煤矸石粉對微表處路用和層間耐久性能影響

摘 要：為探究煤矸石粉在微表處技術中應用的可行性，選取不同煤矸石粉替代微表處混合料的填料，室內成型要求的組合試件采用漢堡車轍試驗、四輪加速磨耗試驗和剪切疲勞試驗等長期性能測試方法，研究含有不同填料的微表處混合料路用性能和層間性能，并分析不同因素對微表處長期性能的影響差異性。結果表明，煤矸石粉以替代礦粉的形式添加于微表處中，可改善微表處的高溫性能、水穩性能、耐磨耗性能、長期抗滑性能和層間黏結性能，其中，高溫活化煤矸石粉的改善效果較好，煤矸石粉替代量對微表處不同性能影響高于礦粉類型，但煤矸石粉替代水泥則有損微表處的路用性能和層間性能。微表處長期性能的改善效果與煤矸石粉替代礦粉的質量密切相關，煤矸石粉替代率越高，則微表處的長期性能越好；礦粉全部替代為煤矸石粉、活化煤矸石粉，微表處的高溫性能、水穩性能、耐磨耗性能、長期抗滑性能和層間剪切疲勞壽命分別提高約26.8%和36.4%、33.5%和40.0%、33.4%和45.1%、4.7%和6.8%、9.5%和10.4%。研究成果為煤矸石在瀝青路面養護技術中應用提供參考。

關鍵詞：預防性養護； 微表處； 煤矸石粉； 耐久性； 層間性能

中圖分類號：U416 文獻標識碼：A DOI：10.7525/j.issn.1006-8023.2024.04.021

Effect of Coal Gangue Powder on Micro-sufacing Road Durability and Interlayer Durability

JIA Yue1， ZHAO Xingchen2， LUO Yaofei2*

（1.School of Highway， Henan College of Transportation， Zhengzhou 451460， China；2.School of Civil Engineering and Enviornment， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450015， China）

Abstract： To explore the feasibility of coal gangue powder applied in micro-surfacing， the coal gangue powder and activated coal gangue powder were selected to replace the filler of micro-surfacing mixture， and the different combination specimen was formed. The Hamburg wheel tracking test， accelerated wear test and shear fatigue test were used to analyze the road performance and interlayer property of micro-surfacing mixture with different fillers， and the significant influence of different factors on long-term performance of micro-surfacing was analyzed. The results showed that the high temperature performance， moisture susceptibility， abrasion resistance， long-term skid resistance of micro-surfacing were improved when the coal gangue powder was selected to replace the mineral powder， and the improvement effect of high temperature activated coal gangue powder was better， and the substitution amount of coal gangau powder had a higher impact on the different properties of micro-surfacing than the coal gangue powder. But the road performance and interlayer property of micro-surfacing were damaged due to the cement was replaced by the coal gangue powder. The long-term performance of micro-surfacing was closely related to the dosage of coal gangue powder， the dosage of coal gangue powder was greater， the long-term performance of micro-surfacing was better. The mineral powder was replaced completely by the coal gangue powder， the high temperature performance， moisture susceptibility， abrasion resistance， long-term skid resistance and shear fatigue life of micro-surfacing were improved by about 26.8% and 36.4%， 33.5% and 40.0%， 33.4% and 45.1%， 4.7% and 6.8%， 9.5% and 10.4%， respectively. The research results will provide reference basis for coal gangue applied in asphalt pavement maintenance technology.

Keywords： Preventative maintenance； micro-surfacing； coal gangue powder； durability； interlayer property

0 引言

公路路面養護是延長路面壽命、提高路面服務能力的重要措施，路面養護需投入大量的材料和能源消耗，這勢必會對生態環境產生一定的擾動；選用低碳環保的養護技術，是公路養護行業落實綠色低碳理念的重要舉措。微表處技術不僅具有防水、修復車轍、抗滑性能卓越和開放交通快等特點，還能夠在常溫下拌和與鋪筑。煤矸石是煤炭開采和洗選過程中排放的固體廢棄物，由于我國煤矸石資源化利用率不足，導致煤矸石累計堆放量已超過 70億t；煤矸石產生量約為煤炭產量的10%～15%，近10年來我國煤矸石產生量每年維持在7億t左右［1］，因此擴展煤矸石的利用途徑對減少其環境污染問題具有重要意義。煤矸石又是可利用的資源，質地堅硬、組分含有較高的SiO2、Al2O3和Fe2O3等，具備潛在的火山灰活性，可作為建筑材料，如水泥原料、混凝土骨料和輔助膠凝材料等［2］。根據煤矸石材料與微表處技術的特點，開展二者相結合的嘗試性研究，是解決微表處所需天然礦料供應不足、降低水泥生產二氧化碳排放量大以及提高煤矸石利用率的有效途徑，但目前關于該方面的研究尚有待深入。

煤矸石能夠替代瀝青混合料中不同規格礦料，Wang等［3］研究指出，煤矸石粉和水泥用作乳化瀝青膠漿填料，可顯著改善膠漿的高溫性能，且改善效果與粉膠比呈指數形式增加。Liu等［4］研究發現，選取1～3 mm規格的煤矸石用于乳化瀝青混合料中，能夠提高乳化瀝青混合料的水穩性能和馬歇爾穩定度，在該混合料中煤矸石水化產物和瀝青共同承擔膠結和強度作用。Amir等［5］研究發現，乳化瀝青冷再生瀝青混合料中添加煤矸石粉、活化煤矸石粉，可改善其穩定度、間接拉伸強度和回彈模量等，且活化煤矸石粉還能夠顯著改善混合料的抗水損害性能，煤矸石粉在混合料的應用不會導致浸出液中重金屬含量超標。上述研究證實了煤矸石應用于冷拌瀝青混合料中的可行性，但目前煤矸石多用于熱拌瀝青混合料中，且主要應用形式為替代礦粉。煤矸石粉和高溫活化煤矸石粉替代礦粉用于熱拌瀝青混合料中，能夠改善瀝青混合料的高溫性能、水穩性能、疲勞性能和力學性能，其中高溫活化煤矸石粉的改善效果較好，然而煤矸石粉的應用則有損瀝青混合料的低溫性能［6-9］。此外，普通微表處應對自然環境和車輛荷載的能力欠佳，導致應用效果并不好，研究者采用水性環氧樹脂、纖維、橡膠粉、SBS改性乳化瀝青、天然瀝青或調整礦料級配、水泥用量及集料巖性等以改善微表處的不同性能［10-14］。但以上研究中較少關注填料改變對微表處性能的影響，且多數研究中采用的是短期性能測試，忽略微表處耐久性能的考慮。

基于此，本研究嘗試開展煤矸石粉應用于微表處中的可行性研究，探析煤矸石粉替代填料對微表處路用和層間耐久性能的影響。選取煤矸石粉和高溫活化煤矸石粉替代微表處中的礦粉和水泥，采用漢堡車轍試驗、四輪加速磨耗試驗和剪切疲勞試驗研究煤矸石粉添加對微表處耐久性能的影響規律，并優化煤矸石粉合理的替代方式和替代率，解決煤矸石與微表處相結合的技術難點問題。研究成果可為煤矸石在瀝青路面預防性養護技術中應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗用材料

微表處所用結合料為SBR改性乳化瀝青，改性劑摻量為3.5%，技術性能見表1。粗細集料選用玄武巖石料，礦粉由石灰巖石料磨細得到，技術指標達到規范要求；礦料級配選用MS-3型，具體如圖1所示。水泥選用42.5號普通硅酸鹽水泥，外加水為可飲用水。根據《微表處和稀漿封層技術指南》中推薦 的配合比設計方法，確定出普通微表處混合料中不 同組成材料的配比，具體為礦料∶SBR改性乳化瀝 青∶水泥∶水=100∶11∶2∶6.5。

煤矸石選自河南省平頂山市某礦區，并將其置于105 ℃烘箱中烘干至恒重，通過研磨、過篩工藝后得到煤矸石粉。取部分煤矸石粉置于750 ℃高溫環境中充分煅燒，冷卻后再次篩分從而制得活化煤矸石粉。煤矸石粉、礦粉和水泥的主要化學組成及物理性能見表2和表3。煤矸石粉替代填料方案見表4，填料替代采用等質量法，并保持混合料中乳化瀝青和外加水的質量不變。

1.2 測試方法

《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTGE 20—2011）中提供的微表處性能評價方法主要是關于其短期性能，且部分試驗方法為經驗性方法，人為因素影響較大。結合相關研究成果，并基于微表處長期性能的考慮，選取以下試驗方法評價微表處混合料的路用和層間耐久性能。

1.2.1 漢堡車轍試驗

漢堡車轍試驗系統中荷載作用次數最高可設置為20 000次，有效考慮了車輛荷載對路面材料的長期作用，并提供空氣浴和水浴試驗模式，使其能夠評價瀝青混合料的高溫性能和水穩性能。測試試件采用組合試件，由水泥板和微表處混合料層構成，成型方法如圖2所示，微表處層養生后的厚度為25 mm。不同微表處混合料開展漢堡車轍試驗的條件見表5，考慮到微表處層厚度、混合料中最大粒徑集料尺寸及文獻［15］研究成果等情況，設定試驗結束判別條件之一為最大車轍深度12.5 mm；車轍深度變化率計算方法為最終車轍深度/（最終碾壓次數×103次）［16］。

1.2.2 加速磨耗試驗

微表處攤鋪于路面最表層，應具有較好的耐磨性和抗滑耐久性。參照文獻［17］研究成果，采用四輪加速磨耗試驗評價微表處混合料的耐磨耗性和抗滑耐久性，裝置中試件由4塊車轍板構成，經加載輪磨耗后每塊車轍板表面形成四分之一圓環軌跡。組合試件成型方法如圖3所示。加速磨耗試驗在常溫環境25 ℃條件下進行，加載輪荷載為1.4 MPa，試件表面保持干燥狀態。不同性能評價指標為微表處混合料的質量損失率和摩擦擺值，加速磨耗試驗每進行3 000次暫停1次，取出測定試件質量和摩擦擺值，其中質量損失率計算方法為

F=（（M_a-M_k）×A）/（（M_a-M_0）×a）×100%。 （1）

式中：F為微表處混合料的質量損失率，%；Ma為磨耗前鋪筑了微表處的車轍板試件質量，g；Mk為磨耗k次后鋪筑了微表處混合料的車轍板試件的質量，g；M0為鋪筑微表處混合料前車轍板試件的質量，g；A為微表處試件的面積，900 cm2；a為微表處試件實際磨耗面積，約為205 cm2。

1.2.3 剪切疲勞試驗

微表處與原路面之間黏結性能的優劣影響層間滑移現象發生的概率，界面黏結性能的下降會造成推移、擁包等病害。考慮到斜剪試驗可同時施加水平力和豎向力作用，模擬狀態更接近實際情況；且層間病害的產生往往是車輛荷載重復作用導致，因此采用剪切疲勞試驗評價微表處與原路面之間的黏結性能。測試試件成型方法如圖4所示。斜剪試驗裝置中壓塊和支撐塊的凹陷部位角度采用 25°34′，模擬的情況是車輛緊急制動，水平力系數取值0.5［18］，如圖5所示。試驗溫度為60 ℃，測試分兩部分進行，1）獲得層間最大破壞荷載，采用萬能試驗機對圖5裝置進行加載，加載速度為2 mm/min，以獲得層間剪切破壞時對應的最大荷載；2）獲得剪切疲勞壽命，取最大破壞荷載的0.5倍作為剪切疲勞試驗的重復加載作用力，荷載加載方式為半正弦矢波，頻率選擇10 Hz，層間破壞時所對應的加載次數即為剪切疲勞壽命；疲勞壽命次數越大，則對應的層間黏結性能越好。

2 試驗結果分析

2.1 煤矸石粉對微表處高溫性能和水穩性能的影響

圖6和表6為不同微表處混合料的漢堡車轍試驗結果，由圖6和表1看出，1）煤矸石粉替代微表處中的礦粉，可改善微表處混合料的高溫性能和水穩性能，不同方案的性能由優到劣為：8%活化煤矸石粉、8%煤矸石粉、4%礦粉、4%活化煤矸石粉、4%礦粉、4%煤矸石粉、8%礦粉，相對于普通微表處混合料，以上不同方案的微表處高溫性能提高約36.4%、26.8%、19.3%和8.4%，水穩性能提高約40.0%、35.5%、27.8%和18.4%，煤矸石替代量對微表處高溫性能和水穩性能的影響高于煤矸石粉類型，原因一方面為煤矸石經物理活化后能夠激發組分的活性，且組分中含有較多的SiO2和Al2O3等活性成分，可在堿性環境下發生二次水化反應，增加了混合料中膠凝物質的含量和強度，另一方面為煤矸石粉的比表面積大于礦粉，其與瀝青的接觸面積較大，可充分吸收瀝青中輕質組分，提高瀝青與礦料的黏結性能和交互作用能力，有效限制礦料顆粒的錯位和滑移；2）煤矸石粉替代微表處中的水泥成分，則損害微表處混合料的抗車轍性能和水穩性能，煤矸石粉和活化煤矸石粉替代部分水泥，微表處混合料的抗車轍性能和水穩性能分別降低約13.7%和22.3%、9.3%和13.0%，這是因為水泥含量的降低導致水化硅酸鈣、氫氧化鈣等水化產物量減小，且形成的堿性環境不足以支撐SiO2、Al2O3等活性成分繼續發生二次水化反應，造成部分煤矸石粉僅起到填充的作用；3）活化煤矸石粉應用于微表處中，其抗車轍性能和水穩性能均優于煤矸石粉，說明高溫煅燒處理不僅持續增加了煤矸石粉的活性和比表面積，還使煤矸石粉產生了更豐富的孔隙結構，促使活化煤矸石粉與瀝青之間的表面潤濕作用和界面吸附作用更強。

2.2 基于加速磨耗試驗的不同微表處耐久性能評價

不同階段微表處混合料質量損失率和摩擦擺值結果如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8得知，1）微表處中的填料替換為煤矸石粉后，微表處混合料的耐磨耗性和長期抗滑性能均得到不同程度的改善，原因為煤矸石粉具有較大的比表面積、含有更多的活性成分和粗糙的表面結構，增強了其與瀝青的交互能力，提高礦料與結合料之間的黏結性能，從而使礦料及礦料表面的瀝青膜不易被車輪磨耗掉，不同微表處混合料的性能由優到劣為：8%活化煤矸石粉、8%煤矸石粉、4%礦粉+4%活化煤矸石粉、4%礦粉+4%煤矸石粉、 8%礦粉，煤矸石粉和活化煤矸石粉替代全部礦粉后，微表處混合料的質量損失率分別降低約33.4%和45.1%，摩擦擺值分別提高約4.7%和6.8%； 2）部分水泥替代為煤矸石粉后，微表處混合料的耐磨耗性和長期抗滑性能下降，微表處混合料的質量損失率分別增大約17.7%和12.7%，摩擦擺值分別下降約2.4%和1.3%，這是因為水泥在微表處混合料不僅解決了乳化瀝青憎水的矛盾，還通過水化作用提高了膠結料含量和黏結性能，但煤矸石粉的活性和物理性能不及水泥，導致微表處混合料的強度形成較慢且不牢固，從而加劇了微表處磨耗性能和抗滑性能的衰減速度；同時摻有活化煤矸石粉的微表處耐磨耗性和長期抗滑性能優于煤矸石粉，原因為機械破碎和高溫煅燒工藝耦合顯著提高了煤矸石粉的活性和表面粗糙度，且高溫煅燒也能降低煤矸石粉中的雜質含量，活化煤矸石粉通過系列的物理和化學反應有效增加了膠結料的黏度及礦料-膠結料界面性能。

2.3 基于剪切疲勞試驗的微表處層間黏結性能研究

不同微表處與路面層間剪切疲勞試驗結果如圖9所示。由圖9得出，1）煤矸石粉替代不同質量的礦粉后，微表處與路面的層間剪切疲勞壽命均有所改善，但改善效果相對較小，相比普通微表處混合料，含有8%活化煤矸石粉、8%煤矸石粉、4%礦粉+4%活化煤矸石粉、4%礦粉+4%煤矸石粉的微表處與路面層間剪切疲勞壽命分別增加約10.4%、9.5%、8.1%和5.6%，煤矸石替代量對層間剪切疲勞壽命的影響高于煤矸石粉類型，原因為滲到微表處和路面層間界面的膠結料液體含量相對較少，其對二者層間黏結性能的改善作用有效，微表處混合料中膠結料性能的提高主要用于強化礦料與礦料之間的黏結，膠結料黏度越大則越不容易發生流淌，活化煤矸石粉對微表處與路面層間黏結性能的改善效果優于煤矸石粉，這是因為活化煤矸石粉的比表面積、活性成分含量及表面粗糙度等高于煤矸石粉，活化煤矸石粉通過吸收輕質組分、二次水化反應和增加接觸面積等作用，可提高膠結料的黏結性能，高黏度的膠結料一旦滲入層間界面處將有助于改善微表處與路面層間的黏結性能；2）水泥替代為煤矸石粉和活化煤矸石粉后，微表處與路面的層間剪切疲勞壽命分別下降約15.8%和14.2%，微表處與路面之間的黏結性能明顯降低，這是因為水泥含量的降低，導致水泥水化所需的水分也減少，在外加水量不變的情況下，微表處混合料中的自由水含量較多，造成混合料的稠度變小，不僅影響微表處混合料的強度形成進程，還會造成大量的液體滯留在微表處與路面之間的界面處，損害二者之間的黏結性能。

3 結論

1）煤矸石粉替代微表處混合料的礦粉，可有助于改善微表處混合料的高溫性能、水穩性能、耐磨耗性能和長期抗滑性能，同時微表處與路面層間的黏結性能也得到提升，其中高溫活化煤矸石粉的增強效果較優，煤矸石粉替代量對微表處不同性能的影響大于煤矸石粉類型。

2）微表處混合料路用性能和層間性能的改善效果與煤矸石粉替代礦粉的質量密切相關，煤矸石粉替代率越高、則微表處路用性能和層間性能的改善效果越好，礦粉填料可全部替代為煤矸石粉。

3）水泥替代為煤矸石粉后，微表處混合料的高溫性能、水穩性能、耐磨耗性能和長期抗滑性能均受到損害，分別下降約13.7%～22.3%、9.3%～13.0%、12.7%～17.7%和1.3%～2.4%，微表處與路面之間的層間黏結性能明顯下降。

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