飞灰替代矿粉对沥青胶浆性能的影响

吴书君, 唐军, 吴艳玲

1.菏泽交通投资发展集团有限公司，山东 菏泽 274000; 2.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031;3.山东交通学院 交通土建工程学院，山东 济南 250357

0 引言

因土地资源日趋紧张，焚烧法逐步取代卫生填埋法成为城市生活垃圾的主要处理方式。垃圾焚烧处理过程中产生大量飞灰，飞灰富集高浸出毒性的重金属及二噁英等有害物质，属于危险废物[1-4]。沥青具有优良的黏结性、不透水性和化学稳定性，飞灰的粒径、形貌及组成与矿粉极为相似，若能替代部分矿粉制备沥青混凝土，利用沥青对飞灰进行包裹，减少矿粉等天然建材的使用量，固化有害物质，在道路工程中对飞灰进行无害化、资源化处理[5-6]具有重要意义。

Kürsat等[7]研究飞灰对沥青混凝土开裂的自愈效果，发现掺入飞灰有利于提高沥青混凝土的自愈性。李菁若等[8]发现将水洗后的飞灰掺入沥青混合料中可提升沥青的抗拉强度。谭巍等[9]发现将飞灰掺入沥青混合料后可改善沥青的高温性能，降低重金属的渗出率，大幅降低水稳性。陈毅国[10]提出适量飞灰替代矿粉制备的沥青混合料的各项指标均能满足设计要求。

沥青混合料中的胶浆具有填充和胶结作用[11]。Tri等[12]采用飞灰替代水泥制备沥青砂浆，发现沥青砂浆的早期无侧限抗压强度较低，但28 d后无侧限抗压强度迅速提高，可满足使用要求。为提高飞灰材料使用的安全性，Sawada等[13]发现在沥青混合料中掺入飞灰并添加适量硫粉和高纯度氢氧化钠有助于固化飞灰中的有害物质。刘富尧[14]、李菁若等[15]研究添加剂对飞灰沥青中固化重金属的影响，发现在沥青混合料中硫化钠的质量分数为3%时固化效果最好。减少重金属浸出率，提高安全性，符合绿色公路的发展理念。

但研究中较少涉及粉胶质量比、添加剂对沥青混合料各项指标的综合影响。本文采用沥青、飞灰和矿粉为原材料制备沥青胶浆，通过动态剪切试验、低温弯曲梁试验及疲劳试验，研究粉胶质量比、飞灰替代矿粉的质量比及添加剂对沥青胶浆抗疲劳性能、高低温流变性能的影响，以期为沥青混合料的设计提供可靠的理论依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验采用70#A级道路石油基质沥青、石灰岩矿粉和飞灰，物理指标如表1～3所示。添加剂为化学药品升华硫粉和高纯度氢氧化钠。

表1 基质沥青的物理指标

表2 石灰岩矿粉的物理指标

表3 飞灰的物理指标

1.2 飞灰沥青胶浆制备工艺

将基质沥青、矿粉和飞灰分别预热至135 ℃左右，粉胶质量比分别为0、0.6、0.8和1.0，将飞灰分别按矿粉原有质量的0、25%、50%、75%、100%替代矿粉加入基质沥青，采用搅拌机对沥青混合料进行低、高速搅拌备用。当飞灰完全替代矿粉时，添加硫和氢氧化钠，添加剂与飞灰的质量比为7%，其他参数保持不变。

2 结果与讨论

根据文献[17]的要求测试沥青胶浆的复数模量、蠕变劲度与蠕变速率等指标。

2.1 飞灰沥青胶浆的性能

粉胶质量比为0.8时，飞灰替代矿粉的质量比不同对沥青胶浆的针入度、延度和软化点有不同影响，如表4所示。

表4 飞灰替代矿粉的质量比不同对沥青胶浆性能的影响

由表4可知：粉胶质量比为0.8时，随飞灰替代矿粉的质量比提高，沥青胶浆的针入度和延度降低，但软化点升高。在飞灰替代矿粉的质量比由0增至25%时，沥青胶浆的常规性能指标变化明显。

不同温度下，飞灰替代矿粉的质量比对沥青胶浆60 ℃动力黏度的影响如图1所示。

图1 不同温度下飞灰替代矿粉的质量比对沥青胶浆黏度的影响

由图1可知：飞灰替代矿粉的质量比为25%时可显著改善沥青胶浆的高温性，原因是飞灰的亲水系数较低，比表面积和孔隙率较大，飞灰与沥青结合后沥青混合料的吸附与粘结作用更强，沥青胶浆在高温下流动变慢，高温性能得以改善。

2.2 高温流变性能

2.2.1 粉胶质量比对沥青胶浆车辙因子的影响

根据文献[18]，对沥青胶浆进行动态剪切流变(dynamic shear rheological，DSR)试验，测试飞灰替代矿粉的质量比不同时，粉胶质量比对沥青胶浆车辙因子(复合剪切模量与相位角之比)的影响，结果如图2所示。

图2 飞灰替代矿粉的质量比不同时粉胶质量比对沥青胶浆车辙因子的影响

由图2可知：沥青胶浆的车辙因子随粉胶质量比的增大而增大，原因是沥青中的轻质组分被飞灰和矿粉吸收，沥青黏度增大，可改善沥青胶浆的高温流变性能。当粉胶质量比超过一定范围时，飞灰、矿粉与沥青间原有的相互作用发生了改变：随粉胶质量比的增大，车辙因子未呈线性增加；飞灰替代矿粉的质量比越大，车辙因子增幅越大，表明粉胶质量比对掺入飞灰的沥青胶浆的高温性能影响较大。随粉胶质量比的增大，荷载频率较高时沥青胶浆的车辙因子大于荷载频率较低时，原因是荷载频率较低时，沥青混合料中存在较多的黏性成份。

2.2.2 飞灰替代矿粉的质量比对沥青胶浆车辙因子的影响

粉胶质量比不同时飞灰替代矿粉的质量比对沥青胶浆车辙因子的影响如图3所示。

a)粉胶质量比0.6 b)粉胶质量比0.8 c) 粉胶质量比1.0

由图3可知：同一粉胶质量比下，沥青胶浆的车辙因子随飞灰替代矿粉质量比的增加而逐渐增加。原因是飞灰具有较大比表面积和较好亲水性，可吸收大量的自由沥青，沥青与飞灰相互作用，二者间的黏附性增大[19-20]。荷载频率较低时，车辙因子随飞灰替代矿粉的质量比增大而增大，但增大的幅度小于荷载频率较高的情况，原因是荷载频率较低时，沥青更多表现为黏性力学行为，飞灰替代矿粉的质量比变化对沥青高温性能的影响变小。

粉胶质量比和荷载频率相同时，随飞灰替代矿粉的质量比增大，沥青的车辙因子增大；粉胶质量比和飞灰替代矿粉的质量比相同时，随荷载频率的增大，沥青的车辙因子增大；飞灰替代矿粉的质量比和荷载频率相同时，粉胶质量比为0.8的沥青车辙因子比粉胶质量比为0.6的显著增大。适量的飞灰代替矿粉可改善沥青胶浆的高温特性。

2.3 低温流变性能

粉胶质量比不同时，通过试验测试不同温度下沥青胶浆的蠕变劲度S和蠕变速率v，如图4所示。

a)S b)v

由图4可知：温度和粉胶质量比相同时，分别以飞灰和矿粉作为填料的2种沥青胶浆的S总体变化趋势相同，表明2种沥青胶浆具有相似的低温抗裂性。温度和填料相同时，S随粉胶质量比增大而增大，v随粉胶质量比增大而减小，表明沥青在低温状态下变硬变脆。因此，粉胶质量比过高不利于沥青胶浆在低温时的性能表现。

2.4 飞灰替代矿粉的质量比及粉胶质量比对飞灰沥青胶浆流变性能的影响

增加粉胶质量比或等质量飞灰替代矿粉均可提升沥青胶浆的高温特性，但增大粉胶质量比对沥青胶浆的低温抗裂性产生不利影响。粉胶质量比和飞灰替代矿粉的质量比不同时，测试低温下沥青胶浆的S和车辙因子的变化，结果如表5所示。

表5 低温下粉胶质量比及飞灰替代矿粉的质量比对沥青胶浆S和车辙因子的影响

由表5可知：粉胶质量比为0.6、0.8时，沥青胶浆不同温度下的S和不同荷载频率下的车辙因子均随飞灰替代矿粉的质量比的增大而增大，车辙因子小幅增大；粉胶质量比为1.0时，沥青胶浆的车辙因子减小；相同温度下，与矿粉沥青胶浆(粉胶质量比为1.0)相比，飞灰矿粉沥青胶浆的S减小，车辙因子略增大，说明用适量的飞灰替代矿粉掺入沥青混合料中，沥青胶浆的低温性能提高。因此，道路工程中进行飞灰新材料的配合比设计时，用适量的飞灰取代部分矿粉，可保证粉胶质量比较低时沥青胶浆的高温性能较好，且不损害沥青胶浆的低温性能。

2.5 飞灰沥青胶浆的低温抗疲劳性能

温度较低时，沥青路面在重复交通荷载作用下易发生疲劳破坏。沥青胶浆在沥青混合料中起填充和黏附作用，矿物集料无侧限抗压强度远大于沥青胶浆，重复交通荷载作用下胶浆易先发生断裂破坏[21]。可采用疲劳因子评价沥青混合料的抗疲劳性能，疲劳因子为沥青胶浆复合剪切模量与相位角的乘积，常用于表征沥青混合料在受载过程中的能量损失[22-23]。一般在胶浆的复数模量衰减至初始模量的1/2时认为材料发生疲劳破坏，可发现胶浆的疲劳破坏结果同沥青混合料有较好的相关性[24-25]。以临界温度和临界加载次数作为评价沥青胶浆抗疲劳性能的指标，测试粉胶质量比为0.8时，飞灰替代矿粉质量比不同时沥青胶浆的疲劳因子随温度的变化曲线，及复数模量随加载次数的变化曲线，试验结果如图5、6所示。

由图5可知：粉胶质量比为0.8时，飞灰替代矿粉的质量比增大，沥青胶浆的疲劳因子均随温度升高而减小。同一温度下，随飞灰替代矿粉的质量比增加，沥青胶浆的疲劳因子逐渐增大，温度越高，沥青胶浆的疲劳因子越接近。飞灰替代矿粉的质量比分别为0、25%、50%、75%、100%时，沥青胶浆的疲劳因子达到5 MPa的临界温度分别为21.8、23.4、24.4、25.0、26.4 ℃，临界温度呈上升趋势。临界温度升高，表明沥青胶浆受疲劳损伤、发生疲劳破坏的温度范围扩大。

图5 飞灰替代矿粉的质量比不同时沥青胶浆的疲劳因子随温度的变化曲线 图6 飞灰替代矿粉的质量比不同时沥青胶浆的复数模量加载次数的变化曲线

由图6可知：粉胶质量比为0.8时，在相同温度和固定重复应变情况下，飞灰替代矿粉质量比不同的沥青胶浆的复数模量随加载次数的增加而减小，但减小速度差别较大。飞灰替代矿粉的质量比分别为0、25%、50%、75%、100%时，沥青胶浆的复数模量降到初始模量1/2的临界加载次数分别为4.15万次、2.13万次、1.50万次、0.83万次、0.23万次，表明掺入飞灰导致沥青胶浆的抗疲劳性能大幅降低。原因是掺入飞灰使胶浆填料的总比表面积显著增大，矿物颗粒间的自由沥青急剧减少，胶浆变硬变脆，弹性恢复能力变差，更易发生损伤。

2.6 添加剂对沥青胶浆流变性能的影响

2.6.1 高温流变性能

添加剂为硫和氢氧化钠时，不同粉胶质量比的沥青胶浆的车辙因子与荷载频率的关系曲线如图7所示。

图7 掺添加剂硫和氢氧化钠不同粉胶质量比下频率与车辙因子的关系曲线

由图7可知：当粉胶质量比分别为0.6、0.8和1.0时，与没有添加剂相比，掺入添加剂的沥青胶浆的车辙因子分别降低40%、23%、5%，表明掺入添加剂后，飞灰沥青胶浆的高温抗车辙性能降低。

2.6.2 低温流变性能

粉胶质量比为0.8时，不同添加剂下沥青胶浆在不同温度下的S和v如表6所示。

表6 添加剂不同的沥青胶浆的S和v

由表6可知：与未掺入添加剂的沥青胶浆相比，不同温度下掺入添加剂硫和氢氧化钠的飞灰沥青胶浆的S下降，v基本不变。试验温度分别为-6、-12 ℃时，3种沥青胶浆的S降幅明显；试验温度为-18 ℃时，3种沥青胶浆的S几乎相同，表明低温时填料类型及添加剂对沥青胶浆的性能影响较小。

3 结论

1)采用沥青、石灰岩矿粉和飞灰制备沥青胶浆，可降低沥青胶浆的延度及针入度，提高其软化点。

2)增加粉胶质量比可提高飞灰沥青胶浆的高温稳定性，降低其低温抗裂性。粉胶质量比较小时，飞灰替代部分矿粉可提高沥青胶浆在低温状态下的柔韧性。飞灰替代矿粉质量比越大，沥青胶浆越易发生疲劳损伤，即抗疲劳性能越差。因此，飞灰替换矿粉的质量比不宜过大。

3)加入适当的添加剂(硫和氢氧化钠)可提升沥青胶浆的低温抗裂性能，但其高温稳定性有所下降。