馬雪晴，魏世輝，焦亞軍

(阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系， 安徽 阜陽 236000)

隨著我國公路軸載與交通量的不斷增長，對于市政道路、公路路面的材料耐久性、平整度、安全性以及經(jīng)濟(jì)性等方面都提出了愈來愈高的要求，尤其在高速公路的建設(shè)過程中，眾多工程技術(shù)人員與專家都在不斷研究優(yōu)化路面材料的性能與道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，致力于延長公路路面的耐久性與提高工程建設(shè)的效率.

目前在公路建設(shè)中較多使用HMA(熱拌瀝青混凝土)，HMA的強(qiáng)度受到填充料、瀝青及集料種類等多個因素的影響，其中對于熱拌瀝青混凝土性能影響作用較大的是填料，其對于瀝青混合料的瀝青-集料粘著性、水穩(wěn)定性能、韌性、耐久度以及抗疲勞性都具有較大的影響.由此可見熱拌瀝青混凝土的性能受到填料的作用較大，必須從性能、經(jīng)濟(jì)等多個角度充分考慮選擇合適的填充料.伴隨近年來環(huán)保、節(jié)能等方面的要求愈來愈高，在公路工程建設(shè)過程中，眾多技術(shù)人員均在致力于研究將廢料回收利用于公路建造中，其中廢陶瓷材料、生活焚燒垃圾、除塵器細(xì)粉、煤炭廢料等材料運(yùn)用于瀝青混凝土的填料領(lǐng)域內(nèi)均獲得了不少研究成果.

作為一種得到廣泛利用的資源材料，煤炭在相當(dāng)長一段時間內(nèi)都是人們最為主要的能源之一，自2014年起全球煤炭產(chǎn)量開始呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢，2016年全球的煤炭年產(chǎn)量為74.60億噸，其中我國的煤炭年產(chǎn)量高達(dá)33.6億噸，在全世界煤炭總產(chǎn)量占比中超過了1/4，然而在煤炭開采與洗煤過程中所排放的固定廢物煤矸石的數(shù)量也大大增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國煤矸石堆存量已超過30億噸，而且每年依然保持著近1億噸的排放量，屬于我國排放量最大的固定廢物之一，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染.雖然目前已在發(fā)電、建筑材料、化工等多個領(lǐng)域研究利用煤矸石，但利用量仍然有待進(jìn)一步加大.回收利用為建筑材料是有效解決煤矸石對環(huán)境造成污染的重要方式之一.本研究選取煤矸石作為研究對象，旨在研究瀝青混合料中利用煤矸石作為填充料的效果.

1 試驗(yàn)材料

1.1 煤矸石樣品

本研究中所使用的煤矸石樣品來自于X市SH礦區(qū)洗煤廠，在試驗(yàn)中所使用的煤矸石均采用重力篩選的方法取得.

1.2 集料

本試驗(yàn)中所使用的集料采用連續(xù)級配，最大粒徑為25 mm，通過加工處理具有良好的棱角性，試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)為JTG E20-2011，經(jīng)過加工處理后的集料力學(xué)性能如下表1所列.

表1 試驗(yàn)集料的力學(xué)性能參數(shù)

1.3 瀝青

在本研究中使用85/100伊朗瀝青，通過JTG E20-2011試驗(yàn)規(guī)程，測得試驗(yàn)用的瀝青物理指標(biāo)如下表2所列.

表2 試驗(yàn)用85/100瀝青物理指標(biāo)

1.4 填料

在本研究中所使用的填料共包括3類：煤矸石粉、石灰石粉和煤矸石灰，在全部集料中試驗(yàn)填料的質(zhì)量占總質(zhì)量的8%，通過X射線熒光光譜法對上述3類填料的主次量化學(xué)元素進(jìn)行檢測，并對填料的相對密度進(jìn)行了測定.結(jié)果如下表3和表4所列.

表3 試驗(yàn)用填料的主次量化學(xué)成分分析

表4 試驗(yàn)用填料的相對密度

1.4.1 煤矸石灰

本試驗(yàn)對煤矸石粉分別在500 ℃、750 ℃、900 ℃以及1 100 ℃下進(jìn)行燃燒處理，然后對其充分燃燒后所獲得的煤矸石灰進(jìn)行燒失量試驗(yàn)(LOI)，通過試驗(yàn)檢測證實(shí)了煤矸石的燒失量數(shù)值大小隨著燃燒所采用溫度的升高而減小，考慮到在750 ℃之后，燒失量數(shù)值的下降趨勢并不明顯，幾乎可以忽略不計(jì)，本研究測定煤矸石的燃點(diǎn)為750 ℃.通過上述填料化學(xué)成分分析表可知煤矸石灰的主要成分為二氧化硅、三氧化二鋁及氧化鐵，這3種化學(xué)成分的含量超過總量的80%.

1.4.2 煤矸石粉

本試驗(yàn)中從洗煤廠的煤矸石廢料堆中選取相應(yīng)的樣品，首先將樣品通過烘箱處理直至重量不發(fā)生變化，然后將煤矸石進(jìn)行粉碎處理并將粉碎的煤矸石通過200目的集料篩進(jìn)行篩取，獲得最終用于試驗(yàn)的樣品，一般而言，煤矸石粉中含有較多的火山灰，通過表3可知其還具有少量的氧化鈣，與煤矸石灰、石灰石粉相比較，煤矸石粉的相對密度處于中等水平.

1.4.3 石灰石粉

目前在熱拌瀝青中較多使用石灰石粉作為填料，從表3試驗(yàn)用填料的主次量化學(xué)成分分析中可以看出，在石灰石粉中最為主要的成分是氧化鈣與二氧化硅，由于氧化鈣是一種堿性的化學(xué)物質(zhì)，對于提升集料與瀝青之間的粘結(jié)力具有較好的效果，同時有利于提升熱拌混凝土的抗水化性.二氧化硅作為在粉末形態(tài)下，通過與石灰、水之間的混合作用能夠生成硅質(zhì)膠結(jié)物.

2 對瀝青混凝土性能的影響試驗(yàn)

2.1 瀝青混合料

本研究中依據(jù)JTG E20-2011試驗(yàn)規(guī)程制備熱拌瀝青混凝土樣品，同時采用Marshall穩(wěn)定度試驗(yàn)方法確定混合料瀝青的最佳用量.

試驗(yàn)首先按照6%、5.5%、5%、4.5%、4%以及3.5%制作了6種合計(jì)18個瀝青混合料試件，上述試件均采用石灰石粉作為填料，通過對比試驗(yàn)全部試件的VV、VMA、瀝青飽和度、流值以及穩(wěn)定度等各項(xiàng)瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)，最終確定了瀝青混合料中瀝青含量采用5.3%.相關(guān)試驗(yàn)研究成果顯示，不同類型的填料中瀝青混合料的最佳瀝青含量變動率小于2‰，為了對煤矸石粉、煤矸石灰以及石灰石粉對瀝青混凝土性能的影響進(jìn)行充分對比分析，本研究按照上述瀝青最佳含量5.3%，分別了設(shè)計(jì)6種不同的填料方案，如表5所列.

表5 試驗(yàn)瀝青混合料填料設(shè)計(jì)方案

2.2 Marshall穩(wěn)定度試驗(yàn)

依據(jù) JTG E20-2011試驗(yàn)規(guī)程對6種不同填料設(shè)計(jì)方案的瀝青混合料試件進(jìn)行測試，計(jì)算瀝青混合料試件的流值、Marshall穩(wěn)定度.流值(FV)反映了Marshall穩(wěn)定度試驗(yàn)中瀝青混合料試件在受到壓力破壞時所發(fā)生的垂直變形大小，代表了HMA抗變形與抗沉降能力的大小，而Marshall穩(wěn)定度則反應(yīng)了HMA對抗車轍與抵抗擠壓能力的大小.

2.3 ITS試驗(yàn)

本研究中采用間接拉伸強(qiáng)度(ITS)試驗(yàn)，對瀝青混合料試件的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測定，試驗(yàn)選取兩個壓條對瀝青混合料圓形試件擠壓，使得圓形試件上受到徑向的拉伸壓力直至瀝青混合料發(fā)生劈裂破壞，瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度數(shù)值可通過公式(1)進(jìn)行計(jì)算.

(1)

式中，Pmax表示最大荷載，單位：N/mm2；t表示瀝青混合料圓柱試件厚度，單位：mm；d表示瀝青混合料圓柱試件的直徑，單位：mm；ITS表示瀝青混合料圓柱試件的間接拉伸強(qiáng)度，單位：kPa.

2.4 單軸壓縮試驗(yàn)

本研究根據(jù)JTG E20-2011試驗(yàn)規(guī)程對瀝青混合料試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)(圓柱體法)，以測定瀝青混合料的抗壓回彈模量，回彈模量是一種評估材料彈性能力的指標(biāo).對于大部分公路路面材料通常并不具備顯著的彈性，施加載荷后均會造成永久的變形.若是加載與材料自身的強(qiáng)度相比較不是那么大，同時經(jīng)過反復(fù)多次施加載荷后都可以基本完全回復(fù)的狀況下，施加載荷與材料變形則成線性比例關(guān)系，該類材料也可等同視作具有彈性的材料.在單軸壓縮試驗(yàn)中，采用2 mm/min速率增加載荷至0.2P(P為破壞載荷峰值)進(jìn)行1 min的持續(xù)預(yù)壓，然后按照0.1P、0.2P、0.3P……逐步加載至0.7P，計(jì)算各個級別荷載的回彈變形Δli，瀝青混合料試件的回彈模量按照公式(2)進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中，E′表示瀝青混合料試件的抗壓回彈模量，單位：MPa；Q5表示加載至0.5P時的荷載壓強(qiáng)，單位：MPa；h表示瀝青混合料試件的軸心高度，單位：mm；Δl5表示加載至0.5P時經(jīng)過原點(diǎn)修正后的回彈變形量，單位：mm.

2.5 水穩(wěn)性試驗(yàn)

在本研究中，為了綜合對比評估3種不同類型填料條件下的瀝青混合料試件的水穩(wěn)性，分別選擇Marshall穩(wěn)定度試驗(yàn)與浸水Marshall穩(wěn)定試驗(yàn)、ITS試驗(yàn)以及單軸壓縮試驗(yàn)作為對瀝青混合料試件水穩(wěn)性的評價指標(biāo).

第一類評價指標(biāo)，使用Marshall穩(wěn)定度試驗(yàn)對瀝青混合料的水穩(wěn)性進(jìn)行評測.瀝青混合料試件的MSR(殘存穩(wěn)定度)可通過公式(3)計(jì)算.

(3)

式中，MSR表示混合料的殘存穩(wěn)定度；Md表示60 ℃浸水條件下養(yǎng)護(hù)0.5小時后3個瀝青混合料試件穩(wěn)定度的平均值；Mr表示60 ℃浸水條件下養(yǎng)護(hù)24小時后3個瀝青混合料試件穩(wěn)定度的平均值.

第二類評價指標(biāo)，使用間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)對瀝青混合料試件的水穩(wěn)定性進(jìn)行評測.按照浸水條件與非浸水條件將瀝青混合料試件劃分為2組，將前1組置于真空浸水環(huán)境中，使瀝青混合料試件充分吸水，直至飽和度上升至80%為止，然后將兩組試件分別進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，計(jì)算各個時間的殘存強(qiáng)度比(TSR)，該指標(biāo)用于描述HMA的抗剝落性能，一般來說熱拌瀝青混凝土的殘存強(qiáng)度比最小值需滿足0.80.

(4)

式中，Stcon表示浸水條件下瀝青混合料試件間接拉伸強(qiáng)度的平均值，單位：kPa；Stunco表示非浸水條件下瀝青混合料試件間接拉伸強(qiáng)度的平均值，單位：kPa.

第三類評價指標(biāo)，通過單軸壓縮試驗(yàn)計(jì)算瀝青混合料試件的回彈模量，同樣分別進(jìn)行浸水條件下與非浸水條件下兩種試件的回彈模量對比，從而計(jì)算出SMR(殘存勁度比)的數(shù)值大小，一般來說熱拌瀝青混凝土的殘存勁度比最小值需滿足0.80，可通過公式(5)予以計(jì)算：

(5)

式中，Econ表示浸水條件下瀝青混合料試件回彈模量的平均值，單位：MPa；Eunco表示非浸水條件下瀝青混合料試件回彈模量的平均值，單位：MPa.

2.6 煤矸石瀝青膠漿的流變性能試驗(yàn)

借助布氏黏度儀、彎曲梁流變儀以及動態(tài)剪切流變儀對煤矸石瀝青膠漿進(jìn)行研究分析，獲取相應(yīng)的蠕變勁度模量S、重復(fù)蠕變勁度的黏性部分Eμ.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與模型構(gòu)建

本研究試驗(yàn)結(jié)果分析共分為兩個部分，首先對表5中所設(shè)計(jì)前5種不同類型填料設(shè)計(jì)方案(石灰石粉100%、石灰石粉75%+煤矸石粉25%、石灰石粉50%+煤矸石粉50%、石灰石粉25%+煤矸石粉75%、煤矸石粉100%)的瀝青混合料試件的性能予以對比分析，接著對3種僅添加單一填料(煤矸石灰、煤矸石粉、石灰石粉)的瀝青混合料試件的性能予以對比分析.

3.1 Marshall穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

瀝青混合料試件的Marshall穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.從圖1中可以分析出瀝青混合料試件在添加了煤矸石粉后穩(wěn)定度增加了，隨著煤矸石粉的添加量不斷增加，穩(wěn)定度不斷提升，其中在完全沒有添加煤矸石粉瀝青混合料試件(S100)的Marshall穩(wěn)定度數(shù)值最低，完全添加煤矸石粉瀝青混合料試件(MF100)的Marshall穩(wěn)定度數(shù)值最高.通過圖1可以看到5種不同類型的瀝青混合料試件在Marshall穩(wěn)定度上均超過了8kN，滿足重載交通環(huán)境下的最低要求.

圖1 瀝青混合料試件Marshall穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果對比

3.2 間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.與圖1比較，瀝青混合料試件的間接拉伸強(qiáng)度變化規(guī)律與Marshall穩(wěn)定度的變化規(guī)律不太一樣，完全添加石灰石粉的瀝青混合料試件(S100)在間接拉伸強(qiáng)度上略高于完全添加煤矸石粉，而采用煤矸石粉與石灰石粉各50%(S50MF50)瀝青混合料試件的間接拉伸強(qiáng)度顯著高于其它瀝青混合料試件，是試驗(yàn)中最優(yōu)的填料設(shè)計(jì)方案.

圖2 瀝青混合料試件間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對比

3.3 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.從圖3可以分析出：隨著瀝青混合料試件中煤矸石粉在填料中所占的比例不斷加大，瀝青混合料試件的回彈模量不斷變大，然而當(dāng)完全利用煤矸石粉作為填充料時，瀝青混合料試件的回彈模量則反而有所減小，其中煤矸石粉75%+石灰石粉25%(S75MF25)瀝青混合料試件的回彈模量數(shù)值最大.從表3中可知在煤矸石灰的化學(xué)組分中包含有二氧化硅與三氧化二鋁，這些是火山灰的主要成分之一，有利于提升集料-瀝青的粘結(jié)能力，同時對于增強(qiáng)瀝青內(nèi)部的聚合力有著顯著的作用，從而對整個瀝青混合料試件的回彈模量予以提升.

圖3 瀝青混合料試件單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果對比

此外，石灰石粉中由于含有46.88%氧化鈣的成分，同樣也有利于提高瀝青混合料內(nèi)部集料與瀝青之間的粘結(jié)能力，進(jìn)一步提升了瀝青混合料試件的強(qiáng)度.

對比S100瀝青混合料試件可知：添加了煤矸石粉后，瀝青混合料試件在抗壓回彈模量與Marshall穩(wěn)定度上得到了提升，從相對密度角度證明煤矸石粉要小于石灰石粉，使得其擁有更大的材料表面積，與集料、瀝青所接觸的面積更大，可以獲得更強(qiáng)的作用效果，使得黏聚力得到提升.

3.4 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.試驗(yàn)分別從瀝青混合料的殘存穩(wěn)定度(MSR)、殘存強(qiáng)度比(TSR)和殘存勁度比(SMR)3個指標(biāo)對瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行分析，從圖4可以看出全部瀝青混合料試件的MSR、TSR、SMR數(shù)值均基本滿足最小值80%的要求.其中，S25MF75的MSR數(shù)值最大，S75MF25的TSR數(shù)值最大，S50MF50的SMR數(shù)值最大.

圖4 瀝青混合料試件水穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果對比

從水穩(wěn)定性的3個指標(biāo)分析，完全采用煤矸石粉作為填料的瀝青混合料試件MF100與完全采用石灰石粉作為填料的瀝青混合料試件較為相似.

通過試驗(yàn)結(jié)果可分析出：在提升瀝青與集料之間的粘結(jié)力方面，煤矸石粉具有顯著的作用，同時使用煤矸石粉與石灰石粉兩種填料可以取得更好的水穩(wěn)定性，特別是S75MF25試件，其殘存強(qiáng)度比甚至超過了100%，這一點(diǎn)是由于煤矸石粉與石灰石粉所含有的氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁等化學(xué)組分在浸水條件下可產(chǎn)生黏性物質(zhì)所引起的強(qiáng)度提升.

3.5 石灰石粉、煤矸石粉、煤矸石灰3種混合料對比分析

S100(石灰石粉)、MF100(煤矸石粉)、MH100(煤矸石灰)3種瀝青混合料試件的主要性能指標(biāo)對比如表6所列，從表中可分析出如下結(jié)果.

表6 3種混合料指標(biāo)對比

(1)瀝青混合料試件以煤矸石灰作為填料后，其在Marshall穩(wěn)定度、間接拉伸強(qiáng)度以及抗壓回彈模量上顯著高于MF100與S100兩種瀝青混合料試件，而這與煤矸石灰的化學(xué)組分有關(guān)，由于煤矸石在通過燃燒處理后，其所含有的火山灰組分的比例提升，促進(jìn)了集料—瀝青之間黏結(jié)能力的提高.但是瀝青混合料在添加煤矸石灰后其VV數(shù)值有所降低；

(2)3種瀝青混合料試件的水穩(wěn)定性指標(biāo)(殘存穩(wěn)定度、殘存強(qiáng)度比、殘存勁度比)均超過了最小值80%的要求，其中煤矸石灰試件MH100的水穩(wěn)定性最好.

3.6 煤矸石瀝青膠漿高的流變性能試驗(yàn)結(jié)果與建模分析

(1)高溫條件下的流變性能試驗(yàn)

選取動態(tài)剪切流變儀進(jìn)行試驗(yàn)，在60 ℃條件下施加100 Pa的蠕變應(yīng)力，作用頻率為1.60 Hz，施加荷載1秒，然后卸去荷載9秒，如此反復(fù)進(jìn)行100個循環(huán)，分別采用粉膠比為1.8、1.5、1.2、0.9、0.6、0.4、0的配比，最終對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可知粉膠比與瀝青膠漿Eμ之間存在著一定指數(shù)函數(shù)相關(guān)性，構(gòu)建回歸方程：

Y=CeBX，

(6)

式中，Y表示瀝青膠漿的Eμ值(重復(fù)蠕變勁度的黏性部分)；B、C為相關(guān)的回歸常數(shù)；X=F/A，表示瀝青膠漿的粉膠比.

(2)低溫條件下的流變性能試驗(yàn)

在-10℃的條件下借助彎曲梁流變儀進(jìn)行試驗(yàn)，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，同樣可構(gòu)建回歸方程如下：

Y′=EeDX，

(7)

式中，Y′表示瀝青膠漿的S值(蠕變勁度)；D、E為相關(guān)的回歸常數(shù)；X=F/A，表示瀝青膠漿的粉膠比.

(3)煤矸石瀝青膠漿黏度-溫度特性分析

為進(jìn)一步分析熱拌瀝青混凝土在抗永久變形方面所受填料類型的作用，本研究針對石灰石粉、煤矸石粉、煤矸石灰3種填料條件下的瀝青膠漿，還進(jìn)行了運(yùn)動黏度試驗(yàn)，粉膠比例采用1：1，其黏度-溫度變化規(guī)律對比如圖5所示.

從圖5可以分析出，煤矸石灰所制成的瀝青膠漿在黏度上均大于煤矸石粉與石灰石粉，由此可看出瀝青混合料的抗壓彈性模量在添加煤矸石灰后雖然得以增高，但是其抵抗變形的能力也有所下降.

圖5 黏度-溫度對比

從圖5中可以分析出來，瀝青膠漿的黏度隨著溫度的升高逐漸降低，熱穩(wěn)定性降低，由于瀝青對溫度的敏感性較強(qiáng)，在低溫時黏度較大，高溫時黏度較小，黏度-溫度的變化規(guī)律在一定程度上綜合反應(yīng)了瀝青混合料的溫度感應(yīng)性.在前述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本研究構(gòu)建黏度-溫度指數(shù)模型如下：

(8)

式8中，VTS表示黏度-溫度指數(shù)，當(dāng)其數(shù)值絕對值越大，則代表黏度對溫度變化作用越大；T表示絕對溫度，單位：℃；μ1、μ2表示不同溫度T1、T2條件下的黏度，單位：Pa·s.

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出瀝青混合料選擇煤矸石灰作為填料，可以較好地提升其性能指標(biāo)，然而考慮到制備煤矸石灰相比煤矸石粉，還需燃燒處理，購置相應(yīng)的設(shè)備，增加生產(chǎn)成本，在制備的過程中消耗額外的能源并給環(huán)境帶來不利的影響.煤矸石粉則同樣可以提升熱拌瀝青湖凝土的性能，也具有良好的水穩(wěn)定性，生產(chǎn)成本更低，對環(huán)境影響較小，由此應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮煤矸石粉作為瀝青混凝土的填料.

4 結(jié)論

通過本研究主要得出如下結(jié)論：①相較于一般添加石灰石粉的瀝青混凝土，利用煤矸石灰、煤矸石粉均對瀝青混凝土的性能有提升作用，提高了熱拌瀝青混合料的ITS、抗壓回彈模量以及Marshall穩(wěn)定度；②在熱拌瀝青混合料中，同時使用50%石灰石粉+50%煤矸石粉可以使得瀝青混合料的性能得到充分優(yōu)化，建議按照上述配比作為填料的優(yōu)化方案；③比起煤矸石粉，煤矸石灰在對瀝青混凝土性能提升上稍弱，但是從生產(chǎn)成本、能源消耗、對環(huán)境的影響3個角度考慮，煤矸石灰具有更大的優(yōu)勢，可以予以推廣作為填料使用.