飛灰替代礦粉對瀝青膠漿性能的影響

陳路斯, 顏可珍, 向 鵬, 張雨欣

（1. 中大檢測(湖南)股份有限公司，湖南 長沙 410013；2. 湖南大學，土木工程學院，湖南 長沙 410082；3. 湖南華城檢測技術有限公司，湖南 長沙 410017）

引言

垃圾焚燒處理過程中會產生大量飛灰，由于其富集高浸出毒性的重金屬及二噁英等有害物質而被認定為危險廢物［1-4］。為了對飛灰進行無害化、資源化處理，相關學者利用瀝青優良的黏結性、不透水性和化學穩定性對飛灰進行包裹，固化其有害物質［5-6］。相關研究發現飛灰的粒徑、微觀形態、礦物組成均與礦粉相似，若能將飛灰替代部分礦粉生產瀝青混凝土，既能使飛灰中重金屬等有害物質得到有效固化，又能大幅降低礦粉等天然建材的使用。

1 試驗材料

1.1 試驗材料

試驗所用原材料為70#A 級道路石油瀝青，石灰巖礦粉和飛灰，其基本指標見表1 ～表3。外摻劑為化學藥品升華硫粉（S）和高純度氫氧化鈉（NaOH）。

表1 基質瀝青基本物理性能指標

表3 飛灰性能指標

表2 石灰巖礦粉性能指標

2 試驗方案

2.1 飛灰瀝青膠漿制備工藝

將基質瀝青加熱至135 ℃，礦粉和飛灰加熱至140 ℃，在0.6、0.8、1.0 粉膠比下，飛灰按0%、25%、50%、75%、100%的比例替代礦粉加入到基質瀝青中。在添外摻劑時，飛灰替代礦粉比例為100%，取添加劑S 的用量為飛灰用量的7%，NaOH的用量與S 用量相同。

2.2 物理指標測定

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）［7］中的試驗方法對瀝青膠漿試樣的針入度（25 ℃）、延度（15 ℃）、軟化點和布氏旋轉黏度（120 ℃、135 ℃、150 ℃、175 ℃）進行測試。

2.3 流變性能測試

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）中的試驗方法對瀝青膠漿進行頻率掃描測試，試驗溫度為60 ℃，頻率范圍為0.1 ～100 rad/s，測得復數模量與相位角等指標；使用彎曲梁流變儀（BBR）對膠漿進行低溫性能測試，試驗溫度為-12 ℃、-18 ℃，測得蠕變勁度與蠕變速率指標。

3 試驗分析

3.1 飛灰瀝青膠漿常規性能分析

從圖1 ～圖3 可以看出，在飛灰替代比例為由0%增加到25%時，瀝青膠漿的常規性能指標變化最為明顯。

圖 1 飛灰摻量對瀝青膠漿針入度影響

圖 2 飛灰摻量對瀝青膠漿延度影響

圖 3 飛灰摻量對瀝青膠漿軟化點影響

3.2 高溫流變性能分析

3.2.1 粉膠比對飛灰瀝青膠漿高溫性能的影響

不同飛灰摻量下，粉膠比對車轍因子的影響見圖4、圖5。

圖4 飛灰摻量25%時粉膠比對瀝青膠漿車轍因子影響

圖 5 飛灰摻量50%時粉膠比對瀝青膠漿車轍因子影響

（1）從試驗結果可以發現，隨著粉膠比的增加，瀝青膠漿車轍因子逐漸增加，主要是因為粉膠比增大，填料吸收了更多瀝青中的輕質組分，使得瀝青質等組分含量比例增大，瀝青黏度提高，表現為瀝青膠漿高溫性能改善。（2）車轍因子并非隨著粉膠比的變化呈線性增長，當粉膠比從0.6 增加到0.8 時，車轍因子的變化幅度最大，表明當填料含量超過一定比例時，填料和瀝青間原有的相互作用發生了改變，使瀝青膠漿的車轍因子得到較大的提升。

3.2.2 飛灰摻量對飛灰瀝青膠漿高溫性能的影響

由圖6、圖7 可知，在同一粉膠比下，隨著飛灰替代礦粉比例的增加，車轍因子逐漸增加。原因在于飛灰具有粒度結構均勻、孔隙結構發達、比表面積大、親水系數低等特性，其含量增加時會吸收更多的自由瀝青，從而使瀝青黏度增加；同時飛灰含有較多活性元素能與瀝青發生物化反應從而加強兩者間黏附性，因而其抗剪切性能也更高，相應的車轍因子也更高。

圖 6 粉膠比為0.8 時飛灰摻量對瀝青膠漿車轍因子影響

圖 7 粉膠比為1.0 時飛灰摻量對瀝青膠漿車轍因子影響

3.3 低溫流變性能分析

彎曲梁流變試驗的蠕變勁度S和蠕變速率m兩個指標，可評價瀝青膠漿的低溫抗裂性能。蠕變勁度S值越大，表明瀝青膠漿的變形能力越差，瀝青路面在低溫環境下就越容易發生脆斷；蠕變速率m表征蠕變勁度S隨時間變化的速率，m值越小，表明瀝青消散內部溫度應力的能力越差，在車輛荷載的反復作用下，瀝青就越容易發生疲勞開裂。試驗結果見圖8、圖9。

圖 8 礦粉、飛灰不同溫度不同粉膠比下蠕變勁度

圖 9 礦粉、飛灰不同溫度不同粉膠比下蠕變速率

由圖8、圖9 可以看出，在相同溫度、相同粉膠比下，以飛灰作為填料的瀝青膠漿蠕變勁度S總體上比以礦粉為填料時的瀝青膠漿要略微高一點。隨著粉膠比的增長，同種填料瀝青膠漿的S逐漸增大，表明其低溫抗裂性能降低；而蠕變速率試驗結果也顯示了相似的規律，兩種瀝青膠漿的蠕變速率均隨粉膠比的增大逐漸減小，在同一粉膠比下，兩種瀝青膠漿的蠕變速率相差不大。表明粉膠比對瀝青膠漿低溫性能影響程度要大于填料類型對其的影響，飛灰瀝青膠漿與礦粉瀝青膠漿的低溫抗裂性能基本相當。

3.5 飛灰瀝青膠漿中低溫疲勞性能

當溫度較低時，瀝青路面在重復交通荷載作用下易發生疲勞破壞。由于瀝青膠漿在混合料中起到填充和黏附作用，集料的強度遠大于膠漿，在重復交通荷載作用下膠漿易先發生斷裂破壞，因此，膠漿的疲勞性能對于瀝青混合料的性能有著重要影響［8］。利用Superpave 結合料規范推薦的瀝青分級技術指標，以瀝青膠漿疲勞因子為5 000 kPa 時的溫度作為臨界溫度，臨界溫度越大表明瀝青發生疲勞損傷的溫度范圍越大，即疲勞性越差；應用時間掃描，以瀝青膠漿的復數模量降低為初始值的50%時加載次數作為臨界加載次數，臨界加載次數越大，表明疲勞壽命越長，即疲勞性能越好。以所得到的臨界溫度和臨界加載次數作為評價瀝青膠漿疲勞性能的指標。試驗結果見圖10。

由圖10 可以看出，在粉膠比為0.8 時，不同飛灰摻量的瀝青膠漿疲勞因子隨溫度變化而變化的規律相似，均隨溫度升高而減小。在相同溫度下，隨著飛灰替換摻量的增加，瀝青膠漿疲勞因子逐漸增大，且溫度越高時，疲勞因子數值上越為接近。0%、25%、50%、75%和100%飛灰替換量的瀝青膠漿疲勞因子達到5 000 kPa 的臨界溫度分別為21.8 ℃、23.4 ℃、24.4 ℃、25 ℃、26.4 ℃，即飛灰替換量的增加使得臨界溫度變大，表明膠漿受疲勞損傷的溫度范圍越廣，更容易發生疲勞破壞。

圖 10 不同飛灰摻量時疲勞因子隨溫度變化曲線

4 結語

（1）隨著飛灰摻量的增加，瀝青膠漿的軟化點會逐漸提高，針入度下降，延度降低，表明摻入一定量的飛灰替代礦粉在一定程度上可改善瀝青膠漿的高溫性能。（2）提高粉膠比以及飛灰替換礦粉的比例均能顯著地提高瀝青膠漿高溫穩定性能，但低溫抗裂性能一定程度降低；在降低粉膠比的基礎上，采用適量飛灰替代部分礦粉后可同時兼顧瀝青膠漿高低溫性能。（3）隨著飛灰替換礦粉摻量的增加，瀝青膠漿越容易發生疲勞損傷，即疲勞性能越差。因此，從疲勞角度出發，飛灰替換礦粉比例不宜過大。