內因)才是關鍵的影響因素。把握這一原則，在進行不同使用環境下瀝青混合料組成設計時，能更有針對性。

3 結 論

1)采用改進型車轍因子G*/[1-1/(sinδtanδ)]評價填料改性瀝青膠漿的高溫性能，表明采用活化煤矸石代替礦粉作為填料可使瀝青膠漿的高溫性能有大幅提高；選取了影響瀝青膠漿高溫性能的5個代表性因素(內因與外因)，與評價指標進行關聯。

2)灰熵法簡單實用且結果比較準確。筆者研究的活化煤矸石瀝青膠漿就是一個“灰體”，影響高溫性能的因素有很多。通過灰熵分析，得出粉膠比和膠漿軟化點(內因)是影響活化煤矸石改性瀝青膠漿高溫性能最重要的兩個影響因素。

3)在進行基于膠漿性能的瀝青混合料組成設計時，應將這兩個因素作為主要控制點，并進一步考慮各因素的可控制程度和經濟成本等。

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Influence Factors of High Temperature Performance of ActivatedCoal Gangue Modified Asphalt Binder

Xiong Rui1, Yang Xiaokai1, Yang Fa2, 3,Fang Jianhong4,Xu Anhua4,Sheng Yanping1

(1. School of Materials Science & Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, Shaanxi, China; 2. Engineering Quality Supervision Bureau of Yunnan Department of Transportation, Kunming 650214, Yunnan, China; 3. Construction Headquarters of Zhao-Hui Expressway in Yunnan Province, Kunming 650200, Yunnan, China; 4.Qinghai Research Institute of Transportation (QRIT),Xi’ning 810008,Qinghai,China)

Through the dynamic shear rheological tests (DSR), the high temperature rheological properties of activated coal gangue modified asphalt mortar with different filler-asphalt ratios (0.6，0.8，1.0，1.2，1.4) and different temperatures (64，70，76，82 ℃) were investigated, and the results were compared with those of mineral powder modified asphalt mortar. Then, the grey entropy was applied to analyze the significance of influencing factors of the high temperature of activated coal gangue modified asphalt mortar such as temperature, active ingredient content of SiO2, filler-asphalt ratio, kinematic viscosity at 135 ℃ and softening point of asphalt mortar. The test results show that the activated coal gangue instead of mineral powder as the filler can make the high temperature performance of asphalt mortar greatly increase. Filler-asphalt ratio has the most obvious significance to the high temperature performance of activated coal gangue modified asphalt mortar.

road engineering; activated coal gangue; asphalt mortar; rutting factor; high temperature performance; grey entropy method

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.09

2014-08-12；

2015-04-15

國家自然科學基金項目(51208047)；交通土建工程材料國家地方聯合工程實驗室開放基金項目(LHSYS-2013-003)；青海省重大科技專項基金項目(2014-GX-A2A)；青海省交通科技項目(2011-03)

熊 銳(1982—)，男，河南羅山人，講師，博士，主要從事路面結構與材料方面的研究。E-mail：xiongr61@126.com。

U414.3

A

1674-0696(2015)05-044-05