掺活化煤矸石SMA混合料路用性能及改性机理研究

程文静

(山东交通职业学院， 山东 潍坊　261206)



掺活化煤矸石SMA混合料路用性能及改性机理研究

程文静

(山东交通职业学院， 山东 潍坊261206)

[摘要]研究活化煤矸石作为填料型沥青改性剂的技术可行性，提出采用活化煤矸石等量替代矿粉与SBS改性剂进行复配，基于车辙、低温弯曲、冻融劈裂和三分点加载疲劳试验研究了活化煤矸石SBS改性沥青混合料的综合路用性能，揭示了活化煤矸石对SBS改性沥青混合料的改性机理。结果表明：活化煤矸石等量替代矿粉后，SBS改性沥青混合料的高温稳定性提高幅度最大可达41%，改善了混合料的温度敏感性，显著提高了水稳定性和低温抗裂性，活化煤矸石SBS复合改性沥青混合料各应力水平下的疲劳寿命均高于普通SBS改性沥青混合料，疲劳寿命的提高幅度达40%，经室内试验和实体工程实践证明，采用活化煤矸石等量替代矿粉作为沥青混合料的改性剂是可行的。

[关键词]道路工程； 活化煤矸石； 沥青混合料； 路用性能； 改性机理

0前言

在复杂多变的自然条件和超载重载交通的综合作用下，沥青路面出现了不同形式的病害，如高温车辙、低温开裂以及水损坏等，尤其是高温湿热和寒冷地区病害尤为突出[1-4]。不断加厚的沥青面层来减少路面裂缝，但只是抑制了裂缝出现的时间，对减少裂缝的作用并不明显，单一改性沥青对沥青性能的提高有一的局限性，但对于一些地区来说，道路环境通常要经历-30 ℃～60 ℃的温度变化。现有的改性技术很难满足上述温度范围的要求。因此，国内开展了复合改性沥青材料的相关研究，如橡胶/SBS复合改性沥青，硅藻土纤维复合改性、胶粉和PE复合改性、岩沥青与BRA复合改性、复合纤维改性沥青混合料等[5-13]。随着矿物材料技术的发展，一些粉体矿物材料在沥青混合料中的应用已从单一结构填充拓展到功能增强，起到了改性剂的作用，如硅藻土、炭黑、硫磺等矿物填料，但由于受提纯技术、材料来源、环保等方面的原因[16]，没有得到大规模推广应用。活化煤矸石是一种工业固体废弃物，由于煤矸石中含有大量的黏土类矿物，煅烧后可产生一定活性，一定程度上会影响着煤矸石与沥青的界面性质及胶浆的宏观性能。在我国，煤矸石资源十分丰富，现有积存煤矸石约1 000Mt，并且每年仍继续排放约100Mt，若能用于高速公路建设和作为公路养护材料，其经济效益相当可观，且节能环保。本文研究活化煤矸石作为填料型改性剂改性沥青的技术可行性，研发了活化煤矸石作为新型沥青改性剂，提出采用活化煤矸石等量替代矿粉，以提高沥青路面使用质量，实现绿色、循环、低碳的公路建设目标。

1原材料

为了使研究成果具有代表性，本文选用了4种的煤矸石，经机械破碎-高温煅烧-机械研磨制成试验用活化煤矸石，表1为活化煤矸石的技术性能检测结果，相比石灰岩矿粉，活化煤矸石的总体粒度小于矿粉，比表面积为矿粉的2倍，活化煤矸石材料中含有Si、Al、S和Ca等多种元素以及有少量过渡性的金属元素如Fe和Mn。SBS改性沥青为壳牌石油公司生产的成品SBS改性沥青，粗集料选用辉绿岩，细集料为机制砂。

表1 4种类型活化煤矸石材料性能检测结果平均值Table1 Fourtypesofactivatedcoalganguematerialpropertiestestresults指标表观密度/(g·cm-3)比表面积/(m2·kg-1)亲水系数SiO2含量/%检测结果2.3432.6570.7840.2(2.654)(1.341)(0.86)(10.1)粒度范围筛孔尺寸/mm0.60.30.150.075通过百分率/%10010094.689.4(100)(95.2)(82.1)(79.1)主要化学组成矿物质Al2O3Fe2O3MnOCaOSO3百分比/%24.1124.650.672.670.45(0.03)(0.05)(0.01)(30.3)(0) 注:()内试验数据为矿粉技术性能检测结果

2活化煤矸石SBS复合改性沥青混合料配

合比设计

沥青胶浆的组成结构决定了沥青混合料的各项性能和材料的黏弹性变，为了进一步发挥胶浆的性能，确定混合料合成级配时降低了1.18-0.075mm筛孔档细集料用量，以增大活化煤矸石沥青胶浆比例，混合料合成级配见表2。按照现行施工规范要求[14-15]，确定最佳沥青用量时根据合成级配的要求逐档添加筛分档的集料，按照矿粉质量百分比采用活化煤矸石等量替代矿粉，成型马歇尔试件时控制矿料加热温度为190 ℃，沥青混合料拌合温度175 ℃，马歇尔试件击实温度165 ℃，通过对标准马歇尔试件物理指标、力学指标的测定，得出马歇尔试验结果见表3所示。

表3结果表明：采用活化煤矸石等量替代矿粉后，复合改性沥青混合料的最佳油石比增大略有增大，这与活化煤矸石比表面积大吸附沥青能力强有关。4种类型的活化煤矸石SBS改性沥青混合料毛体积密度、马歇尔稳定度均大于SBS改性沥青混合料，而矿料间隙率(VMA)、空隙率(VV)、沥青饱和度(VFA)与SBS改性沥青混合料相差不大。

表2 SMA-13混合料级配Table2 SMA-13mixturegradation级配通过以下筛孔尺寸(mm)的质量百分率/%1613.29.54.75级配上限901007534级配下限100905020合成级配10095.666.932.0通过以下筛孔尺寸(mm)的质量百分率/%2.361.180.60.30.150.075262420161312151412109824.220.615.913.411.09.6

表3 活化煤矸石SBS改性沥青混合料马歇尔配合比设计体积参数试验结果Table3 ActivatedcoalgangueSBSmodifiedasphaltmixtureMarshallmixdesigntestresultsvolumetricparameters填料类型OAC/%VV/%VCAmix/%VCADRC/%VMA/%VFA/%MS/kN石灰岩矿粉6.024.0041.742.817.3677.9110.65活化煤矸石I号6.103.8641.742.817.1479.0111.46活化煤矸石II号6.084.0041.742.817.1978.0012.13活化煤矸石III号6.064.0141.742.817.1078.4012.36活化煤矸石IV号6.133.9441.742.817.2278.4712.35规范要求—3～6—VCAmix

3活化煤矸石SBS复合改性沥青混合料路

用性能

3.1高温稳定性

高温稳定性是在高温、反复车轮荷载作用下，沥青混合料抵抗永久变形的能力。由于沥青混合料的抗变形能力很大程度上受环境温度的影响[16]，为针对我国部分地区夏季温度高、高温持续时间长，特增加了70 ℃车辙试验，此外，为得到不同温度下活化煤矸石SBS改性沥青混合料的高温车辙试验对温度的敏感性，特增加了40 ℃车辙试验。按照表3最佳沥青用量试验结果拌合并成型300mm×300mm×50mm的标准车辙板试件，分别在40、 50、 60、 70 ℃的恒温烘箱中保温6h，车辙试验轮压为0.7MPa，试验胶轮行走速度为42±1次/min，试验轮的行走方向与成型车辙板时的碾压方向一致[18]，车辙试验动稳定度的对数与试验温度线性拟合结果见图1。

图1　不同试验温度活化煤矸石SBS改性沥青混合料车辙试验结果Figure 1　Activated coal gangue and SBS modified asphalt mixture rut results with different test temperature

图1拟合结果表明：与SBS改性沥青混合料相比，相同试验温度下活化煤矸石SBS改性沥青混合料的车辙试验稳定度普遍提高，且不同活化煤矸石对SBS改性沥青混合料高温性能的提高程度不同，60 ℃动稳定度提高最大幅度达41%，其中40、50 ℃时活化煤矸石III号动稳定度最大，60、 70 ℃时活化煤矸石IV号动稳定度最大，采用活化煤矸石等量替代矿粉可显著改善SMA混合料的高温稳定性。以车辙试验动稳定度的对数与试验温度之间的线性拟合曲线斜率作为活化煤矸石SBS改性沥青混合料感温性评价标准，4种活化煤矸石SBS改性沥青混合料的拟合曲线斜率均明显小于SBS改性沥青混合料，可见其高温稳定性随温度的变化规律的敏感性弱于SBS改性沥青混合料。分析其主要原因， ①由图2填料细微观结构形貌可知：活化煤矸石的加入改变了SBS改性沥青的胶体结构，使得沥青混合料中沥青的粘度变大，从而提高了混合料的高温稳定性；此外，DCS试验结果(见图3)表明，活化煤矸石中的过渡金属元素阳离子与沥青中的极性官能团发生反应生成配位络合物，活性氧化物Na2O和K2O的存在有利于活化煤矸石与沥青酸和沥青酸酐发生酸碱反应以及火山灰反应，改善了SBS改性沥青的温度敏感性； ②活化煤矸石与沥青共混后，硫化物与沥青的交联反应，在一定温度下，活化煤矸石中硫分解生成活性较大的硫自由基，能够夺取沥青中的氢原子，沥青分子链产生自由基，产生自由基耦合形成交联键，使沥青分子链从二维结构变为三维网状结构，从而改善沥青的抗变形能力和温度敏感性。

(a) 矿粉(b) 活化煤矸石

Figure2MineralpowderandactivatedcoalgangueSEMmicroscopicimage

图3　SBS改性沥青DSC图谱Figure 3　SBS modified asphalt DSC Atlas

3.2低温抗裂性

按照现行施工规范要求以低温小梁弯曲试验评价活化煤矸石SBS复合改性沥青混合料的低温抗裂性。试验时根据JTGE20—2011中的要求成型车辙板，试验温度为-10 ℃，试件尺寸为30mm×35mm×250mm，试验时采用单点加载方式，支点间距为200mm，加载速率为50mm/min，4种不同类型活化煤矸石SBS改性沥青混合料低温抗裂性试验结果见表4所示。

表4 活化煤矸石SBS改性沥青混合料小梁低温弯曲试验结果Table4 ActivatedcoalgangueSBSmodifiedasphaltmixturetrabecularlow-temperaturebendingre-sults填料类型抗弯拉强度/MPa最大弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa石灰岩矿粉11.353236.433401.87活化煤矸石I号12.403775.673284.19活化煤矸石II号12.673904.963244.59活化煤矸石III号12.793867.073307.41活化煤矸石IV号12.364064.323041.10

由图4试验结果可知：相比SBS改性沥青混合料，采用活化煤矸石等量替代矿粉后四种SMA混合料的抗弯拉强度普遍增大8.8%～12.3%，低温弯拉应变指标明显大于SBS改性沥青混合料，尤其掺加活化煤矸石IV号后复合改性沥青混合料低温弯曲指标提高幅度达25.8%，可见采用活化煤矸石与SBS复合改性方案可显著提高沥青混合料的低温抗裂性。分析活化煤矸石对SBS改性沥青混合料的低温抗裂性的影响： ①由图2可知：相比矿粉颗粒，活化煤矸石的比表面积较大，对沥青的吸附能力强，增加了复合改性沥青混合料的沥青膜厚，混合料柔性提高，且活化煤矸石颗粒表面粗糙，有许多凸起的

图4　活化煤矸石与SBS沥青胶浆SEM微观图像

Figure4ActivatedcoalgangueandSBSasphaltmasticSEMmicroscopicimage

粒子，并形成间隙孔隙，具有活性吸附能力的内孔隙结构，有利于沥青分子进入，在外力作用下，活化煤矸石内部的空隙对自由沥青起到缓冲作用，使混合料内部的沥青油膜处于比较稳定的状态； ②扫描电镜图像显示，活化煤矸石颗粒表面存在褶皱和突起，使活化煤矸石表面充分润湿，填料表面构造是影响润湿性的重要因素，填料表面越粗糙，沥青在其表面的润湿效果就越好，活化煤矸石的加入提高了沥青与集料之间粘附性和握裹力，克服了结构沥青和集料颗粒之间的错位与滑移，将颗粒产生的单轴应力转移到其它基体上，同时均匀分散的活化煤矸石在裂尖处起到了锚固和桥接作用，延缓裂缝的产生，约束裂纹的扩展，增加沥青混凝土的整体性。 ③由图4可见：活化煤矸石表面的间隙孔使沥青分子和SBS分子的PE端产生桥接，起到机械嵌固作用，增强SBS沥青胶浆的空间网络结构，充分发挥高分子链“熵弹性”的作用，增加了胶浆低温下的柔韧性和延展性。

3.3水稳定性

现行规范要求采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性。浸水马歇尔试验时成型标准马歇尔试件(正反75次/面)，分成两组，一组放置在60 ℃水浴中保温48h测其稳定度，另外一组放置在60 ℃水浴中保温30min测其稳定度，以两组马歇尔试件稳定度平均值的比值，也就是残留稳定度作为评价指标(试验结果见表5)。冻融劈裂试验采用击实法成型马歇尔试件(正反50次/面)，分成两组，一组放置在25 ℃水浴中保温至少2h测其劈裂强度，另一组先在25 ℃水中0.09MPa真空压力下饱水15min，常压下浸泡30min，之后放入-18±2 ℃的冰箱中冷冻16±1h，再放入60 ℃恒温水浴中保温24h，最后放入25 ℃水浴中浸泡至少2h后测其劈裂强度，以两组试件劈裂强度平均值的比值作为评价指标(试验结果见表5)。

表5试验结果表明：活化煤矸石等量替代矿粉后，SBS改性沥青混合料的浸水前后劈裂强度和马歇尔稳定度均明显增大，冻融劈裂强度比和残留稳定度两个评价指标均高于SBS改性沥青混合料，不同种类活化煤矸石对SBS改性沥青混合料水稳定性的改善程度略有差异，但总体而言，活化煤矸石可改善沥青混合料的水稳定性。活化煤矸石对SBS改性沥青混合料水稳定性的改性机理在于，掺加活化煤矸石后沥青中的极性官能团与过渡性金属元素Fe3+、Ti4+、Mn4+发生络合反应形成配位键，从而改善SBS改性沥青的性质，沥青酸羧基(COOH)中的氢与活化煤矸石中金属阳离子Ca2+、K+等反应，形成不溶于水的高价沥青酸盐，促进了与沥青的结合，提高沥青混合料和水稳定性。

表5 活化煤矸石SBS改性沥青混合料水稳定性试验结果Table5 ActivatedcoalgangueandSBSmodifiedasphaltmixturewaterstabilitytestresults填料类型冻融劈裂试验浸水马歇尔试验MS/kNMS1/kNMSo/%RT1/MPaRT2/MPaTSR/%石灰岩矿粉11.7510.6790.81.2391.06986.3活化煤矸石I号12.2611.3292.31.2791.13188.4活化煤矸石II号12.4311.6593.71.2861.16690.7活化煤矸石III号11.9611.3094.51.2641.15591.4活化煤矸石IV号12.6512.2696.91.2991.22594.3

3.4活化煤矸石SBS改性沥青混合料疲劳性能

通常采用2种研究方法研究沥青混凝土的疲劳破坏规律，即现象学法和力学近似法，现象学法采用疲劳曲线来表征材料的疲劳特性，侧重于研究裂缝形成的机理以及应力、应变与疲劳寿命之间的关系和各种因素对疲劳寿命和疲劳强度的影响，试验操作方便，是目前普遍采用的沥青混凝土疲劳性能行研究方法。本部分试验采用三分点加载小梁疲劳试验研究活化煤矸石SBS改性沥青混合料的抗疲劳性能，小梁试件尺寸为40mm×40mm×350mm，试验温度为15 ℃，加载波形为连续式正弦波，加载频率为10Hz，加载速率为50mm/min，弯曲疲劳试验选用0.2、0.3、0.4、0.5共4个应力比，加载模式为控制应力方式(控制应力的疲劳试验就是在重复加载的疲劳试验过程中，保持应力不变，以试件的疲劳断裂作为疲劳破坏的准则，达到疲劳破坏的荷载作用次数为疲劳寿命)，试验结果如图5所示。

图5　活化煤矸石SBS改性沥青混合料双对数疲劳方程拟合图Figure 5　Activated coal gangue SBS modified asphalt mixture double logarithm fatigue equation fitting

疲劳试验结果表明：活化煤矸石等量替代矿粉后，活化煤矸石与SBS复合改性沥青混合料的疲劳曲线双对数拟合曲线截距K增大，曲线斜率n值减小，K值表明了疲劳曲线的线位高低，K值越大，疲劳曲线的线位越高，材料的抗疲劳性能越好；n值越大，疲劳曲线越陡，表明疲劳寿命对应力水平的变化越敏感，可见活化煤矸石改善了SBS改性沥青混合料的抗疲劳性能，同时降低了混合料疲劳寿命对应力水平的敏感性。此外与SBS改性沥青混凝土相比，活化煤矸石SBS复合改性沥青混合料各应力水平下的疲劳寿命均高于普通SBS改性沥青混合料，疲劳寿命的提高幅度达40%，具有良好的抗疲劳特性。分析煤矸石对SMA混合料疲劳性能的改善机理，煤矸石具有较大的比表面积，与沥青充分接触和融合，能够形成浸润表面，对集料有更强的粘附力，保证了混合料的整体性，这有利于细裂纹的填隙、弥合作用，从而提高沥青混合料的疲劳寿命。

4工程运用

本课题依托甘肃临洮至渭源高速公路路面工程第二合同段，项目起点桩号为K13+110，终点桩号为K23+317，主线全长共10.207km。采用六车道高速公路标准，设计行车速度为100km/h。主线、互通匝道上面层采用4cmSMA-13C，中面层采用6cmAC-20C，下面层采用8cmATB-25，基层采用20cm水泥稳定碎石(水泥掺量5%)，底基层采用16cm厚水泥稳定碎石(水泥掺量4%)。该标段上面层SMA和中面层AC-20路段按照复合改性方法，工程实践证明，采用活化煤矸石等量替代矿粉，铺筑完成后检测压实度、平整度、渗水系数等指标均符合设计要求。通过长达3a的试验路检测，该法有效地减少了沥青路面的早期破坏，目前没有明显的车辙和开裂病害，路面使用状况良好，可见采用活化煤矸石SBS改性沥青混凝土延长了道路的使用寿命，经济、社会效益显著。

5结论

① 通过系统的研究和试验路使用性能检测研究，证明了采用活化煤矸石等量替代矿粉作为沥青混合料的改性剂是可行的，采用活化煤矸石等量替代矿粉，能够提高沥青路面使用质量，具有绿色、循环、低碳等优势。

② 相比普通SMA混合料，活化煤矸石SBS改性沥青混合料具有优良的高温稳定性，60 ℃动稳定度提高最大幅度达36%，活化煤矸石等量替代矿粉后复合改性沥青混合料车辙试验动稳定度随温度的变化规律的敏感性弱于SBS改性沥青混合料。采用活化煤矸石等量替代矿粉后复合改性沥青混合料的抗弯拉强度普遍增大8.8%～12.3%，低温弯拉应变指标明显大于SBS改性沥青混合料，采用活化煤矸石与SBS复合改性方案可显著提高沥青混合料的低温抗裂性。活化煤矸石等量替代矿粉后，SBS改性沥青混合料的浸水前后劈裂强度和马歇尔稳定度均明显增大，冻融劈裂强度比和残留稳定度两个评价指标均高于SBS改性沥青混合料，活化煤矸石可改善SBS改性沥青混合料的水稳定性。活化煤矸石SBS复合改性沥青混合料各应力水平下的疲劳寿命均高于普通SBS改性沥青混合料，疲劳寿命提高幅度达40%，采用活化煤矸石等量替代矿粉技术降低了混合料疲劳寿命对应力水平的敏感性。

③ 活化煤矸石对SBS改性沥青混合料的改性机理在于，络合反应形成配位键，活化煤矸石表面的间隙孔使沥青分子和SBS分子的PE端产生桥接，增强SBS沥青胶浆的空间网络结构，充分发挥高分子链“熵弹性”的作用。

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StudyonActivatedCoalGangueModifiedSMAMixtureRoadPerformanceandModificationMechanism

CHENGWenjing

(ShandongTransportVocationalCollege，Weifang，Shandong261206，China)

[Abstract]Studied The technical feasibility of the activated coal gangue as the filler type asphalt modifier ，activated coal gangue is proposed instead of mineral powder with SBS modifier for modifier，road performance of activated coal gangue and SBS modified asphalt mixture were studied based on rutting，low temperature bending，freeze-thaw splitting and three point loading fatigue test to study the，reveals the modification mechanism of activated coal gangue on SBS modified asphalt mixture.results show that，using the activated coal gangue amount instead of mineral powder，high temperature stability of SBS modified asphalt mixture increase up to 41%，Improve the temperature sensitivity ，the mixture water stability and low temperature crack resistance increased significantly，the activated coal gangue SBS composite modified asphalt mixture fatigue life under different stress level are higher than common SBS modified asphalt mixture，the fatigue life of increase rate of 40%，after laboratory tests and physical engineering provedash equivalent substitute mineral powder was used as modifier of asphalt mixture is feasible.

[Key words]road engineering； activated coal gangue； asphalt mixture； road performance； modification mechanism

[收稿日期]2015-11-13

[作者简介]程文静(1983-)，女，山东潍坊人，工程硕士，讲师，主要从事道路桥梁方面的教学及工作。

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0232-06