粉煤灰掺量对沥青胶浆及混合料高温性能的影响研究

李江华 李运高 苏宏庆

摘要：文章基于粉煤灰表面的形貌及元素组成，将粉煤灰以质量比分别为0、35%、70%、100%替代矿粉加入到沥青胶浆和沥青混合料中，采用车辙因子评价沥青胶浆的高温性能，并通过马歇尔实验和车辙实验分别分析不同粉煤灰掺量下沥青混合料的高温性能。结果表明，将粉煤灰作为填料加入到沥青胶浆和沥青混合料中，均能改善其高温性能。

关键词：粉煤灰;车辙因子;沥青胶浆;马歇尔模数;动稳定度

0 引言

每年我国燃煤量约占全球的50%，粉煤灰作为燃煤的产物，每年积累的粉煤灰不仅占用大量的土地，而且粉煤灰中的有害物质会对土壤、水源等产生严重的污染[1-2]。在水环境中，粉煤灰能够与碱发生化学反应，生成具有胶凝作用的材料而被广泛应用于水泥混凝土中。此外，粉煤灰由于质轻、比表面积大、具有孔隙而被用于沥青混合料中的填料，解决了粉煤灰堆放、资源浪费和环境污染等问题[3]。

周松涛等[4]对以粉煤灰为填料的沥青混合料路用性能进行评价，结果表明，路用性能均能满足规范的要求。张宝龙等[5]通过对粉煤灰进行表面改性，将其加入到沥青混合料中进行路用性能评价，研究结果再一次证明了粉煤灰可以作为填料加入到沥青混合料中。

我国道路路面的主要形式为沥青路面，高温车辙病害是沥青路面早期破坏的一种主要形式，而提高沥青混合料高温性能对延长沥青路面的使用寿命具有重要意义。但是，目前国内外在粉煤灰掺量对沥青胶浆和沥青混合料高温性能的影响方面研究较少。

本研究将粉煤灰按照质量比分别为0、35%、70%、100%替代矿粉，通过动态剪切流变仪（DSR），以车辙因子评价沥青胶浆的高温性能，并通过马歇尔实验和车辙实验分别分析不同粉煤灰掺量下的稳定度、流值和动稳定度，评价沥青混合料的高温性能。

1 原材料基本性能

1.1 沥青

本研究采用的沥青为70#基质沥青。沥青的主要技术指标见表1。

1.2 集料及填料

本研究采用的集料为石灰岩碎石，采用的填料有两种，一种是石灰岩矿粉，一种是粉煤灰。两种填料的主要技术指标和化学组成及含量见表2和表3。

2 粉煤灰沥青胶浆高温性能研究

2.1 粉煤灰沥青胶浆的制备

本研究中采用粉胶比为1.2，粉煤灰替代矿粉的质量分别为0、35%、70%、100%，制备沥青胶浆。具体步骤是：将基质沥青缓慢加热至流动状态（温度135 ℃），以1 500 r/min剪切速度搅拌沥青5 min，然后将填料分三次加入到沥青中，待填料完全加入后，调节剪切速度至3 500 r/min，继续搅拌20 min，制成沥青胶浆试样。

2.2 DSR试验

采用DSR对沥青胶浆进行60 ℃下扫描试验，选择夹具直径为25 mm，间距为1 mm，加载速度为10 rad/s。

2.3 测试结果分析

由图1可知，随着粉煤灰掺量的增加，车辙因子不断增大，即掺加了粉煤灰的沥青胶浆的高温性能优于矿粉沥青胶浆。对比矿粉和35%粉煤灰掺量的沥青胶浆可知，随着部分矿粉被粉煤灰替代，抗车辙因子显著增加，增长率为34.1%，沥青胶浆的高温性能明显提高;继续增加粉煤灰的掺量，抗车辙因子增长较慢，这主要是矿粉和粉煤灰表面形貌、化学组成差异导致的。矿粉表面较为光滑，与沥青的界面浸润程度小，使得沥青不能完全在矿粉表面形成一层包覆层;粉煤灰颗粒表面粗糙，整体较疏松，与沥青的界面浸润效果好，丰富的孔隙使得沥青中的油分更易于渗入到粉煤灰中形成胶联锚固作用。此外，粉煤灰中的金属阳离子易与沥青中的高分子羧基酸发生化学反应形成强度较高的化学键[6]。

3 粉煤灰沥青混合料高温性能研究

3.1 沥青混合料配合比设计

按照马歇尔配合比设计方法进行沥青混合料配合比设计，研究中采用的级配为AC-13型，级配曲线见图2，确定该级配类型条件下最佳油石比为4.7%。

从图3中可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，沥青混合料的马歇尔稳定度先增加后减小，当粉煤灰的掺量为70%时，沥青混合料的马歇尔稳定度最大;当粉煤灰完全替代矿粉时，沥青混合料的马歇尔稳定度又开始下降，但是仍然高于矿粉沥青混合料。随着粉煤灰掺量不断增加，粉煤灰既作为填料，又发挥滾珠作用，增加沥青的流动性，改变沥青与集料之间的相对位移，改变沥青混合料的稳定度。

由图4可知，随着粉煤灰掺量的增加，沥青混合料的流值先减小后增加，当粉煤灰掺量为35%时，沥青混合料的流值最小。主要原因是：粉煤灰的密度小于矿粉，研究中采用等质量方式替代矿粉将增加填料的体积，减小沥青混合料的空隙。此外，粉煤灰与沥青之间较好的粘结性使得流值减小，但是随着粉煤灰掺量的增加，粉煤灰的滚珠作用增大沥青-集料间的位移，增大了沥青混合料的流值。

由图5可知，随着粉煤灰掺量的增加，沥青混合料的马歇尔模数先增加后减小，沥青混合料的抗变形能力先增加后减小。当粉煤灰的掺量为35%时，马歇尔模数达到最大值，沥青混合料的抗变形能力最大，高温性能最好。因此，通过马歇尔模数评价沥青混合料的高温性能宜采用的粉煤灰掺量为35%。

3.3 车辙实验

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011），按照3.1设计的沥青混合料成型300 mm×300 mm×50 mm车辙试件，并在60 ℃环境中以0.7 MPa的应力进行试验，读取45 min和60 min的车辙变形数据，并根据式（2）进行计算。

从图6可知，随着粉煤灰掺量的增加，沥青混合料的动稳定度增加，沥青混合料的高温稳定性变好，与采用马歇尔模数的评价方法存在一定差异。分析产生该现象的原因，主要是沥青混合料的高温性能受其骨架结构影响较大，沥青混合料强度的形成主要依靠集料之间的嵌挤力。两种评价方法中，采用马歇尔模数评价，一方面实验过程中需要浸水，另一方面马歇尔模数受稳定度和流值两个测试指标的影响。而采用车辙实验进行评价就更加简洁直观。两种评价方法的不同也是造成高温性能结果不一致的原因。

4 结语

将粉煤灰按照矿粉质量的0、35%、70%、100%替代矿粉，对沥青胶浆、沥青混合料的高温性能进行评价，可以得出以下结论：

（1）通过对不同粉煤灰掺量的沥青胶浆的车辙因子进行分析，可以得出粉煤灰对提高沥青胶浆的高温性能具有积极的促进作用。

（2）通过对沥青混合料的马歇尔稳定度和流值进行测试、计算与分析，用马歇尔模数评价沥青混合料的高温性能，采用粉煤灰掺量为35%的沥青混合料的高温性能最好。

（3）采用车辙实验评价沥青混合料的高温性能，可以看出粉煤灰掺量越多，沥青混合料的高温性能越好。

参考文献：

[1]吴金荣，李 飞，宋风宁.粉煤灰/聚酯纤维沥青混合料马歇尔试验研究[J].硅酸盐通报，2020，283（4）：347-354.

[2]交通运输部.交通运输节能环保“十三五”发展规划[J].节能与环保，2016.

[3]牛力达.粉煤灰复合改性沥青胶浆路用性能的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

[4]周松涛，闫 风.粉煤灰代替矿粉拌制沥青混合料的试验研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2007，26（Z1）：50-52.

[5]张宝龙，吴 平，闫新勇.表面修饰粉煤灰对沥青路用性能的影响[J].长安大学学报（自然科学版），2018，38（3）：34-51.

[6]吴 平.粉煤灰热再生沥青胶浆微观作用机理及其混合料性能研究[D].西安：长安大学，2017.