吳金榮，李 飛，宋風寧，崔善成

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，淮南 232001;2.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，淮南 232001)

0 引 言

瀝青路面具有振動小、表面平整、行車舒適、噪聲低等優(yōu)點，在國內(nèi)外道路工程上得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]，在美國高等級公路中，90%以上都是瀝青路面，而我國已建成的高速公路中瀝青路面達到95%以上[5-7]。瀝青混合料的填料一般是由中強基性巖石的憎水性石料磨細而得，如石灰、水泥、硅藻土粉等。在煤的使用過程中，積累了大量的粉煤灰，不僅占用土地資源，粉煤灰中的有毒有害物質(zhì)也會隨著雨水滲入周圍土地中，對地下水資源造成污染，如能將粉煤灰合理利用到瀝青混合料中，不僅可以節(jié)省礦粉，也可以達到將粉煤灰“變廢為寶”的目的。張寶龍等[8]發(fā)現(xiàn)經(jīng)表面修飾技術(shù)改性后的粉煤灰可有效地提高瀝青混凝土的路用性能，為粉煤灰“變廢為寶”再利用提供了試驗數(shù)據(jù)依據(jù)。焦寶祥等[9]對摻加粉煤灰的瀝青混合料進行研究，發(fā)現(xiàn)粉煤灰的摻入可以提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，并且瀝青混合料的飽和度、空隙率與加礦粉的瀝青混合料相同。吳平[10]、王海峰[11]、陳凱[12]等通過粉煤灰特性對瀝青混合料高低溫性能的研究，表明影響混合料路用性能的主要因素是粉煤灰的多孔結(jié)構(gòu)以及比表面積。周松濤等[13]將粉煤灰作為填料用于拌制瀝青混合料，采用馬歇爾試驗方法進行室內(nèi)試驗，試驗結(jié)果表明：粉煤灰代替礦粉作填料的瀝青混合料各項技術(shù)指標均能滿足規(guī)范[14]要求。

此外，為了提升瀝青混合料的路用性能，可以在瀝青混合料中添加一些纖維，常見的纖維有聚酯纖維、玄武巖纖維以及木質(zhì)纖維[15]等。沙莎[16]研究了聚酯纖維對瀝青混合料的高溫性能影響，發(fā)現(xiàn)混合料的高溫性能提高約30%；通過四點彎曲疲勞性能試驗，發(fā)現(xiàn)聚酯纖維瀝青混合料的疲勞壽命提高了150%。國內(nèi)外學(xué)者[17-22]對聚酯纖維、玄武巖纖維和木質(zhì)纖維進行了瀝青混合料的路用性能研究，發(fā)現(xiàn)三種纖維都可以提高瀝青混合料的力學(xué)性能，但就實際工程及生產(chǎn)成本而言，聚酯纖維更適于工程應(yīng)用。聚酯纖維是合成纖維，具有良好的分散性，抗拉強度高，能與瀝青混合料很好地融合而被廣大學(xué)者應(yīng)用于瀝青混合料中。因此試驗所用的纖維為聚酯纖維。以往研究只針對單一摻量對瀝青混合料的高溫性能影響，而對粉煤灰和聚酯纖維共同作用下瀝青混合料的高溫性能及其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)研究較少。

本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，開展了粉煤灰與聚酯纖維共同作用下瀝青混合料的高溫性能研究，通過馬歇爾試驗和掃描電鏡(SEM)試驗，分析不同粉煤灰和聚酯纖維摻量下瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、流值和馬歇爾模數(shù)的變化規(guī)律及其作用機理，為粉煤灰和聚酯纖維在道路工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 材 料

1.1.1 瀝青

試驗使用瀝青為70#重交石油瀝青，基本性能如表1所示。

表1 瀝青的基本性能Table 1 Basic properties of asphalt

1.1.2 集料及填料

瀝青混合料中的礦料可按粒徑大小分為粗骨料、細骨料和填料，試驗所用粗、細骨料均為淮南產(chǎn)石灰?guī)r碎石、石屑等，填料采用河北靈壽縣產(chǎn)石灰?guī)rS95級礦粉，粉煤灰采用淮南平圩電廠生產(chǎn)的粉煤灰，礦粉及粉煤灰的化學(xué)組成如表2所示，各項物理指標如表3所示，其各項指標滿足規(guī)范用料要求。測試粉煤灰的pH值，發(fā)現(xiàn)其偏堿性。而堿性填料與瀝青具有更好的粘結(jié)力，可以提高瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度[11-12]。

表2 礦粉與粉煤灰的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of mineral powder and fly ash /%

表3 礦粉與粉煤灰的物理指標Table 3 Physical indicators of mineral powder and fly ash

1.1.3 聚酯纖維

試驗采用的聚酯纖維長度為(12±2) mm，各項指標參數(shù)如表4所示。

表4 聚酯纖維指標Table 4 Indicators of polyester fiber

圖1 礦料級配圖Fig.1 Aggregate gradation map

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 礦料級配

本次試驗采用的級配為AC-13型，根據(jù)規(guī)范要求，采用級配上下限的中值作為目標試驗級配，級配組成如圖1所示。

1.2.2 最佳油石比

根據(jù)JTG E20—2011[23]馬歇爾試驗方法制備瀝青混合料試件，每組四個平行試件。并由馬歇爾穩(wěn)定度、流值和毛體積相對密度確定瀝青最佳油石比為5.4%。但由于纖維的摻量增加，最佳油石比也會相應(yīng)的增加[24]，試驗中最佳油石比與聚酯纖維摻量的關(guān)系如表5所示。

表5 聚酯纖維摻量與油石比關(guān)系Table 5 Relationship between polyester fiber content and optimum oil-stone ratio /%

1.2.3 馬歇爾穩(wěn)定度試驗

馬歇爾穩(wěn)定度表征了瀝青混合料抗擠壓和抗車轍能力，流值則反映了瀝青混合料在未開裂情況下抵抗逐步沉降和變形能力。以此評價粉煤灰/聚酯纖維瀝青混合料的高溫性能。本文采用JTG E20—2011[23]馬歇爾穩(wěn)定度試驗方法測定瀝青混合料試件的馬歇爾穩(wěn)定度、流值。并由公式(1)計算馬歇爾模數(shù)T。試驗溫度為60 ℃，加載速率為(50±5) mm/min。

(1)

式中,T為馬歇爾模數(shù)，kN/mm；MS為馬歇爾穩(wěn)定度，kN；FL為流值，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 馬歇爾穩(wěn)定度分析

根據(jù)試驗結(jié)果繪制粉煤灰摻量、聚酯纖維摻量與馬歇爾穩(wěn)定度的關(guān)系圖如圖2、圖3所示。

圖2 馬歇爾穩(wěn)定度與粉煤灰摻量關(guān)系Fig.2 Relation between Marshall stability and flyash content

圖3 馬歇爾穩(wěn)定度與聚酯纖維摻量關(guān)系Fig.3 Relation between Marshall stability and polyesterfiber content

從圖2可以看出，不同粉煤灰摻量下的瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度均符合重載交通條件下穩(wěn)定度不小于8 kN的要求，且穩(wěn)定度隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當粉煤灰摻量在0%～80%時，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度上升。由于粉煤灰有比礦粉密度小、顆粒細的特點[25]，在同等質(zhì)量摻量下具有比礦粉更大的體積，可以填充更多的縫隙，使瀝青混合料試件更加密實。其次粉煤灰在一定程度上增加了瀝青膠漿的粘結(jié)力，從而增加瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度。當粉煤灰摻量在80%時，試件穩(wěn)定度達到最大值，只有聚酯纖維摻量為0.5%時，瀝青混合料穩(wěn)定度最大值出現(xiàn)在粉煤灰摻量為60%而不是80%。這是由于0.5%的聚酯纖維在瀝青混合料中分布不均勻，粉煤灰又是一種中空微珠結(jié)構(gòu)，在瀝青中具有一定的流動性，聚酯纖維和粉煤灰耦合作用下使瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度提前達到最大值。在聚酯纖維摻量為0%、0.3%、0.4%、0.5%時，不同粉煤灰摻量下的瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度最大值分別為9.59 kN、10.11 kN、10.87 kN、9.86 kN，比不摻粉煤灰的瀝青混合料的穩(wěn)定度分別提升了12.16%、8.48%、11.15%、8.71%。在粉煤灰摻量大于80%時，其穩(wěn)定度不增反減，說明不宜使用粉煤灰完全的來代替礦粉，粉煤灰的最佳摻量值應(yīng)不大于80%。

從圖3可以觀察到，相同粉煤灰摻量下瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度隨著聚酯纖維摻量的改變呈先上升后下降的趨勢。在聚酯纖維摻量為0%～0.4%時，馬歇爾穩(wěn)定度上升。少量的聚酯纖維可以在瀝青混合料中均勻分散，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，緊緊地裹住集料，增加集料之間的摩擦力。其次，聚酯纖維在混合料中具有加筋的作用，試件在受力變形時聚酯纖維可以抵抗一部分荷載，使馬歇爾穩(wěn)定度逐漸增大。在聚酯纖維摻量為0.4%時，不同粉煤灰摻量下的穩(wěn)定度均達到最大值。在粉煤灰摻量分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%時，各聚酯纖維摻量下瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度的最大值分別為9.78 kN、9.97 kN、10.31 kN、10.63 kN、10.87 kN、10.04 kN，比不摻聚酯纖維瀝青混合料的穩(wěn)定度分別提升了14.39%、11.15%、11.82%、11.54%、13.35%、10.57%。當聚酯纖維摻量大于0.4%時，大量的聚酯纖維摻入瀝青混合料中，攪拌不均勻，致使其在混合料中相互打結(jié)、纏繞并隔離集料，使得混合料內(nèi)部空隙率增大，進而影響混合料整體穩(wěn)定度。除此之外，在進行馬歇爾穩(wěn)定度試驗時需對試件進行60 ℃水浴保溫，成團聚酯纖維間的間隙具有毛細作用，水分會沿著間隙進入試件內(nèi)部對試件侵蝕，阻止瀝青與集料之間的相互粘結(jié)，降低瀝青與集料間的粘結(jié)力，從而降低瀝青混合料的穩(wěn)定度。

2.2 流值分析

根據(jù)試驗結(jié)果分別繪制粉煤灰摻量、聚酯纖維摻量與流值的關(guān)系圖如圖4、圖5所示。

從圖4可以看出，流值的變化規(guī)律為：隨著粉煤灰摻量的增加，流值先減少后增大。在粉煤灰摻量低于40%時，瀝青混合料的流值逐漸減小。主要是因為少量粉煤灰的添加可以填充礦粉不能填充的空隙，增強了整體強度；其次粉煤灰比表面積大，吸附的瀝青輕質(zhì)組分越多，瀝青膠漿的粘滯阻力越大，其抗變形能力[11-12,26]就越強；最后，在進行試驗時需要水浴加熱，粉煤灰的親水系數(shù)低于礦粉，在一定程度上減少了水的侵蝕，增強其穩(wěn)定性。當粉煤灰摻量為40%時，流值達到最小值。在聚酯纖維摻量分別為0%、0.3%、0.4%、0.5%時，不同粉煤灰摻量下的瀝青混合料流值最小值分別為2.50 mm、2.42 mm、2.47 mm、2.90 mm，比粉煤灰摻量為0%時的流值分別降低了3.45%、6.20%、4.82%、11.44%。當摻量超過40%時，流值逐漸增大，這是因為粉煤灰具有一定的潤滑作用，過多的摻入粉煤灰會使集料之間產(chǎn)生滑移，使得瀝青混合料強度下降，抗變形能力減弱，從而使流值增加。所以，單從流值這一方面來看，粉煤灰摻量的最優(yōu)值應(yīng)在40%左右。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，當聚酯纖維摻量為0.5%時，流值波動性較大，規(guī)律不如摻量為0%、0.3%、0.4%的明顯，這是由于過多摻入聚酯纖維會導(dǎo)致其在混合料中分布不均勻[27]，聚酯纖維之間有打結(jié)、纏繞現(xiàn)象，從而使試驗結(jié)果差異較大。

圖4 流值與粉煤灰摻量關(guān)系Fig.4 Relation between flow value and fly ash content

圖5 流值與聚酯纖維摻量關(guān)系Fig.5 Relation between flow value and polyester fiber content

從圖5中可以看出，瀝青混合料的流值隨著聚酯纖維的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當聚酯纖維摻量為0.3%時，瀝青混合料的流值均達到最小值(除粉煤灰摻量為100%外)。在粉煤灰的摻量為0%、20%、40%、60%、80%、100%時，不同聚酯纖維摻量下的最小流值分別為2.58 mm、2.45 mm、2.42 mm、2.58 mm、2.70 mm、2.85 mm，比不摻聚酯纖維摻量的流值分別上升了0.26%、4.20%、3.10%、0.49%、3.57%、6.25%。這是由于少量的聚酯纖維在瀝青混合料中可以均勻的分布，縱橫交差的加筋與橋接作用能降低瀝青的流動性，限制集料的位移；其次聚酯纖維的斷裂伸長率較大，具有一定的彈性，可以在一定荷載范圍內(nèi)使試件發(fā)生較大的變形而不被破壞。隨著聚酯纖維摻量的增加，瀝青混合料的流值也相應(yīng)的增加。但聚酯纖維摻量在0.3%～0.4%之間時，流值變化比較平緩。據(jù)此可以判斷，瀝青混合料中的聚酯纖維的最佳摻量在0.3%～0.4%之間。當聚酯纖維摻量大于0.4%時，流值變化迅速。尤其是在0.5%的摻量下，瀝青混合料的流值大于未摻聚酯纖維的流值。說明過多的聚酯纖維不僅沒有起到增強的作用反而降低了瀝青混合料抗變形能力。

2.3 馬歇爾模數(shù)分析

由馬歇爾穩(wěn)定度和流值計算馬歇爾模數(shù)并繪制粉煤灰摻量、聚酯纖維摻量與馬歇爾模數(shù)的關(guān)系圖如圖6、圖7所示。

馬歇爾模數(shù)由公式(1)計算得出，馬歇爾模數(shù)間接地反映了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。即馬歇爾模數(shù)越大，瀝青混合料的高溫性能越好。據(jù)圖6可以看出馬歇爾模數(shù)隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當粉煤灰的摻量較大時，馬歇爾穩(wěn)定度在降低，流值在增大，致使馬歇爾模數(shù)下降。在粉煤灰摻量為40%時，不同的聚酯纖維摻量的馬歇爾模數(shù)均達到最大值。當聚酯纖維摻量為0%、0.3%、0.4%、0.5%時，瀝青混合料馬歇爾模數(shù)最大值分別為3.69 kN/mm、4.04 kN/mm、4.18 kN/mm、3.23 kN/mm，比未摻入粉煤灰的馬歇爾模數(shù)分別增加了11.67%、11.73%、10.82%、16.65%。在粉煤灰摻量為40%時，瀝青混合料平均馬歇爾模數(shù)比不添加粉煤灰的平均馬歇爾模數(shù)提升了11.65%。從圖7可以看出，聚酯纖維摻量為0.4%時，各粉煤灰摻量下馬歇爾模數(shù)最大值分別為3.77 kN/mm、3.98 kN/mm、4.18 kN/mm、4.07 kN/mm、3.91 kN/mm、3.49 kN/mm，比未摻入聚酯纖維的馬歇爾模數(shù)分別增加了14.11%、13.56%、13.24%、10.62%、14.22%、16.59%，不同摻量下的粉煤灰瀝青混合料的高溫性能均達到最優(yōu)。通過對比發(fā)現(xiàn)，0.4%的聚酯纖維摻量下的瀝青混合料的平均馬歇爾模數(shù)比未摻聚酯纖維瀝青混合料的平均馬歇爾模數(shù)增加了13.70%，說明聚酯纖維最佳摻量為0.4%。當聚酯纖維摻量大于0.4%時，馬歇爾模數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢且下降較快。由于馬歇爾模數(shù)間接反映了瀝青混合料的抗變形能力，試件的馬歇爾模數(shù)越大，試件的抗變形能力就越強。因此，在保持瀝青混合料的高溫性能的同時也要保持瀝青混合料的抗變形能力。綜上所述，聚酯纖維摻量應(yīng)控制為0.4%左右。

圖6 馬歇爾模數(shù)與粉煤灰關(guān)系Fig.6 Relation between Marshall modulus and flyash content

圖7 馬歇爾模數(shù)與聚酯纖維摻量關(guān)系Fig.7 Relation between Marshall modulus and polyesterfiber content

2.4 微觀機理分析

2.4.1 粉煤灰微觀機理分析

粉煤灰和礦粉都可以作為瀝青混合料的填料，但這兩種填料仍存在著差別。這些差別不僅表現(xiàn)在化學(xué)成分組成和含量上，還表現(xiàn)在物理形態(tài)上。通過電鏡掃描來分析這些差別帶來的不同作用。

圖8 粉煤灰在瀝青混合料的形態(tài)Fig.8 Morphology of fly ash in asphalt mixture

通過對圖8(a)的觀察，可以看出，當填料都是礦粉時，所有礦粉幾乎都被瀝青包裹。與瀝青結(jié)合之后，礦粉表面并沒有產(chǎn)生明顯的空隙，整個區(qū)域油亮且光滑。由于粗集料的存在制造了大量的空隙，礦粉并沒有完全的填補，這就為瀝青混合料在高溫下的變形預(yù)留了潛在因素。

由圖8(b)可以看出，當粉煤灰摻量為40%時，整個可視區(qū)域呈現(xiàn)比較緊密狀態(tài)，填補了礦粉不能填充的空隙，減少了瀝青混合料的空隙率，使瀝青混合料更加密實。粉煤灰在瀝青中最理想的狀態(tài)是以細微的單顆粒均勻、穩(wěn)定的分散在瀝青中，粉煤灰表面為多孔性蜂窩狀組織，具有較大的比表面積以及較大的空隙率[28]，使兩種填料相互勾芡擠壓，使其受力不平衡，自身所具有的吉布斯自由能無法釋放。根據(jù)能量最低理論，與瀝青結(jié)合后會吸收瀝青以達到能量平衡，進而達到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。混合料在與瀝青結(jié)合過程中，粉煤灰粗糙且蜂窩狀的表面吸附的礦粉粉末會與瀝青相互作用，產(chǎn)生范德華力，進而提高瀝青、礦粉以及粉煤灰之間的內(nèi)粘聚力，為提升瀝青混合料的高溫性能創(chuàng)造良好的條件。

由圖8(c)可以看出，當粉煤灰摻量為80%時，整個區(qū)域的空隙明顯居多。首先，粉煤灰是無機納米級粉塵，與瀝青有機物界面性質(zhì)不同，二者的親和力較差，導(dǎo)致粉煤灰不易均勻分散[28]。間接說明粉煤灰并不能完全替代礦粉以及填充所有的空隙。其次，粉煤灰具有較大的比表面積的優(yōu)點起到相反的作用，粉煤灰因自身的聚集效應(yīng)而形成中空抱團結(jié)構(gòu)阻礙了瀝青浸潤。在受到荷載作用時，這些有空隙的地方就會造成應(yīng)力集中，使瀝青混合料過早的失去穩(wěn)定性，降低瀝青混合料的高溫性能。

2.4.2 聚酯纖維微觀機理分析

試驗借助掃描電鏡分析了粉煤灰摻量為20%時的聚酯纖維在瀝青混合料中的作用與機理，如圖9所示。

圖9 聚酯纖維在瀝青混合料中的形態(tài)Fig.9 Morphology of polyester fiber in asphalt mixture

通過對圖9(a)～(d)的觀察，可以發(fā)現(xiàn)瀝青、集料、礦粉、聚酯纖維以及粉煤灰五者之間具有良好的粘結(jié)狀態(tài)。在瀝青混合料中礦粉幾乎完全被包裹，而粉煤灰則是半依附在聚酯纖維上，這就導(dǎo)致原本光滑無比的表面變得粗糙。良好的吸油率使得聚酯纖維具有很強的吸附瀝青的能力，其次，聚酯纖維單絲具有較強的抗拉強度。增加了聚酯纖維在瀝青混合料的抗拔能力，進而改善了瀝青混合料的高溫抗變形能力。

圖9(b)可以觀察到聚酯纖維半嵌入瀝青混合料的形態(tài)，瀝青混合料在高溫下變形就需要先把聚酯纖維與瀝青之間的粘結(jié)力和摩擦力抵消，這也間接說明聚酯纖維的摻入可以改善瀝青混合料的高溫變形能力。與此同時，還發(fā)現(xiàn)當聚酯纖維摻量為0.3%時，并沒有形成網(wǎng)狀的三維結(jié)構(gòu)而是單絲成個的單獨分布在混合料中。出現(xiàn)在同區(qū)域的聚酯纖維的根數(shù)較少，其產(chǎn)生的阻力作用也就不明顯。

由圖9(c)可以看出，當聚酯纖維的摻量為0.4%時，在同一區(qū)域可供捕捉的聚酯纖維根數(shù)逐漸增多并在瀝青混合料中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時還可以發(fā)現(xiàn)多根聚酯纖維呈平行式半嵌入混合料中。聚酯纖維在瀝青混合料中形成較穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，加之粗、細骨料、填料以及瀝青的填充，共同構(gòu)成一個密實的結(jié)構(gòu)體，抵抗高溫變形的能力發(fā)揮到最優(yōu)。

圖9(d)可以觀察到聚酯纖維瀝青混合料的分布不均，同區(qū)域的聚酯纖維居多、多根纏繞、打結(jié)。摻量0.5%的聚酯纖維在混合料中并沒有很好的分布。通過觀察，發(fā)現(xiàn)0.5%的聚酯纖維摻量在混合料中制造多處鏤空，聚酯纖維構(gòu)造出的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不僅沒有起到加筋與橋接的作用反而阻礙了瀝青與填料的填充。在試驗時極易引起應(yīng)力集中，使試件順勢破壞，進而降低瀝青混合料的高溫性能。

3 結(jié) 論

(1)在不同的指標分析下粉煤灰的摻量是不同的，在馬歇爾穩(wěn)定度達到最大值時，粉煤灰的摻量為80%；當粉煤灰的摻量為40%時，試件的流值達到最小值，馬歇爾模數(shù)達到最大值。綜合來說，粉煤灰對瀝青混合料的高溫性能具有積極的作用，但不宜完全代替礦粉作為瀝青混合料的填料。

(2)聚酯纖維的摻入可以改善瀝青混合料的高溫性能，在聚酯纖維摻量為0.4%時，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度達到最大值；但流值達到最小值時聚酯纖維量不是0.4%而是0.3%。所以，在瀝青混合料中聚酯纖維最佳摻量應(yīng)在0.3%～0.4%。

(3)粉煤灰和聚酯纖維共摻可以提高瀝青混合料的高溫性能。當粉煤灰摻量為40%，聚酯纖維的摻量為0.4%時，瀝青混合料的高溫性能最優(yōu)。