掺煤矸石SMA混合料的路用性能分析

谢儒华 郑卜源 李庆钊 何粤红 李雄鑫 谢一帆

摘 要：为了研究掺煤矸石沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）的路用性能，本文选用煤矸石粉（替代率分别为0%、75%、100%，三者均为质量分数）替代石灰石矿粉，通过马歇尔稳定度试验、车辙试验评价其水稳定性及高温稳定性，采用表干法测其表观密度。三组试件测得的试验结果对比分析表明，当煤矸石粉替代率为75%时，材料的水稳定性和高温稳定性都有所提高。因此，煤矸石粉替代石灰石矿粉作为填料是可行的。

关键词：煤矸石SMA混合料;马歇尔稳定度试验;车辙试验;替代率

中图分类号：U414文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）14-0092-03

Abstract： In order to study the road performance of coal gangue stone mastic asphalt （SMA） mixture， this paper selects coal gangue powder （replacement rate of 0%， 75%， 100%， all of which are mass fractions） instead of limestone ore powder， and evaluates its water stability and high temperature stability through Marshall stability test and rutting test， and measures its apparent density by the surface dry method. The comparative analysis of the test results measured by the three sets of test pieces shows that when the coal gangue powder replacement rate is 75%， the water stability and high temperature stability of the material are improved. Therefore， it is feasible to replace limestone ore powder as a filler with coal gangue powder.

Keywords： coal gangue SMA mixture;Marshall stability test;rutting test;replacement rate

近年来，随着交通量和道路轴载的持续快速发展，人们对公路路面材料提出了更高的要求。高速公路建设的主要任务是提供安全、经济、耐久、平整而且能承受预期荷载的公路路面[1]。随着新结构、新材料、新工艺的不断涌现，沥青路面的研究和应用水平达到了更高的层次，其中改性沥青技术的发展最为瞩目，在高等级沥青路面中应用最广泛的是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（Styrenic Block Copolymers，SBS）改性沥青，同时也大幅度增加了沥青路面的建设成本。除SBS改性沥青外，无机微粉填料由于材料来源广泛、易加工、成本低廉等特点也已成为改性沥青研究的一个领域，受到越来越多的关注[2]。常见的无机微粉填料有矿粉、水泥、粉煤灰和火山灰等。

我国是世界产煤大国，而煤矸石粉又是煤炭开采和洗涤过程中产生的废渣，是我国排放量和存放量最大的工业固体废料之一。这种废渣的排放严重占用了我国的国土资源，同时对生态环境造成了极大的破坏。煤矸石粉在沥青路面上的再利用有着非常大的经济效益、社会效益和环境效益，同时，有研究结果表明，煤矸石粉可以作为沥青混合料的填料，且在建筑行业有很好的应用前景[3]。但是，目前，煤矸石的利用力度还不够大，其主要集中在砖瓦烧制、低热值燃料开发、低等级公路路面及路基材料应用等方面，因此其可利用途径还有待开发[4]。

鉴于此，本文探讨了沥青混合料中用煤矸石粉代替石灰石矿粉作为微粉填料的可行性，并评价其性能及指标。这样既可进一步提升煤矸石粉的利用率，又可降低工程造价。

1 试验材料

1.1 沥青

本试验采用SBS（Ⅰ-D）改性沥青，各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的要求，如表1所示[5]。

1.2 集料及矿粉

本次试验采用密级配型集料。集料采用芙蓉石场生产的4.75～9.50 mm辉绿岩、9.50～13.20 mm辉绿岩以及0.50～2.36 mm輝绿岩机制砂，采用惠州博罗益丰石粉厂生产的石灰石矿粉。选用的煤矸石粉产自河南省巩义市。它们均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的要求。其中，集料的密度试验结果如表2所示。

2 配合比

SMA是一种新型的路面结构，不仅强度高，而且耐高温，适应性强，能有效预防路面车辙等早期病害出现[6]。因此，经调查，本文初拟采用SMA13配合比。

在掺入煤矸石粉的条件下，此级配采用的粒径偏大，使得在制作马歇尔试件时常出现沥青沉底现象，即试件一边圆面暴露的集料多，一边圆面全被沥青包裹。因此，研究人员进一步改良了集料的粒径，采用了表3所示的集料粒径。改良后，混合料高温稳定性显著提高，在煤矸石粉作用下，马歇尔试件表面沥青分布均匀，无太多沉底现象。

3 路用性能评价

本文将按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）的试验方法，在室内对三组掺煤矸石粉（替代率分别为0%、75%、100%）SMA沥青混合料的水稳定性、高温稳定性、表观密度（空隙率及吸水率）进行试验分析与评价[7]。

3.1 密度试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中的压实沥青混合料密度试验方法（表干法），试验温度为25 ℃，下面分别对三组掺煤矸石粉SMA沥青混合料的18个试件进行测定，其试验结果如图1、图2所示。

通过对比掺量为0%、75%、100%的三种掺煤矸石SMA沥青混合料，人们可以看出，沥青混合料中煤矸石粉的替代率越高，其吸水性越好，替代率为100%的沥青混合料与替代率为0%的沥青混合料相比，吸水率差异性不大，但掺煤矸石粉后，其空隙率有所下降。

3.2 马歇尔稳定度试验

本试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中的沥青混合料马歇尔稳定度测试方法，采用沥青混合料万能试验机仪器，测定三组沥青混合料的水稳定性。不同替代率的马歇尔试验结果如表4、表5、表6所示。

通过对比分析表4至表6的马歇尔试验结果可知，随着煤矸石粉掺量的增加，其稳定度越来越高，但掺量达到100%时则有所下降。因此，掺入煤矸石粉可提高混合料的水稳定性，但75%煤矸石粉的掺量是否为最佳掺量，还需要结合其他试验以及替代率来验证。

3.3 车辙试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中的试验方法，采用轮碾法制得300 mm×300 mm×50 mm的车辙试件，在常温下养护24 h后，将试件放入60 ℃的恒温烘箱中保温，然后在温度60 ℃、轮压0.7 MPa的条件下进行车辙试验，以45 min以及60 min的动稳定度作为评价指标，三组不同煤矸石粉掺量的沥青混合料的车辙试验结果如图3所示。

从图3可以看出，随着煤矸石粉掺量的增加，沥青混合料的高温稳定性都有显著提高，替代率为75%的煤矸石粉的动稳定度比替代率为75%的100%煤矸石粉的要高。

从路用性能试验结果可以看出，随着煤矸石粉的掺入，沥青混合料的水稳定性有所提高，但替代率为100%的煤矸石粉则有所下降;从车辙试验来看，煤矸石粉的掺入对沥青混合料的高温稳定性都有显著的提高，但100%煤矸石粉的稳定性比75%的煤矸石粉的要低。

4 结语

利用煤矸石粉作为填料替代石灰石矿粉时，沥青混合料的渗水性能相差不大。随着煤矸石粉掺量的增加，沥青混合料的高温稳定性以及水稳定性都有显著的提高。综合分析来看，煤矸石粉的掺入能提高混合料的路用性能。研究表明，替代率为75%的煤矸石粉的路用性能比其他两组的都要好，后续还应结合沥青混合料的劈裂试验、低温稳定性试验、弯曲试验对替代率做进一步的试验研究。各试验表明，掺煤矸石的SMA混合料能起到废物再利用的作用，即煤矸石粉替代石灰石礦粉作为填料是可行的。

参考文献：

[1]熊锐，刘子铭，杨晓凯，等.煤矸石粉/水镁石纤维改性沥青混合料路用性能[J].筑路机械与施工机械化，2017（2）：71-75.

[2]许超，康鑫.煤矸石危害及其综合利用[J].环境科技，2010（1）：102-104.

[3]赵梦龙，冯新军，唐雄，等.煤矸石粉填料在沥青混凝土中的应用[J].中外公路，2017（6）：251-257.

[4]赵鹏，冯雷，刘盖，等.煤液化残渣在道路沥青混凝土中的应用研究[J].筑路机械与施工机械化，2016（2）：61-64.

[5]交通部.公路沥青路面施工技术规范：JTG F40—2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[6]张周刚，崔亮，单海燕，等.宝天高速公路SMA-13配合比设计[J].山西交通科技，2011（4）：1-4.

[7]交通运输部.公路工程沥青及沥青混合料试验规程：JTJ E20—2011[S].北京：人民交通出版社，2011.