粉煤灰摻量對瀝青膠漿及混合料高溫性能的影響研究

李江華 李運高 蘇宏慶

摘要：文章基于粉煤灰表面的形貌及元素組成，將粉煤灰以質量比分別為0、35%、70%、100%替代礦粉加入到瀝青膠漿和瀝青混合料中，采用車轍因子評價瀝青膠漿的高溫性能，并通過馬歇爾實驗和車轍實驗分別分析不同粉煤灰摻量下瀝青混合料的高溫性能。結果表明，將粉煤灰作為填料加入到瀝青膠漿和瀝青混合料中，均能改善其高溫性能。

關鍵詞：粉煤灰;車轍因子;瀝青膠漿;馬歇爾模數;動穩定度

0 引言

每年我國燃煤量約占全球的50%，粉煤灰作為燃煤的產物，每年積累的粉煤灰不僅占用大量的土地，而且粉煤灰中的有害物質會對土壤、水源等產生嚴重的污染[1-2]。在水環境中，粉煤灰能夠與堿發生化學反應，生成具有膠凝作用的材料而被廣泛應用于水泥混凝土中。此外，粉煤灰由于質輕、比表面積大、具有孔隙而被用于瀝青混合料中的填料，解決了粉煤灰堆放、資源浪費和環境污染等問題[3]。

周松濤等[4]對以粉煤灰為填料的瀝青混合料路用性能進行評價，結果表明，路用性能均能滿足規范的要求。張寶龍等[5]通過對粉煤灰進行表面改性，將其加入到瀝青混合料中進行路用性能評價，研究結果再一次證明了粉煤灰可以作為填料加入到瀝青混合料中。

我國道路路面的主要形式為瀝青路面，高溫車轍病害是瀝青路面早期破壞的一種主要形式，而提高瀝青混合料高溫性能對延長瀝青路面的使用壽命具有重要意義。但是，目前國內外在粉煤灰摻量對瀝青膠漿和瀝青混合料高溫性能的影響方面研究較少。

本研究將粉煤灰按照質量比分別為0、35%、70%、100%替代礦粉，通過動態剪切流變儀（DSR），以車轍因子評價瀝青膠漿的高溫性能，并通過馬歇爾實驗和車轍實驗分別分析不同粉煤灰摻量下的穩定度、流值和動穩定度，評價瀝青混合料的高溫性能。

1 原材料基本性能

1.1 瀝青

本研究采用的瀝青為70#基質瀝青。瀝青的主要技術指標見表1。

1.2 集料及填料

本研究采用的集料為石灰巖碎石，采用的填料有兩種，一種是石灰巖礦粉，一種是粉煤灰。兩種填料的主要技術指標和化學組成及含量見表2和表3。

2 粉煤灰瀝青膠漿高溫性能研究

2.1 粉煤灰瀝青膠漿的制備

本研究中采用粉膠比為1.2，粉煤灰替代礦粉的質量分別為0、35%、70%、100%，制備瀝青膠漿。具體步驟是：將基質瀝青緩慢加熱至流動狀態（溫度135 ℃），以1 500 r/min剪切速度攪拌瀝青5 min，然后將填料分三次加入到瀝青中，待填料完全加入后，調節剪切速度至3 500 r/min，繼續攪拌20 min，制成瀝青膠漿試樣。

2.2 DSR試驗

采用DSR對瀝青膠漿進行60 ℃下掃描試驗，選擇夾具直徑為25 mm，間距為1 mm，加載速度為10 rad/s。

2.3 測試結果分析

由圖1可知，隨著粉煤灰摻量的增加，車轍因子不斷增大，即摻加了粉煤灰的瀝青膠漿的高溫性能優于礦粉瀝青膠漿。對比礦粉和35%粉煤灰摻量的瀝青膠漿可知，隨著部分礦粉被粉煤灰替代，抗車轍因子顯著增加，增長率為34.1%，瀝青膠漿的高溫性能明顯提高;繼續增加粉煤灰的摻量，抗車轍因子增長較慢，這主要是礦粉和粉煤灰表面形貌、化學組成差異導致的。礦粉表面較為光滑，與瀝青的界面浸潤程度小，使得瀝青不能完全在礦粉表面形成一層包覆層;粉煤灰顆粒表面粗糙，整體較疏松，與瀝青的界面浸潤效果好，豐富的孔隙使得瀝青中的油分更易于滲入到粉煤灰中形成膠聯錨固作用。此外，粉煤灰中的金屬陽離子易與瀝青中的高分子羧基酸發生化學反應形成強度較高的化學鍵[6]。

3 粉煤灰瀝青混合料高溫性能研究

3.1 瀝青混合料配合比設計

按照馬歇爾配合比設計方法進行瀝青混合料配合比設計，研究中采用的級配為AC-13型，級配曲線見圖2，確定該級配類型條件下最佳油石比為4.7%。

從圖3中可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，瀝青混合料的馬歇爾穩定度先增加后減小，當粉煤灰的摻量為70%時，瀝青混合料的馬歇爾穩定度最大;當粉煤灰完全替代礦粉時，瀝青混合料的馬歇爾穩定度又開始下降，但是仍然高于礦粉瀝青混合料。隨著粉煤灰摻量不斷增加，粉煤灰既作為填料，又發揮滾珠作用，增加瀝青的流動性，改變瀝青與集料之間的相對位移，改變瀝青混合料的穩定度。

由圖4可知，隨著粉煤灰摻量的增加，瀝青混合料的流值先減小后增加，當粉煤灰摻量為35%時，瀝青混合料的流值最小。主要原因是：粉煤灰的密度小于礦粉，研究中采用等質量方式替代礦粉將增加填料的體積，減小瀝青混合料的空隙。此外，粉煤灰與瀝青之間較好的粘結性使得流值減小，但是隨著粉煤灰摻量的增加，粉煤灰的滾珠作用增大瀝青-集料間的位移，增大了瀝青混合料的流值。

由圖5可知，隨著粉煤灰摻量的增加，瀝青混合料的馬歇爾模數先增加后減小，瀝青混合料的抗變形能力先增加后減小。當粉煤灰的摻量為35%時，馬歇爾模數達到最大值，瀝青混合料的抗變形能力最大，高溫性能最好。因此，通過馬歇爾模數評價瀝青混合料的高溫性能宜采用的粉煤灰摻量為35%。

3.3 車轍實驗

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011），按照3.1設計的瀝青混合料成型300 mm×300 mm×50 mm車轍試件，并在60 ℃環境中以0.7 MPa的應力進行試驗，讀取45 min和60 min的車轍變形數據，并根據式（2）進行計算。

從圖6可知，隨著粉煤灰摻量的增加，瀝青混合料的動穩定度增加，瀝青混合料的高溫穩定性變好，與采用馬歇爾模數的評價方法存在一定差異。分析產生該現象的原因，主要是瀝青混合料的高溫性能受其骨架結構影響較大，瀝青混合料強度的形成主要依靠集料之間的嵌擠力。兩種評價方法中，采用馬歇爾模數評價，一方面實驗過程中需要浸水，另一方面馬歇爾模數受穩定度和流值兩個測試指標的影響。而采用車轍實驗進行評價就更加簡潔直觀。兩種評價方法的不同也是造成高溫性能結果不一致的原因。

4 結語

將粉煤灰按照礦粉質量的0、35%、70%、100%替代礦粉，對瀝青膠漿、瀝青混合料的高溫性能進行評價，可以得出以下結論：

（1）通過對不同粉煤灰摻量的瀝青膠漿的車轍因子進行分析，可以得出粉煤灰對提高瀝青膠漿的高溫性能具有積極的促進作用。

（2）通過對瀝青混合料的馬歇爾穩定度和流值進行測試、計算與分析，用馬歇爾模數評價瀝青混合料的高溫性能，采用粉煤灰摻量為35%的瀝青混合料的高溫性能最好。

（3）采用車轍實驗評價瀝青混合料的高溫性能，可以看出粉煤灰摻量越多，瀝青混合料的高溫性能越好。

參考文獻：

[1]吳金榮，李 飛，宋風寧.粉煤灰/聚酯纖維瀝青混合料馬歇爾試驗研究[J].硅酸鹽通報，2020，283（4）：347-354.

[2]交通運輸部.交通運輸節能環保“十三五”發展規劃[J].節能與環保，2016.

[3]牛力達.粉煤灰復合改性瀝青膠漿路用性能的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2015.

[4]周松濤，閆 風.粉煤灰代替礦粉拌制瀝青混合料的試驗研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2007，26（Z1）：50-52.

[5]張寶龍，吳 平，閆新勇.表面修飾粉煤灰對瀝青路用性能的影響[J].長安大學學報（自然科學版），2018，38（3）：34-51.

[6]吳 平.粉煤灰熱再生瀝青膠漿微觀作用機理及其混合料性能研究[D].西安：長安大學，2017.