煤矸石粉/水鎂石纖維改性瀝青混合料路用性

能熊銳+劉子銘+楊曉凱+喬云雁+王小雯+陳華鑫+關博文

摘要：為了研究煤矸石粉、水鎂石纖維改性瀝青混合料路用性能，通過車轍試驗、小梁低溫彎曲試驗和凍融劈裂試驗評價其高溫穩定性、低溫抗裂性及水穩定性；采用灰熵法分析填料各項特征因素對瀝青混合料各項路用性能的影響程度顯著性；借助掃描電鏡（SEM）探析煤矸石粉、水鎂石纖維改性瀝青混合料作用機理。結果表明：經煤矸石粉、水鎂石纖維改性的瀝青混合料路用性能均得到明顯提高；影響其路用性能的最主要因素是纖維摻量；水鎂石纖維在瀝青膠漿中形成三維網絡增強結構，而煤矸石粉則有效改善了瀝青膠漿的溫度敏感性。

關鍵詞：道路工程；活化煤矸石；水鎂石纖維；瀝青混合料

中圖分類號：U214.75文獻標志碼：B

Research on Road Performance of Coal Gangue Powder and Brucite Fiber Modified Asphalt Mixture

XIONG Rui， LIU Ziming， YANG Xiaokai， QIAO Yunyan， WANG Xiaowen， CHEN Huaxin， GUAN Bowen

（School of Materials Science and Engineering， Changan University， Xian 710061， Shaanxi， China）

Abstract： In order to study the road performance of coal gangue powder and brucite fiber modified asphalt mixture， the high temperature stability， crack resistance at low temperature and moisture susceptibility were evaluated through the rutting test， low temperature bending test and freezethaw splitting test. The grey entropy method was applied to analyze the influence of various characteristic factors of fillers on the road performance of asphalt mixture. Through the scanning electron microscopy （SEM）， the action mechanism of coal gangue powder and brucite fiber modified asphalt mixture was explored. The results show that the road performance of asphalt mixture modified with coal gangue powder and brucite fiber is remarkably improved. The main factor that affects the road performance is the fiber content. Brucite fiber in the asphalt mortar forms a threedimensional network to enhance the structure， and coal gangue powder effectively improves the temperature sensitivity of asphalt mortar.

Key words： road engineering； activated coal gangue； brucite fiber； asphalt mixture

0引言

隨著公路交通事業的蓬勃發展，瀝青路面已成為中國高等級公路路面的主要形式。瀝青路面長期承受著車輛荷載的反復作用和自然環境的直接影響，導致高溫車轍、低溫開裂、疲勞等病害頻發，且破壞機制復雜多樣，使得瀝青路面壽命縮短，維修養護成本大大增加[1]。近年來，隨著新結構、新材料、新工藝的不斷涌現，瀝青路面的研究和應用水平也達到了更高的層次，其中改性瀝青技術的發展最為矚目，尤其是SBS和SBR等聚合物改性瀝青以其優異的性能在高等級瀝青路面中得到廣泛應用，但同時也大幅度增加了瀝青路面的建設成本。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、成本低廉等特點也已成為改性瀝青研究的一個領域，受到越來越多的關注。研究表明，在基質瀝青或基質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基質瀝青或基質瀝青混合料中，可以有效提高瀝青混合料的耐久性[25]。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，其中以粉煤灰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。

煤矸石是煤炭開采和洗選過程中產生的廢渣，是中國排放量和累計存量最大的工業固體廢棄物之一[6]。截至目前，中國煤矸石累計堆存量已達45億噸，且每年正以3～4億噸的產量堆積，而煤矸石的綜合利用尚不足20%。對煤矸石進行活性激發和道路建材資源化利用存在較大空間[79]。

此外，工程實踐表明，礦物纖維（常見如短切玄武巖纖維）因其性能優良且可再生等優點已在瀝青路面工程中得到一定應用[1011]。但玄武巖纖維成本較高，難以在大范圍推廣。本文選用水鎂石纖維，該纖維是一種獨特的天然堿性礦物纖維（主要成分是Mg（OH）2），在中國、美國和俄羅斯等國家均有豐富儲量，并在資源化利用和環保角度上較石棉纖維有明顯優勢，但其在瀝青路面上的應用尚為鮮見[12]。endprint

鑒于此，本文將探討煤矸石粉/水鎂石纖維復合改性瀝青在瀝青路面上的應用可行性，并評價其改善瀝青混合料路用性能效果，以期拓寬固體廢棄物煤矸石及水鎂石纖維的資源化利用途徑及改善瀝青路面使用品質。

1試驗材料與方法

1.1原材料

（1）瀝青。瀝青采用新疆克拉瑪依A110#道路石油瀝青，其技術指標如表1所示。

（2）煤矸石粉。煤矸石產自河北省靈壽縣，選用3個細度級別：H1、H2、H3；礦粉采用普通石灰巖礦粉。對4種填料進行X射線熒光光譜分析，4種填料的各項物理指標如表2所示。煤矸石粉主要成分為SiO2和Al2O3，礦粉主要成分為CaO和少量的SiO2。相較于礦粉，煤矸石粉細度較細，且隨著3個類型的煤矸石粉細度依次增加，比表面積則依次增大。

1.2.1瀝青混合料路用性能試驗方法

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011），分別采用車轍試驗、小梁低溫彎曲試驗和凍融劈裂試驗評價煤矸石粉/水鎂石纖維復合改性瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性[13]。同時，借助掃描電鏡（SEM）對其微觀改性機理進行分析。

1.2.2灰熵分析法

灰熵分析法來源于灰色系統理論，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，并具有較高的精度與可靠度。基于此，本文采用灰熵分析法來研究各影響因素的顯著性。

（1）灰關聯系數。

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

2.1車轍試驗

對動穩定度隨填料類型和纖維摻量、車轍變形填料類型與水鎂石纖維摻量的變化規律的試驗結果如圖2、3所示。

可知，相較于基準瀝青混合料（填料為礦粉），經煤矸石粉/水鎂石纖維復合改性的瀝青混合料的動穩定度增大、車轍變形量減小。這是因為：活化煤矸石顆粒阻礙瀝青中分子鏈的運動能夠降低瀝青膠漿的流動變形[14]。另外，水鎂石纖維由于自身吸附和加筋作用，在瀝青混合料中能夠起到增韌作用。當試件受到集中剪切作用時，隨機分布的水鎂石纖維相互搭接成網，將瀝青混合料中的應力傳遞并釋放，從而減小局部剪切應變[1516]。

隨著活化煤矸石細度的進一步減小及水鎂石纖維摻量的增加，瀝青混合料的動穩定度逐漸增大；當摻入H2型煤矸石粉和05%的水鎂石纖維時，瀝青混合料動穩定度達到最大，變形量最小。當改性劑用量較少時，瀝青混合料中水鎂石纖維尚不能形成有效的空間網絡結構，但隨著改性劑用量進一步增加，分布在瀝青中的煤矸石顆粒有效地阻止了瀝青膠漿分子鏈的剪切流動；同時，隨機分布的水鎂石纖維逐漸形成了空間網絡結構，有效地阻止了界面滑移，使瀝青混合料抗剪能力得到明顯改善[17]。

2.2小梁低溫彎曲試驗

小梁低溫彎曲試驗結果如圖4所示。

圖4小梁低溫彎曲試驗結果

由圖4可知，相較于基準瀝青混合料（填料為礦粉），活化煤矸石改性瀝青混合料的低溫性能略有下降；但當瀝青混合料中摻入適量水鎂石纖維時，瀝青混合料的最大彎拉應變陡增。這是因為水鎂石纖維的摻入使瀝青混合料的油石比增大，加之水鎂石纖維自身的橋接和加筋作用，提高了瀝青混合料的低溫抗裂性能。因此，活化煤矸石復合水鎂石纖維對瀝青混合料低溫抗裂性能有大幅改善。

2.3凍融劈裂試驗

可知，凍融劈裂強度比（TSR）隨填料細度的減小而增大；TSR隨纖維摻量的增加而增大，相較于基準瀝青混合料，TSR提高了134%。表明活化煤矸石復合水鎂石纖維能夠大幅提高瀝青混合料的水穩定性。這是因為：活化煤矸石和水鎂石纖維的混摻，形成了更多的結構瀝青以充分包裹礦料；纖維與瀝青間產生吸附、擴散、化學鍵合和濕潤作用，使瀝青成單分子排列在纖維表面，形成牢固的瀝青界面結構層，瀝青膠漿粘結強度增大，瀝青混合料水穩定性得到明顯改善。

2.4活化煤矸石/水鎂石纖維復合改性瀝青混合料灰關聯熵分析

采用灰熵法，分析填料各個特征因素對煤矸石粉/水鎂石纖維復合改性瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性及水穩定性等的影響程度顯著性。灰熵分析結果如所示。

可知，水鎂石纖維在瀝青膠漿中形成了較多局部三維網狀結構，加之煤矸石對瀝青溫度敏感性的改善作用，極大地提高了瀝青膠漿粘結及穩定礦料的能力。在瀝青混合料中加入水鎂石纖維后，由于機體與增強體材料性質差異，致使在復合界面附近產生殘余應力應變場及纖維裂紋，這些殘余應力應變場和纖維裂紋能引起周圍材料彈性模量降低，從而起到釋放裂紋區殘余應變，降低應力集中因子的作用，提高瀝青混合料的抗開裂能力。

此外，摻入纖維有助于提高瀝青混合料抗水損害能力，這是因為纖維能改善瀝青膠漿的韌性和強度，提高瀝青混合料的整體性，促使瀝青混合料水穩定性得到改善。

3結語

（1）通過煤矸石粉/水鎂石纖維復合改性，瀝青混合料的高溫抗車轍性能顯著提高；摻入H2型煤矸石粉和0.5%的水鎂石纖維是最佳改性方案。

（2）活化煤矸石能夠有效提高瀝青混合料的低溫抗裂性，摻入適量水鎂石纖維后，改善效果更為顯著；摻入H3型煤矸石粉和0.5%的水鎂石纖維是最佳改性方案。

（3）活化煤矸石復合水鎂石纖維能夠大幅提高瀝青混合料的水穩定性。

（4）影響煤矸石粉/水鎂石纖維復合改性瀝青混合料動穩定度、彎拉應變和凍融殘留強度的最主要因素是纖維摻量。

（5）活化煤矸石對瀝青溫度敏感性的改善及水鎂石纖維在瀝青膠漿中形成空間網狀結構，是瀝青混合料路用性能提高的主要原因。endprint

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[責任編輯：杜敏浩]endprint