不同填料對公路瀝青膠漿性能的影響試驗研究

黃 敏

(廣西長興工程建設有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

瀝青膠漿在瀝青混合料中扮演著非常重要的角色，瀝青膠漿的性能直接影響著瀝青混合料的高低溫性能、水穩定性以及耐疲勞性，因此，研究瀝青膠漿的性能具有十分重要的意義[1-2]。

隨著社會經濟的不斷發展，人類的生活水平得到了極大提高，但是也產生了許多環境問題，生活垃圾便是其中之一，大量的生活垃圾不僅會消耗大量土地資源，還會對土壤、水體和大氣造成嚴重污染。當前，處理生活垃圾的方式主要包括填埋法、堆肥法、焚燒法等。填埋法是目前最常用的處理方式，但是會占用大量土地資源，對周圍土體和水環境也會產生一定影響，因而填埋處理方式的占比正在逐漸減少[3-4]。相比填埋法和堆肥法，焚燒法可以消除絕大部分細菌及病原體，焚燒過程中的熱量也可以用于發電，減少了對于土地資源的耗費，因而在近年來得到廣泛應用。垃圾焚燒產生的大量飛灰具有一定的毒性，也會造成環境污染，將飛灰作為瀝青路面或者水泥路面的集料替代物便是資源化利用的手段之一，但目前關于垃圾飛灰瀝青膠漿性能的研究還不健全，仍需要做進一步的探索[5-6]。

本文將垃圾飛灰應用到瀝青膠漿中，并與傳統礦粉瀝青膠漿的性能進行對比，探討垃圾焚燒飛灰在瀝青混合料中應用的可行性。

1 試驗

1.1 試驗原材料

瀝青膠漿填料分為垃圾焚燒飛灰和礦粉兩種。飛灰主要礦物成分為Ca和Si，占比分別為32.55%和18.5%，同時還含有Ti、Mn、Fe、Ni等多種具備高活性的過渡元素，平均密度為2.283 g/cm3，親水系數為0.65，比表面積為6.48 m2/g，體積比表面積為14.8 m2/cm3，顆粒粒徑多集中在3～4μm；礦粉主要礦物成分為Ca和Si，占比分別為25.7%和31.65%，平均密度為2.72 g/cm3，親水系數為0.8，比表面積為1.39 m2/g，體積比表面積為3.78 m2/cm3，顆粒粒徑多集中在4～7μm。

瀝青為70#基質瀝青，軟化點為47.2 ℃，25 ℃針入度(100 g，5 s)為7.17 mm，15 ℃延度(5 cm/min)>150 cm，60 ℃動力黏度為211.3 Pa·s，135 ℃動力黏度為0.435 Pa·s。

1.2 試驗方案和方法

分別測試垃圾焚燒飛灰和礦粉兩種填料在不同摻量(粉膠比分別為0.6、0.8、1.0和1.2)下的性能，主要包括針入度、軟化點、延度、旋轉黏度、高溫流變性能以及低溫流變性能。針入度依然采用標準貫入法(25 ℃，100 g，5 s)，軟化點采用環球法(5 ℃/min)，延度采用延度儀拉伸法(5 cm/min)，旋轉黏度采用布洛克菲爾德黏度計旋轉法，高溫流變性能采用動態剪切流變儀法，低溫流變性能采用彎曲梁流變儀試驗法。

1.3 瀝青膠漿制備過程

瀝青膠漿的制備主要分為以下幾個步驟：(1)將飛灰、礦粉在烘干箱中進行烘干處理，然后將基質瀝青和填料一起放到160 ℃恒溫箱中保溫1 h；(2)每次稱取300 g的基質瀝青和對應量的填料在160 ℃的環境溫度下進行初步攪拌；(3)采用高速剪切儀以2 000 r/min的速度對瀝青膠漿進行高速剪切；(4)對拌和好的瀝青膠漿分別按各性能指標試驗方法進行試驗。

2 試驗結果分析

2.1 三大指標

通過試驗得到的軟化點、延度和針入度三大指標隨粉膠比的變化規律如下頁圖1所示。由圖1可知：隨著粉膠比的增大，瀝青膠漿的軟化點呈線性增大的變化特征，當粉膠比達到1.2后，摻入飛灰的瀝青膠漿軟化點提升了15.6 ℃，摻入礦粉的瀝青膠漿軟化點提升了11.3 ℃，說明摻入飛灰對于軟化點的提升效果大于礦粉。這是因為飛灰相比礦粉粒度結構分布更加均勻，比表面積更大，孔隙結構更加豐富，能夠與基質瀝青形成更強的吸附和粘結作用，從而減小或者削弱瀝青膠漿在高溫下的流動性。隨著粉膠比的增大，瀝青膠漿的延度逐漸降低，特別是在粉膠比0.6～1.0時，延度有較大幅度降低，相同粉膠比下，摻入飛灰的瀝青膠漿相比摻入礦粉的瀝青膠漿延度值更小，特別是在低粉膠比(0.6)條件下，飛灰瀝青膠漿延度值僅為礦粉瀝青膠漿延度的24%，當粉膠比達到1.2后，兩者的延度值差別不大，分別為2 cm和5 cm，這說明飛灰相比礦粉會更顯著降低瀝青膠漿的塑性變形能力。隨著粉膠比增大，瀝青膠漿的針入度呈線性降低的趨勢，且摻入飛灰的瀝青膠漿針入度要低于摻入礦粉的瀝青膠漿針入度，針入度越小，瀝青膠漿的稠度和硬度就越大，可以抵抗更大的剪切變形。

(a)軟化點

(b)延度

(c)針入度

2.2 黏度

摻入不同量飛灰或者礦粉瀝青膠漿的黏度隨溫度的變化規律如圖2所示。由圖2可知：在同一粉膠比下，隨著溫度的升高，兩種瀝青膠漿的黏度均呈逐漸減小的變化特征，且前期下降幅度明顯大于后期，當溫度>150 ℃后，對黏度的影響將變得非常微小；在相同溫度下，隨著粉膠比的增大，兩種瀝青膠漿的黏度均逐漸增大，溫度越高，粉膠比對黏度的影響將逐漸減弱，即瀝青膠漿的感溫性隨著溫度升高而逐漸降低。這是因為隨著溫度升高，在瀝青介質和填料之間會形成越來越大的物化作用和吸附力，從而削弱了黏度的降低速率；相同粉膠比和溫度下，飛灰瀝青膠漿的黏度大于礦粉瀝青膠漿的黏度，這也是得益于飛灰具備更大的比表面積和更均勻的粒度結構，使得瀝青與填料之間的吸附更加充分，因而黏度更大。

(a)飛灰瀝青膠漿

(b)礦粉瀝青膠漿

2.3 高溫流變性能

不同粉膠比下兩種填料瀝青膠漿車轍因子隨溫度的變化曲線如圖3所示。由圖3可知：相同粉膠比下，兩種瀝青膠漿的車轍因子均隨著溫度的升高而逐漸降低，導致瀝青膠漿的黏度越小，抵抗變形的能力越弱；相同溫度下，粉膠比越大，車轍因子越大，這是因為粉膠比增大時，瀝青膠漿的黏度增大，抵抗變形的能力增強；相同溫度和粉膠比下，飛灰瀝青膠漿的車轍因子明顯大于礦粉瀝青膠漿的車轍因子，這說明飛灰比礦粉更能提升瀝青膠漿的高溫流變性能。在使用飛灰作為填料時，0.6、0.8、1.0、1.2粉膠比的瀝青膠漿車轍因子達到Superpave臨界破壞溫度分別為76 ℃、82 ℃、82 ℃和88 ℃，當使用礦粉作為填料時，臨界破壞溫度分別為70 ℃、76 ℃、76 ℃和76 ℃。由此可見，飛灰瀝青膠漿相比礦粉瀝青膠漿可以提升一個高溫PG等級，飛灰可以更有效地提升瀝青膠漿的高溫穩定性和抵抗變形的能力[7-8]。

(a)飛灰瀝青膠漿

(b)礦粉瀝青膠漿

2.4 低溫流變性能

兩種填料瀝青膠漿在-6 ℃下的蠕變勁度和蠕變速率變化情況如圖4所示。由圖4可知：隨著粉膠比的增大，瀝青膠漿的蠕變勁度逐漸增大，而蠕變速率則逐漸減小。相同粉膠比下，飛灰瀝青膠漿的蠕變勁度大于礦粉瀝青膠漿，蠕變速率則前者略小于后者；飛灰填料瀝青膠漿的蠕變勁度越大，蠕變速率越小，說明其抗變形能力越弱，路面結構越容易在低溫下發生疲勞破壞。因此，飛灰瀝青膠漿的低溫流變性略差于礦粉瀝青膠漿，但總體上不會影響其在冬季低溫環境下的正常使用。

(a)蠕變勁度

(b)蠕變速率

3 結語

本文對飛灰和礦粉兩種填料瀝青膠漿在不同粉膠比下的性能進行了對比試驗研究，得出如下結論：

(1)飛灰瀝青膠漿相比礦粉瀝青膠漿具有更好的高溫性能和抵抗剪切變形的能力。在低粉膠比下，飛灰瀝青膠漿延度明顯低于礦粉瀝青膠漿延度，但在高粉膠比下時，兩種填料瀝青膠漿的延度基本相等。

(2)由于飛灰具有更好的粒度結構和吸附性能，因而飛灰瀝青膠漿的黏度明顯高于礦粉瀝青膠漿。

(3)同等粉膠比和溫度下，飛灰瀝青膠漿較礦粉瀝青膠漿可提升一個高溫PG等級，表明其具備更好的抗車轍變形能力。

(4)相同粉膠比下，飛灰瀝青膠漿的低溫性能略差于礦粉瀝青膠漿。隨著粉膠比的增大，低溫流變性越差，越容易發生低溫疲勞破壞，但總體而言不會影響在冬季低溫環境下的正常使用。