活化煤矸石改性沥青胶浆高温性能影响因素研究

2015-06-10杨晓凯房建宏徐安花盛燕萍

重庆交通大学学报(自然科学版) 2015年5期

熊锐，杨晓凯，杨发，房建宏，徐安花，盛燕萍

(1.长安大学材料科学与工程学院，陕西西安 710061；2. 云南省交通运输厅工程质量监督局，云南昆明 650214；3. 云南昭会高速公路建设指挥部，云南昆明 650200；4.青海省交通科学研究院，青海西宁 810008)

熊锐1，杨晓凯1，杨发2,3，房建宏4，徐安花4，盛燕萍1

采用动态剪切流变试验(DSR) 对比研究了不同粉胶比条件下(0.6，0.8，1.0，1.2，1.4)和不同温度条件下(64，70，76，82 ℃)活化煤矸石和矿粉改性沥青胶浆的高温流变性能；运用灰熵法分析了活化煤矸石改性沥青胶浆高温性能影响因素——温度、活性成分SiO2含量、粉胶比、135 ℃运动黏度、胶浆软化点——的显著性。结果表明：活化煤矸石代替矿粉作为填料可使沥青胶浆的高温性能有大幅提高；粉胶比对活化煤矸石改性沥青胶浆高温性能有最显著影响。

道路工程；活化煤矸石；沥青胶浆；车辙因子；高温性能；灰熵法

0 引言

近年来，在改性沥青研究领域，SBS和SBR等聚合物以其优良的性能得到广泛应用，但同时也显著增加了沥青铺面建设成本。除聚合物改性沥青外，无机微粉填料由于材料来源广泛、易加工、成本低廉等特点已成为改性沥青研究的新领域而备受关注。研究表明，在沥青或沥青混合料中加入一种或数种无机改性填料，通过适当的加工工艺，使改性材料熔融或分散在沥青或沥青混合料中，可以有效提高沥青混合料的耐久性[1-3]。常见的无机微粉填料主要包括矿粉、水泥、石灰、粉煤灰、火山灰、硅藻土、炭黑等，其中以煤矸石为代表的工业固体废弃物在沥青路面上的再利用体现出显著的经济、社会和环保效益。

尽管近年来我国已经开始重视煤矸石的综合利用，但总体水平仍待提高。因此，对煤矸石进行活性激发和道路建材资源化再利用还有很大的研究空间。目前，煤矸石在道路建筑材料方面的应用主要集中在水泥烧制、路面及路基铺筑用骨料方面[4-6]，由于煤矸石中含有大量的黏土类矿物，煅烧后可产生一定活性，会一定程度上影响着煤矸石与沥青的界面性质及胶浆的宏观性能。

笔者采用动态剪切流变试验(DSR)研究了不同粉胶比条件下(0.6，0.8，1.0，1.2，1.4)活化煤矸石改性沥青胶浆的高温流变性能，并与矿粉改性沥青胶浆进行对比，研究将活化煤矸石替代矿粉作为沥青混合料填料的可行性，以期变废为宝。此外，填料改性沥青胶浆是一种典型的黏弹性材料，其高温性能的变化是多因素共同作用的结果，可分为外因和内因。外因主要指不同的气候环境条件；内因主要包括沥青和填料性质、沥青胶浆组成等。在一定的工程环境中，统筹考虑外因和内因，通过合理的沥青混合料组成设计实现复合材料的高性能化具有重要现实意义。由于沥青胶浆的高温性能是一个典型的“灰色系统”，故笔者以改进型车辙因子G*/[1- 1/(sinδtanδ)]作为评价指标，选用灰熵法进行系统分析，筛选出影响沥青胶浆高温性能较为显著的因素，并对其进行了分析。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

1.1.1 沥青

采用新疆KLM A-110 # 沥青，各项指标如表1。

表1 KLM A-110 # 沥青技术指标

1.1.2 填料

煤矸石产自河北省灵寿县，经高温煅烧、机械研磨制成试验用活化煤矸石粉。矿粉为磨细的石灰石粉。采用Hitachi S-4800扫描电子显微镜(SEM)得到两种填料的微观形貌(×20.0 K)，如图1。表2、表3分别为两种填料的技术性能指标及主要化学组成。

图1 矿粉与活化煤矸石的微观形貌Fig.1 Microstructure of mineral powder and activated coal gangue

指标活化煤矸石矿粉表观密度/(g·cm-3)2.3142.626亲水系数0.780.85粒度范围/% <0.6mm100100 <0.15mm93.592.9 <0.075mm81.779.7比表面积/(m2·kg-1)2.561.31

表3 活化煤矸石及矿粉主要化学组成

1.2 研究方法

1.2.1 试验方法

采用动态剪切流变仪(DSR)测试填料改性沥青胶浆的剪切模量G*和相位角δ(ASTM D7175)。采用一种改进型车辙因子G*/[1-1/(sinδtanδ)]代替传统的车辙因子G*/sinδ来评价填料改性沥青胶浆的高温流变性能[7-8]。G*/[1-1/(sinδtanδ)]值越大，表明材料的弹性越大，高温性能越好。

1.2.2 灰熵分析法

灰色理论是邓聚龙[9]提出的一种新型工程系统理论。该理论能在“小样本、贫信息”的条件下对系统进行分析，从而分辨出主次影响因素。该法克服了现有灰色关联方法存在的诸多不足，并使分析结果更加准确[10-11]。基于此，笔者将采用该法来研究各影响因素的显著性。其计算步骤如下：

1)灰关联系数

X为灰关联因子集，x0[x0(1)，…，x0(n)]为参考列，xi[xi(1)，…，xi(n)] (i=1，2，…，m)为比较列，比较列与参考列间的灰关联系数为：

(1)

2)灰关联熵与灰熵关联度

X为离散数列x0∈x为参考列，xi∈x(i= 1，…，m)为比较列，Ri={ξ[x0(k),xi(k)]k=1,…,n} ，则得分布的密度值为：

(2)

Xi的灰关联熵表示为：

(3)

序列xi的灰熵关联度为：

(4)

式中：Hmax=lnn，代表由n个元素构成的差异信息列的最大值。

3)关键影响因素分析

根据灰熵关联度的排序可知，比较列的熵关联度越大，则比较列与参考列的关联性越强，从而确定出各影响因素的显著性。

1.2.3 填料改性沥青胶浆高温性能影响因素

对于由填料和沥青胶结料组成的复合材料，认为影响其高温性能主要在于温度(外因)及原材料和沥青胶浆的特性——活性成分SiO2含量、粉胶比、135 ℃运动黏度、胶浆软化点(内因)。不同粉胶比条件下(0.6，0.8，1.0，1.2，1.4)和不同温度条件下(64，70，76，82 ℃)活化煤矸石与矿粉改性沥青胶浆的高温抗车辙因子测试结果见表4。

表4 沥青胶浆高温抗车辙因子测试结果

注：X0—改进型车辙因子，kPa；x1—温度，℃；x2—活性成分SiO2含量，%；x3—粉胶比；x4—135℃运动黏度，Pa·s；x5—胶浆软化点，℃。

2 结果分析

2.1 灰熵计算

以改进型车辙因子G*/[1-1/(sinδtanδ)]作为参考序列，对各影响因素进行灰熵分析，由式(1)～式(4)，得到比较序列的灰熵关联度，如表5。

表5 灰熵关联度

由表5可知，各影响因素对活化煤矸石改性沥青胶浆高温抗车辙因子影响大小依次为：粉胶比>胶浆软化点>温度>135 ℃运动黏度>活性成分SiO2含量，即粉胶比和胶浆软化点等内因是影响活化煤矸石改性沥青胶浆高温性能最重要的两个影响因素。

2.2 结果分析

按照近代胶浆理论，沥青混合料是一种三级空间网状结构的分散系，而这三级分散相尤以沥青胶浆(以填料为分散相分散在沥青介质中)最为重要，其组成结构决定了沥青混合料的各项性能和材料的黏弹性变化[10]。在沥青种类确定的情况下，粉胶比则显得非常重要。选择合理的粉胶比可显著提高沥青胶浆及沥青混合料的稳定性和耐久性。以试验温度64 ℃为例(最接近沥青混合料高温车辙试验温度60 ℃)，绘制两种填料沥青胶浆的高温抗车辙因子随粉胶比变化柱状图，见图2。

图2 活化煤矸石和矿粉改性沥青胶浆高温性能对比

由图2可以看出，与矿粉相比，活化煤矸石改性沥青胶浆在不同粉胶比条件下的高温性能均具有显著提高，且随着粉胶比的增加，活化煤矸石的优越性愈加明显。这主要是因为：

1)活化煤矸石具有更多的活性成分SiO2(约为矿粉的4.5倍)及更大的比表面积(约为矿粉的2倍)，与沥青的黏附性更强并可形成更多的结构沥青。

2)由填料微观形貌图可知，矿粉为表面光滑致密的多面体结构，棱角较少，颗粒较大，且无明显的微孔隙，相互连接不强；而活化煤矸石表面呈网格搭接结构，具有较强的整体性，且表面存在大量均匀分布的分孔空隙，互穿通透，可与沥青形成较为致密的整体结构，从而显著提高沥青胶浆的高温性能。

胶浆软化点亦与沥青胶浆的高温性能密切相关，较高的软化点赋予胶浆更佳的高温抗车辙性能，此与实际相符。此外，尽管温度的变化影响沥青材料的黏弹性，进而影响着填料沥青胶浆的高温流变性能，但沥青胶浆的材料组成(内因)才是关键的影响因素。把握这一原则，在进行不同使用环境下沥青混合料组成设计时，能更有针对性。

3 结论

1)采用改进型车辙因子G*/[1-1/(sinδtanδ)]评价填料改性沥青胶浆的高温性能，表明采用活化煤矸石代替矿粉作为填料可使沥青胶浆的高温性能有大幅提高；选取了影响沥青胶浆高温性能的5个代表性因素(内因与外因)，与评价指标进行关联。

2)灰熵法简单实用且结果比较准确。笔者研究的活化煤矸石沥青胶浆就是一个“灰体”，影响高温性能的因素有很多。通过灰熵分析，得出粉胶比和胶浆软化点(内因)是影响活化煤矸石改性沥青胶浆高温性能最重要的两个影响因素。

3)在进行基于胶浆性能的沥青混合料组成设计时，应将这两个因素作为主要控制点，并进一步考虑各因素的可控制程度和经济成本等。

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Influence Factors of High Temperature Performance of ActivatedCoal Gangue Modified Asphalt Binder

Xiong Rui1, Yang Xiaokai1, Yang Fa2, 3,Fang Jianhong4,Xu Anhua4,Sheng Yanping1

(1. School of Materials Science & Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, Shaanxi, China; 2. Engineering Quality Supervision Bureau of Yunnan Department of Transportation, Kunming 650214, Yunnan, China; 3. Construction Headquarters of Zhao-Hui Expressway in Yunnan Province, Kunming 650200, Yunnan, China; 4.Qinghai Research Institute of Transportation (QRIT),Xi’ning 810008,Qinghai,China)

Through the dynamic shear rheological tests (DSR), the high temperature rheological properties of activated coal gangue modified asphalt mortar with different filler-asphalt ratios (0.6，0.8，1.0，1.2，1.4) and different temperatures (64，70，76，82 ℃) were investigated, and the results were compared with those of mineral powder modified asphalt mortar. Then, the grey entropy was applied to analyze the significance of influencing factors of the high temperature of activated coal gangue modified asphalt mortar such as temperature, active ingredient content of SiO2, filler-asphalt ratio, kinematic viscosity at 135 ℃ and softening point of asphalt mortar. The test results show that the activated coal gangue instead of mineral powder as the filler can make the high temperature performance of asphalt mortar greatly increase. Filler-asphalt ratio has the most obvious significance to the high temperature performance of activated coal gangue modified asphalt mortar.

road engineering; activated coal gangue; asphalt mortar; rutting factor; high temperature performance; grey entropy method

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.09

2014-08-12；

2015-04-15

国家自然科学基金项目(51208047)；交通土建工程材料国家地方联合工程实验室开放基金项目(LHSYS-2013-003)；青海省重大科技专项基金项目(2014-GX-A2A)；青海省交通科技项目(2011-03)

熊锐(1982—)，男，河南罗山人，讲师，博士，主要从事路面结构与材料方面的研究。E-mail：xiongr61@126.com。

U414.3

1674-0696(2015)05-044-05