不同填料对公路沥青胶浆性能的影响试验研究

黄 敏

(广西长兴工程建设有限公司，广西 南宁 530200)

沥青胶浆在沥青混合料中扮演着非常重要的角色，沥青胶浆的性能直接影响着沥青混合料的高低温性能、水稳定性以及耐疲劳性，因此，研究沥青胶浆的性能具有十分重要的意义[1-2]。

随着社会经济的不断发展，人类的生活水平得到了极大提高，但是也产生了许多环境问题，生活垃圾便是其中之一，大量的生活垃圾不仅会消耗大量土地资源，还会对土壤、水体和大气造成严重污染。当前，处理生活垃圾的方式主要包括填埋法、堆肥法、焚烧法等。填埋法是目前最常用的处理方式，但是会占用大量土地资源，对周围土体和水环境也会产生一定影响，因而填埋处理方式的占比正在逐渐减少[3-4]。相比填埋法和堆肥法，焚烧法可以消除绝大部分细菌及病原体，焚烧过程中的热量也可以用于发电，减少了对于土地资源的耗费，因而在近年来得到广泛应用。垃圾焚烧产生的大量飞灰具有一定的毒性，也会造成环境污染，将飞灰作为沥青路面或者水泥路面的集料替代物便是资源化利用的手段之一，但目前关于垃圾飞灰沥青胶浆性能的研究还不健全，仍需要做进一步的探索[5-6]。

本文将垃圾飞灰应用到沥青胶浆中，并与传统矿粉沥青胶浆的性能进行对比，探讨垃圾焚烧飞灰在沥青混合料中应用的可行性。

1.1 试验原材料

沥青胶浆填料分为垃圾焚烧飞灰和矿粉两种。飞灰主要矿物成分为Ca和Si，占比分别为32.55%和18.5%，同时还含有Ti、Mn、Fe、Ni等多种具备高活性的过渡元素，平均密度为2.283 g/cm3，亲水系数为0.65，比表面积为6.48 m2/g，体积比表面积为14.8 m2/cm3，颗粒粒径多集中在3～4μm；
矿粉主要矿物成分为Ca和Si，占比分别为25.7%和31.65%，平均密度为2.72 g/cm3，亲水系数为0.8，比表面积为1.39 m2/g，体积比表面积为3.78 m2/cm3，颗粒粒径多集中在4～7μm。

沥青为70#基质沥青，软化点为47.2 ℃，25 ℃针入度(100 g，5 s)为7.17 mm，15 ℃延度(5 cm/min)>150 cm，60 ℃动力黏度为211.3 Pa·s，135 ℃动力黏度为0.435 Pa·s。

1.2 试验方案和方法

分别测试垃圾焚烧飞灰和矿粉两种填料在不同掺量(粉胶比分别为0.6、0.8、1.0和1.2)下的性能，主要包括针入度、软化点、延度、旋转黏度、高温流变性能以及低温流变性能。针入度依然采用标准贯入法(25 ℃，100 g，5 s)，软化点采用环球法(5 ℃/min)，延度采用延度仪拉伸法(5 cm/min)，旋转黏度采用布洛克菲尔德黏度计旋转法，高温流变性能采用动态剪切流变仪法，低温流变性能采用弯曲梁流变仪试验法。

1.3 沥青胶浆制备过程

沥青胶浆的制备主要分为以下几个步骤：(1)将飞灰、矿粉在烘干箱中进行烘干处理，然后将基质沥青和填料一起放到160 ℃恒温箱中保温1 h；
(2)每次称取300 g的基质沥青和对应量的填料在160 ℃的环境温度下进行初步搅拌；
(3)采用高速剪切仪以2 000 r/min的速度对沥青胶浆进行高速剪切；
(4)对拌和好的沥青胶浆分别按各性能指标试验方法进行试验。

2.1 三大指标

通过试验得到的软化点、延度和针入度三大指标随粉胶比的变化规律如下页图1所示。由图1可知：随着粉胶比的增大，沥青胶浆的软化点呈线性增大的变化特征，当粉胶比达到1.2后，掺入飞灰的沥青胶浆软化点提升了15.6 ℃，掺入矿粉的沥青胶浆软化点提升了11.3 ℃，说明掺入飞灰对于软化点的提升效果大于矿粉。这是因为飞灰相比矿粉粒度结构分布更加均匀，比表面积更大，孔隙结构更加丰富，能够与基质沥青形成更强的吸附和粘结作用，从而减小或者削弱沥青胶浆在高温下的流动性。随着粉胶比的增大，沥青胶浆的延度逐渐降低，特别是在粉胶比0.6～1.0时，延度有较大幅度降低，相同粉胶比下，掺入飞灰的沥青胶浆相比掺入矿粉的沥青胶浆延度值更小，特别是在低粉胶比(0.6)条件下，飞灰沥青胶浆延度值仅为矿粉沥青胶浆延度的24%，当粉胶比达到1.2后，两者的延度值差别不大，分别为2 cm和5 cm，这说明飞灰相比矿粉会更显著降低沥青胶浆的塑性变形能力。随着粉胶比增大，沥青胶浆的针入度呈线性降低的趋势，且掺入飞灰的沥青胶浆针入度要低于掺入矿粉的沥青胶浆针入度，针入度越小，沥青胶浆的稠度和硬度就越大，可以抵抗更大的剪切变形。

(a)软化点

(b)延度

(c)针入度

2.2 黏度

掺入不同量飞灰或者矿粉沥青胶浆的黏度随温度的变化规律如图2所示。由图2可知：在同一粉胶比下，随着温度的升高，两种沥青胶浆的黏度均呈逐渐减小的变化特征，且前期下降幅度明显大于后期，当温度>150 ℃后，对黏度的影响将变得非常微小；
在相同温度下，随着粉胶比的增大，两种沥青胶浆的黏度均逐渐增大，温度越高，粉胶比对黏度的影响将逐渐减弱，即沥青胶浆的感温性随着温度升高而逐渐降低。这是因为随着温度升高，在沥青介质和填料之间会形成越来越大的物化作用和吸附力，从而削弱了黏度的降低速率；
相同粉胶比和温度下，飞灰沥青胶浆的黏度大于矿粉沥青胶浆的黏度，这也是得益于飞灰具备更大的比表面积和更均匀的粒度结构，使得沥青与填料之间的吸附更加充分，因而黏度更大。

(a)飞灰沥青胶浆

(b)矿粉沥青胶浆

2.3 高温流变性能

不同粉胶比下两种填料沥青胶浆车辙因子随温度的变化曲线如图3所示。由图3可知：相同粉胶比下，两种沥青胶浆的车辙因子均随着温度的升高而逐渐降低，导致沥青胶浆的黏度越小，抵抗变形的能力越弱；
相同温度下，粉胶比越大，车辙因子越大，这是因为粉胶比增大时，沥青胶浆的黏度增大，抵抗变形的能力增强；
相同温度和粉胶比下，飞灰沥青胶浆的车辙因子明显大于矿粉沥青胶浆的车辙因子，这说明飞灰比矿粉更能提升沥青胶浆的高温流变性能。在使用飞灰作为填料时，0.6、0.8、1.0、1.2粉胶比的沥青胶浆车辙因子达到Superpave临界破坏温度分别为76 ℃、82 ℃、82 ℃和88 ℃，当使用矿粉作为填料时，临界破坏温度分别为70 ℃、76 ℃、76 ℃和76 ℃。由此可见，飞灰沥青胶浆相比矿粉沥青胶浆可以提升一个高温PG等级，飞灰可以更有效地提升沥青胶浆的高温稳定性和抵抗变形的能力[7-8]。

(a)飞灰沥青胶浆

(b)矿粉沥青胶浆

2.4 低温流变性能

两种填料沥青胶浆在-6 ℃下的蠕变劲度和蠕变速率变化情况如图4所示。由图4可知：随着粉胶比的增大，沥青胶浆的蠕变劲度逐渐增大，而蠕变速率则逐渐减小。相同粉胶比下，飞灰沥青胶浆的蠕变劲度大于矿粉沥青胶浆，蠕变速率则前者略小于后者；
飞灰填料沥青胶浆的蠕变劲度越大，蠕变速率越小，说明其抗变形能力越弱，路面结构越容易在低温下发生疲劳破坏。因此，飞灰沥青胶浆的低温流变性略差于矿粉沥青胶浆，但总体上不会影响其在冬季低温环境下的正常使用。

(a)蠕变劲度

(b)蠕变速率

本文对飞灰和矿粉两种填料沥青胶浆在不同粉胶比下的性能进行了对比试验研究，得出如下结论：

(1)飞灰沥青胶浆相比矿粉沥青胶浆具有更好的高温性能和抵抗剪切变形的能力。在低粉胶比下，飞灰沥青胶浆延度明显低于矿粉沥青胶浆延度，但在高粉胶比下时，两种填料沥青胶浆的延度基本相等。

(2)由于飞灰具有更好的粒度结构和吸附性能，因而飞灰沥青胶浆的黏度明显高于矿粉沥青胶浆。

(3)同等粉胶比和温度下，飞灰沥青胶浆较矿粉沥青胶浆可提升一个高温PG等级，表明其具备更好的抗车辙变形能力。

(4)相同粉胶比下，飞灰沥青胶浆的低温性能略差于矿粉沥青胶浆。随着粉胶比的增大，低温流变性越差，越容易发生低温疲劳破坏，但总体而言不会影响在冬季低温环境下的正常使用。

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