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 土木工程學院，太原 030024；2.山西交通控股集團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

隨著各國道路建設快速發展，瀝青路面被廣泛應用，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，與瀝青構成瀝青膠漿，共同增進了瀝青混合料的強度和流變性能。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境造成較大的污染，出于環保考慮，很多礦粉廠關閉，導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，我國能源消耗結構以煤炭為主，煤制氣、煤制油等是以煤氣化為核心技術的主要產業，煤氣化已成為實現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行反應，最終煤炭可轉化為可燃氣體和少量(15%～20%)爐渣[6-7]。在煤氣化過程中，煤中無機礦物質經過不同的物理化學轉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有關[10]。隨著煤氣化技術的大規模推廣應用，產生的煤氣化爐渣越來越多，大量煤氣化爐渣堆積占用了農田耕地，不僅產生粉塵和風沙，還會釋放含硫或含氨氣體，對環境造成較大污染[11]。目前對于煤氣化爐渣的處置主要為填埋[12]，需要一筆相當大的費用，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境污染問題，具有十分重要的意義。

許多學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渣[13]，粗渣產生于氣化爐的排渣口處，占60%～80%，細渣主要產生于合成氣的除塵裝置處[12]，占20%～40%。一般來講，煤氣化爐渣細渣的停留時間比粗渣短[14]，造成細渣較粗渣殘碳含量高[15]，而較高的殘碳含量會阻礙其在水泥和混凝土中的應用[16-17]，研究認為高殘碳、高熱值而且粒徑足夠細的煤氣化爐渣可以考慮摻燒循環流化床鍋爐，經循環硫化床燃燒后，爐渣中殘碳量降低，再用作建材原料，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組成相近，有替代硅質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、提高余熱發電量、提高熟料強度的效果[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力學強度與42.5標號水泥相當。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，以增強水泥砂漿的流動性和強度[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抗壓強度和抗折強度明顯增加[25]，煤氣化爐渣替代全部砂石集料應用于水泥粉煤灰穩定煤氣化爐渣基層中，7 d無側限抗壓強度可滿足各等級公路基層強度要求，同時還具有優良的保溫抗凍性[26]。雷彤[27]用煤氣化爐渣粗渣替代半剛性基層中細集料，發現煤氣化爐渣粗渣含量對干縮性能的影響遠沒有水泥含量影響大。由煤氣化爐渣替代混凝土中細集料制成的混凝土可達到與使用天然砂制成的混凝土幾乎相同的抗壓強度、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]，在道路工程中的應用主要為充當水泥原料以及混凝土中的粗、細集料，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用的可行性，為煤氣化爐渣的推廣應用提供參考。

1 實 驗

1.1 材 料

1.1.1 瀝 青

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

表1 70#基質瀝青的主要性能指標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巖粉末，其粒徑小于0.075 mm；煤氣化爐渣來自山西潞安集團，鑒于用煤氣化爐渣替代天然礦粉，因此將煤氣化爐渣進行破碎，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 瀝青膠漿的設計和制備

本研究采用質量比為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#基質瀝青在160 ℃左右持續加熱直至融化，將天然礦粉與煤氣化爐渣混合物按照預定比例均勻混合后在150 ℃條件下進行預熱；其次將預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UltimalV型X射線衍射(XRD)儀對兩種填料的礦物學性質進行了表征，管電壓為40 kV，管電流為40 mA，X射線衍射角(2θ)為5°到90°，掃描步長為連續掃描。

1.3.2 表面形貌特征

為分析不同填料顆粒形態與瀝青膠漿基本性能及流變性能之間的潛在聯系，采用日本JSM-IT200電子顯微鏡對煤氣化爐渣和礦粉進行微觀表征研究。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電膠上，其次由于填料顆粒均為無機物，且為非導電性材料，因此在進行電鏡掃描之前，需要對填料樣品表面進行鍍金，以增強其導電性，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

根據規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(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，根據公式(1)計算針入度指數[36]，用針入度指數來評估瀝青膠漿的溫度穩定性。

(1)

式中：PI為針入度指數；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動態剪切流變儀(DSR)對瀝青膠漿進行溫度掃描試驗。選用直徑為25 mm的平行板，板間隙設置為1 mm，設定頻率為10 rad/s，溫度掃描范圍為40～80 ℃，溫度間隔為10 ℃，掃描應變為1%。測得復數剪切模量(G*)、相位角(δ)、車轍因子(G*/sinδ)等流變測試參數[37-38]。

1.3.5 多應力重復蠕變(MSCR)試驗方案

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

(2)

(3)

式中：γnr為每個加載周期內的殘余變形；γ0為每個加載周期內的初始應變；τ為每個加載周期的應力水平；γP為每個加載周期內的峰值應變。

(4)

(5)

式中：Jnr0.1、Jnr3.2分別為0.1、3.2 kPa時的不可恢復蠕變柔量(kPa-1)；R0.1、R3.2分別為0.1、3.2 kPa時的變形恢復率(%)。

2 結果與分析

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瀝青有關，更受填料性質的影響，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，可以看出尖銳而強烈的衍射峰較多，表明煤氣化爐渣大多為晶體相物質；其中位于2θ=26.623°處的最強衍射峰代表石英(SiO2)，位于2θ=29.387°處的第二強峰代表方解石(CaCO3)，位于2θ=35.240°處的第三強峰代表莫來石(2Al2O3·SiO2)，位于2θ=11.665°處的第四強峰則代表石膏(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均是原煤經過氣化即其中的礦物元素發生一系列物理化學變化之后轉化而成，這與已有研究結論一致[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的石英顆粒，而原煤中大部分石英與高嶺石發生了反應，生成新的礦物質或非晶質[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過一系列連續變化反應而成，首先高嶺石在600～800 ℃時開始脫水變為偏高嶺石，在980 ℃時偏高嶺石開始生成莫來石的前驅體—硅線石，在約1 000 ℃時莫來石開始生成，其含量在1 000～1 400 ℃范圍內隨著溫度升高而增加[18,45]。石膏是原煤燃燒過程中有機硫氧化而成。

由圖1(b)為天然礦粉的XRD圖譜，其中最強衍射峰位于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和化學性質穩定，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更加穩定，由煤氣化爐渣替代天然礦粉制得的瀝青膠漿理化性質也更加穩定，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、顆粒形態和表面紋理方面呈現出不同的形貌特征。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，顆粒形狀不規則性較強。大部分顆粒表面較為光滑，少數表面粗糙，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、均勻。圖2(b)中，天然礦粉大多為幾十微米塊狀體，顆粒形狀較為規則，顆粒表面存在層狀紋理。顆粒粒徑分布較為集中、單一。當填料與瀝青發生物理吸附時，與天然礦粉顆粒相比，煤氣化爐渣不規則的顆粒形狀能在高速剪切機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 三大指標試驗分析

瀝青膠漿的三大指標即軟化點、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，當煤氣化爐渣替代率達到50%時，瀝青膠漿的軟化點達到最大，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，針入度試驗室內保溫過程中容易出現粉粒沉淀的現象，煤氣化爐渣中的小粒徑足以使原本均質的瀝青變成非均質的膠體，另一方面，粉粒的尺寸與標準針尖的尺寸處在同一個數量級上，針入度試驗的測量精度很容易出現問題，因此出現了針入度增大的結果。而隨著煤氣化爐渣摻量的進一步增大，瀝青膠漿逐漸變得穩定，測量精度提高，針入度逐漸減小。雖然針入度測試的結果出現離散的現象，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。可通過應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變能減小，可恢復彈性能增加，拉伸會發生脆性斷裂和回彈。加入填料后由于填料的剛性導致瀝青臨界應變能進一步減小，拉伸時瀝青膠漿內部密集分布的顆粒材料也會改變瀝青本身的粘彈性[46]。

針入度指數結果見圖3(d)，針入度指數可用來評估瀝青膠漿的溫度穩定性，針入度指數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，表現出了較低的溫度敏感性，在經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勢。針入度指數明顯提高的原因可能在于煤氣化爐渣不規則的顆粒形狀能與瀝青分子產生更好地纏繞、吸附作用，使得分布于煤氣化爐渣顆粒表面的“結構瀝青”厚度較礦粉表面更大。

綜合三大指標來看，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。當煤氣化爐渣替代50%的天然礦粉時，煤氣化爐渣開始發揮其良好的作用，瀝青膠漿開始呈現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號轉子，以20 r/min的轉速進行測試，試驗結果如圖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，導致瀝青的潤滑作用降低，填料之間的摩擦效應增強，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 溫度掃描試驗結果分析

瀝青是一種黏彈塑性材料，其力學性能隨溫度變化而變化，瀝青在低溫狀態下表現為塑性，當溫度上升時，瀝青逐漸向黏彈性材料轉變，因此對瀝青膠漿進行溫度掃描試驗十分有必要。

以10 rad/s的頻率進行溫度掃描試驗，結果如圖5所示。可以看出，瀝青膠漿的流變性能表現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變大小，但是不改變瀝青膠漿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，瀝青會從高彈態逐漸變為黏流態，黏結力降低，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數剪切模量和相位角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出最低的復數剪切模量。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性。

同一溫度下，隨著煤氣化爐渣的加入，δ略有減小。這一現象表明，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，其被認為是表征抗車轍能力的一個重要參數，較大的車轍因子與較好的高溫抗車轍能力相關[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試驗結果分析

圖7為0.1和3.2 kPa兩種應力水平下不同煤氣化爐渣替代率的瀝青膠漿累積應變，可以看出隨著煤氣化爐渣替代率的增加，累積應變在逐漸減小，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變的影響發現，不同應力水平下爐渣替代率對瀝青膠漿累積應變的影響不同，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%間的累積應變減小幅度最大。

圖7 瀝青膠漿累積應變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率R，發現R隨著應力的增加而降低，說明高應力水平下，瀝青膠漿的彈性變形較小；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率的應力敏感性Rdiff影響較小。相同應力水平下，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，發現在0.1 kPa下R提升了96.1%，3.2 kPa下R提升了72.6%，瀝青膠漿在低應力下彈性比例較高應力下更大，煤氣化爐渣在低應力下對瀝青膠漿的彈性恢復效果更好。

試驗發現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，因此本節主要對瀝青膠漿的不可恢復蠕變柔量Jnr以及應力敏感性指標Jnr-diff分別進行對比分析，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]。

不可恢復蠕變柔量Jnr可以用來表征瀝青高溫抗車轍能力。兩種應力水平下，對比相同煤氣化爐渣替代率的Jnr，發現Jnr隨著應力的增加而升高，說明高應力水平下，瀝青膠漿的不可恢復變形較大；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蠕變柔量的應力敏感性增大。

在相同應力水平下，瀝青膠漿的Jnr0.1和Jnr3.2均逐漸減小，產生這種現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，發現在0.1 kPa下Jnr下降了32.95%，3.2 kPa下Jnr下降了36.46%，煤氣化爐渣在高應力下與瀝青的界面相互作用程度更大，因此高應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 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性質以及形貌特征方面進行了表征，并與天然礦物填料進行了比較。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行評價，可以得出以下結論:

(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較天然礦粉更加穩定。

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

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

(4)煤氣化爐渣在不同應力水平下對瀝青膠漿累積應變的影響程度不同。煤氣化爐渣在高應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，但會導致Jnr-diff的增大。

將煤氣化爐渣應用于瀝青膠漿中，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境污染問題，具有十分重要的實際應用價值。在今后的研究過程中，可對煤氣化爐渣瀝青膠漿進行適當改性，進一步改善其低溫性能，以推進路面新型材料的發展。