飛灰替代礦粉對瀝青膠漿性能的影響

吳書君, 唐軍, 吳艷玲

1.菏澤交通投資發展集團有限公司，山東 菏澤 274000; 2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031;3.山東交通學院 交通土建工程學院，山東 濟南 250357

0 引言

因土地資源日趨緊張，焚燒法逐步取代衛生填埋法成為城市生活垃圾的主要處理方式。垃圾焚燒處理過程中產生大量飛灰，飛灰富集高浸出毒性的重金屬及二噁英等有害物質，屬于危險廢物[1-4]。瀝青具有優良的黏結性、不透水性和化學穩定性，飛灰的粒徑、形貌及組成與礦粉極為相似，若能替代部分礦粉制備瀝青混凝土，利用瀝青對飛灰進行包裹，減少礦粉等天然建材的使用量，固化有害物質，在道路工程中對飛灰進行無害化、資源化處理[5-6]具有重要意義。

Kürsat等[7]研究飛灰對瀝青混凝土開裂的自愈效果，發現摻入飛灰有利于提高瀝青混凝土的自愈性。李菁若等[8]發現將水洗后的飛灰摻入瀝青混合料中可提升瀝青的抗拉強度。譚巍等[9]發現將飛灰摻入瀝青混合料后可改善瀝青的高溫性能，降低重金屬的滲出率，大幅降低水穩性。陳毅國[10]提出適量飛灰替代礦粉制備的瀝青混合料的各項指標均能滿足設計要求。

瀝青混合料中的膠漿具有填充和膠結作用[11]。Tri等[12]采用飛灰替代水泥制備瀝青砂漿，發現瀝青砂漿的早期無側限抗壓強度較低，但28 d后無側限抗壓強度迅速提高，可滿足使用要求。為提高飛灰材料使用的安全性，Sawada等[13]發現在瀝青混合料中摻入飛灰并添加適量硫粉和高純度氫氧化鈉有助于固化飛灰中的有害物質。劉富堯[14]、李菁若等[15]研究添加劑對飛灰瀝青中固化重金屬的影響，發現在瀝青混合料中硫化鈉的質量分數為3%時固化效果最好。減少重金屬浸出率，提高安全性，符合綠色公路的發展理念。

但研究中較少涉及粉膠質量比、添加劑對瀝青混合料各項指標的綜合影響。本文采用瀝青、飛灰和礦粉為原材料制備瀝青膠漿，通過動態剪切試驗、低溫彎曲梁試驗及疲勞試驗，研究粉膠質量比、飛灰替代礦粉的質量比及添加劑對瀝青膠漿抗疲勞性能、高低溫流變性能的影響，以期為瀝青混合料的設計提供可靠的理論依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗采用70#A級道路石油基質瀝青、石灰巖礦粉和飛灰，物理指標如表1～3所示。添加劑為化學藥品升華硫粉和高純度氫氧化鈉。

表1 基質瀝青的物理指標

表2 石灰巖礦粉的物理指標

表3 飛灰的物理指標

1.2 飛灰瀝青膠漿制備工藝

將基質瀝青、礦粉和飛灰分別預熱至135 ℃左右，粉膠質量比分別為0、0.6、0.8和1.0，將飛灰分別按礦粉原有質量的0、25%、50%、75%、100%替代礦粉加入基質瀝青，采用攪拌機對瀝青混合料進行低、高速攪拌備用。當飛灰完全替代礦粉時，添加硫和氫氧化鈉，添加劑與飛灰的質量比為7%，其他參數保持不變。

2 結果與討論

根據文獻[17]的要求測試瀝青膠漿的復數模量、蠕變勁度與蠕變速率等指標。

2.1 飛灰瀝青膠漿的性能

粉膠質量比為0.8時，飛灰替代礦粉的質量比不同對瀝青膠漿的針入度、延度和軟化點有不同影響，如表4所示。

表4 飛灰替代礦粉的質量比不同對瀝青膠漿性能的影響

由表4可知：粉膠質量比為0.8時，隨飛灰替代礦粉的質量比提高，瀝青膠漿的針入度和延度降低，但軟化點升高。在飛灰替代礦粉的質量比由0增至25%時，瀝青膠漿的常規性能指標變化明顯。

不同溫度下，飛灰替代礦粉的質量比對瀝青膠漿60 ℃動力黏度的影響如圖1所示。

圖1 不同溫度下飛灰替代礦粉的質量比對瀝青膠漿黏度的影響

由圖1可知：飛灰替代礦粉的質量比為25%時可顯著改善瀝青膠漿的高溫性，原因是飛灰的親水系數較低，比表面積和孔隙率較大，飛灰與瀝青結合后瀝青混合料的吸附與粘結作用更強，瀝青膠漿在高溫下流動變慢，高溫性能得以改善。

2.2 高溫流變性能

2.2.1 粉膠質量比對瀝青膠漿車轍因子的影響

根據文獻[18]，對瀝青膠漿進行動態剪切流變(dynamic shear rheological，DSR)試驗，測試飛灰替代礦粉的質量比不同時，粉膠質量比對瀝青膠漿車轍因子(復合剪切模量與相位角之比)的影響，結果如圖2所示。

圖2 飛灰替代礦粉的質量比不同時粉膠質量比對瀝青膠漿車轍因子的影響

由圖2可知：瀝青膠漿的車轍因子隨粉膠質量比的增大而增大，原因是瀝青中的輕質組分被飛灰和礦粉吸收，瀝青黏度增大，可改善瀝青膠漿的高溫流變性能。當粉膠質量比超過一定范圍時，飛灰、礦粉與瀝青間原有的相互作用發生了改變：隨粉膠質量比的增大，車轍因子未呈線性增加；飛灰替代礦粉的質量比越大，車轍因子增幅越大，表明粉膠質量比對摻入飛灰的瀝青膠漿的高溫性能影響較大。隨粉膠質量比的增大，荷載頻率較高時瀝青膠漿的車轍因子大于荷載頻率較低時，原因是荷載頻率較低時，瀝青混合料中存在較多的黏性成份。

2.2.2 飛灰替代礦粉的質量比對瀝青膠漿車轍因子的影響

粉膠質量比不同時飛灰替代礦粉的質量比對瀝青膠漿車轍因子的影響如圖3所示。

a)粉膠質量比0.6 b)粉膠質量比0.8 c) 粉膠質量比1.0

由圖3可知：同一粉膠質量比下，瀝青膠漿的車轍因子隨飛灰替代礦粉質量比的增加而逐漸增加。原因是飛灰具有較大比表面積和較好親水性，可吸收大量的自由瀝青，瀝青與飛灰相互作用，二者間的黏附性增大[19-20]。荷載頻率較低時，車轍因子隨飛灰替代礦粉的質量比增大而增大，但增大的幅度小于荷載頻率較高的情況，原因是荷載頻率較低時，瀝青更多表現為黏性力學行為，飛灰替代礦粉的質量比變化對瀝青高溫性能的影響變小。

粉膠質量比和荷載頻率相同時，隨飛灰替代礦粉的質量比增大，瀝青的車轍因子增大；粉膠質量比和飛灰替代礦粉的質量比相同時，隨荷載頻率的增大，瀝青的車轍因子增大；飛灰替代礦粉的質量比和荷載頻率相同時，粉膠質量比為0.8的瀝青車轍因子比粉膠質量比為0.6的顯著增大。適量的飛灰代替礦粉可改善瀝青膠漿的高溫特性。

2.3 低溫流變性能

粉膠質量比不同時，通過試驗測試不同溫度下瀝青膠漿的蠕變勁度S和蠕變速率v，如圖4所示。

a)S b)v

由圖4可知：溫度和粉膠質量比相同時，分別以飛灰和礦粉作為填料的2種瀝青膠漿的S總體變化趨勢相同，表明2種瀝青膠漿具有相似的低溫抗裂性。溫度和填料相同時，S隨粉膠質量比增大而增大，v隨粉膠質量比增大而減小，表明瀝青在低溫狀態下變硬變脆。因此，粉膠質量比過高不利于瀝青膠漿在低溫時的性能表現。

2.4 飛灰替代礦粉的質量比及粉膠質量比對飛灰瀝青膠漿流變性能的影響

增加粉膠質量比或等質量飛灰替代礦粉均可提升瀝青膠漿的高溫特性，但增大粉膠質量比對瀝青膠漿的低溫抗裂性產生不利影響。粉膠質量比和飛灰替代礦粉的質量比不同時，測試低溫下瀝青膠漿的S和車轍因子的變化，結果如表5所示。

表5 低溫下粉膠質量比及飛灰替代礦粉的質量比對瀝青膠漿S和車轍因子的影響

由表5可知：粉膠質量比為0.6、0.8時，瀝青膠漿不同溫度下的S和不同荷載頻率下的車轍因子均隨飛灰替代礦粉的質量比的增大而增大，車轍因子小幅增大；粉膠質量比為1.0時，瀝青膠漿的車轍因子減小；相同溫度下，與礦粉瀝青膠漿(粉膠質量比為1.0)相比，飛灰礦粉瀝青膠漿的S減小，車轍因子略增大，說明用適量的飛灰替代礦粉摻入瀝青混合料中，瀝青膠漿的低溫性能提高。因此，道路工程中進行飛灰新材料的配合比設計時，用適量的飛灰取代部分礦粉，可保證粉膠質量比較低時瀝青膠漿的高溫性能較好，且不損害瀝青膠漿的低溫性能。

2.5 飛灰瀝青膠漿的低溫抗疲勞性能

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。瀝青膠漿在瀝青混合料中起填充和黏附作用，礦物集料無側限抗壓強度遠大于瀝青膠漿，重復交通荷載作用下膠漿易先發生斷裂破壞[21]。可采用疲勞因子評價瀝青混合料的抗疲勞性能，疲勞因子為瀝青膠漿復合剪切模量與相位角的乘積，常用于表征瀝青混合料在受載過程中的能量損失[22-23]。一般在膠漿的復數模量衰減至初始模量的1/2時認為材料發生疲勞破壞，可發現膠漿的疲勞破壞結果同瀝青混合料有較好的相關性[24-25]。以臨界溫度和臨界加載次數作為評價瀝青膠漿抗疲勞性能的指標，測試粉膠質量比為0.8時，飛灰替代礦粉質量比不同時瀝青膠漿的疲勞因子隨溫度的變化曲線，及復數模量隨加載次數的變化曲線，試驗結果如圖5、6所示。

由圖5可知：粉膠質量比為0.8時，飛灰替代礦粉的質量比增大，瀝青膠漿的疲勞因子均隨溫度升高而減小。同一溫度下，隨飛灰替代礦粉的質量比增加，瀝青膠漿的疲勞因子逐漸增大，溫度越高，瀝青膠漿的疲勞因子越接近。飛灰替代礦粉的質量比分別為0、25%、50%、75%、100%時，瀝青膠漿的疲勞因子達到5 MPa的臨界溫度分別為21.8、23.4、24.4、25.0、26.4 ℃，臨界溫度呈上升趨勢。臨界溫度升高，表明瀝青膠漿受疲勞損傷、發生疲勞破壞的溫度范圍擴大。

圖5 飛灰替代礦粉的質量比不同時瀝青膠漿的疲勞因子隨溫度的變化曲線 圖6 飛灰替代礦粉的質量比不同時瀝青膠漿的復數模量加載次數的變化曲線

由圖6可知：粉膠質量比為0.8時，在相同溫度和固定重復應變情況下，飛灰替代礦粉質量比不同的瀝青膠漿的復數模量隨加載次數的增加而減小，但減小速度差別較大。飛灰替代礦粉的質量比分別為0、25%、50%、75%、100%時，瀝青膠漿的復數模量降到初始模量1/2的臨界加載次數分別為4.15萬次、2.13萬次、1.50萬次、0.83萬次、0.23萬次，表明摻入飛灰導致瀝青膠漿的抗疲勞性能大幅降低。原因是摻入飛灰使膠漿填料的總比表面積顯著增大，礦物顆粒間的自由瀝青急劇減少，膠漿變硬變脆，彈性恢復能力變差，更易發生損傷。

2.6 添加劑對瀝青膠漿流變性能的影響

2.6.1 高溫流變性能

添加劑為硫和氫氧化鈉時，不同粉膠質量比的瀝青膠漿的車轍因子與荷載頻率的關系曲線如圖7所示。

圖7 摻添加劑硫和氫氧化鈉不同粉膠質量比下頻率與車轍因子的關系曲線

由圖7可知：當粉膠質量比分別為0.6、0.8和1.0時，與沒有添加劑相比，摻入添加劑的瀝青膠漿的車轍因子分別降低40%、23%、5%，表明摻入添加劑后，飛灰瀝青膠漿的高溫抗車轍性能降低。

2.6.2 低溫流變性能

粉膠質量比為0.8時，不同添加劑下瀝青膠漿在不同溫度下的S和v如表6所示。

表6 添加劑不同的瀝青膠漿的S和v

由表6可知：與未摻入添加劑的瀝青膠漿相比，不同溫度下摻入添加劑硫和氫氧化鈉的飛灰瀝青膠漿的S下降，v基本不變。試驗溫度分別為-6、-12 ℃時，3種瀝青膠漿的S降幅明顯；試驗溫度為-18 ℃時，3種瀝青膠漿的S幾乎相同，表明低溫時填料類型及添加劑對瀝青膠漿的性能影響較小。

3 結論

1)采用瀝青、石灰巖礦粉和飛灰制備瀝青膠漿，可降低瀝青膠漿的延度及針入度，提高其軟化點。

2)增加粉膠質量比可提高飛灰瀝青膠漿的高溫穩定性，降低其低溫抗裂性。粉膠質量比較小時，飛灰替代部分礦粉可提高瀝青膠漿在低溫狀態下的柔韌性。飛灰替代礦粉質量比越大，瀝青膠漿越易發生疲勞損傷，即抗疲勞性能越差。因此，飛灰替換礦粉的質量比不宜過大。

3)加入適當的添加劑(硫和氫氧化鈉)可提升瀝青膠漿的低溫抗裂性能，但其高溫穩定性有所下降。