煤矸石粉/水镁石纤维改性沥青混合料路用性

2017-04-27能熊锐刘子铭杨晓凯乔云雁王小雯陈华鑫关博文

筑路机械与施工机械化 2017年2期

能熊锐+刘子铭+杨晓凯+乔云雁+王小雯+陈华鑫+关博文

摘要：为了研究煤矸石粉、水镁石纤维改性沥青混合料路用性能，通过车辙试验、小梁低温弯曲试验和冻融劈裂试验评价其高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性；采用灰熵法分析填料各项特征因素对沥青混合料各项路用性能的影响程度显著性；借助扫描电镜（SEM）探析煤矸石粉、水镁石纤维改性沥青混合料作用机理。结果表明：经煤矸石粉、水镁石纤维改性的沥青混合料路用性能均得到明显提高；影响其路用性能的最主要因素是纤维掺量；水镁石纤维在沥青胶浆中形成三维网络增强结构，而煤矸石粉则有效改善了沥青胶浆的温度敏感性。

关键词：道路工程；活化煤矸石；水镁石纤维；沥青混合料

中图分类号：U214.75文献标志码：B

Research on Road Performance of Coal Gangue Powder and Brucite Fiber Modified Asphalt Mixture

XIONG Rui， LIU Ziming， YANG Xiaokai， QIAO Yunyan， WANG Xiaowen， CHEN Huaxin， GUAN Bowen

（School of Materials Science and Engineering， Changan University， Xian 710061， Shaanxi， China）

Abstract： In order to study the road performance of coal gangue powder and brucite fiber modified asphalt mixture， the high temperature stability， crack resistance at low temperature and moisture susceptibility were evaluated through the rutting test， low temperature bending test and freezethaw splitting test. The grey entropy method was applied to analyze the influence of various characteristic factors of fillers on the road performance of asphalt mixture. Through the scanning electron microscopy （SEM）， the action mechanism of coal gangue powder and brucite fiber modified asphalt mixture was explored. The results show that the road performance of asphalt mixture modified with coal gangue powder and brucite fiber is remarkably improved. The main factor that affects the road performance is the fiber content. Brucite fiber in the asphalt mortar forms a threedimensional network to enhance the structure， and coal gangue powder effectively improves the temperature sensitivity of asphalt mortar.

Key words： road engineering； activated coal gangue； brucite fiber； asphalt mixture

0引言

随着公路交通事业的蓬勃发展，沥青路面已成为中国高等级公路路面的主要形式。沥青路面长期承受着车辆荷载的反复作用和自然环境的直接影响，导致高温车辙、低温开裂、疲劳等病害频发，且破坏机制复杂多样，使得沥青路面寿命缩短，维修养护成本大大增加[1]。近年来，随着新结构、新材料、新工艺的不断涌现，沥青路面的研究和应用水平也达到了更高的层次，其中改性沥青技术的发展最为瞩目，尤其是SBS和SBR等聚合物改性沥青以其优异的性能在高等级沥青路面中得到廣泛应用，但同时也大幅度增加了沥青路面的建设成本。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、成本低廉等特点也已成为改性沥青研究的一个领域，受到越来越多的关注。研究表明，在基质沥青或基质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基质沥青或基质沥青混合料中，可以有效提高沥青混合料的耐久性[25]。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，其中以粉煤灰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。

煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的废渣，是中国排放量和累计存量最大的工业固体废弃物之一[6]。截至目前，中国煤矸石累计堆存量已达45亿吨，且每年正以3～4亿吨的产量堆积，而煤矸石的综合利用尚不足20%。对煤矸石进行活性激发和道路建材资源化利用存在较大空间[79]。

此外，工程实践表明，矿物纤维（常见如短切玄武岩纤维）因其性能优良且可再生等优点已在沥青路面工程中得到一定应用[1011]。但玄武岩纤维成本较高，难以在大范围推广。本文选用水镁石纤维，该纤维是一种独特的天然碱性矿物纤维（主要成分是Mg（OH）2），在中国、美国和俄罗斯等国家均有丰富储量，并在资源化利用和环保角度上较石棉纤维有明显优势，但其在沥青路面上的应用尚为鲜见[12]。endprint

鉴于此，本文将探讨煤矸石粉/水镁石纤维复合改性沥青在沥青路面上的应用可行性，并评价其改善沥青混合料路用性能效果，以期拓宽固体废弃物煤矸石及水镁石纤维的资源化利用途径及改善沥青路面使用品质。

1试验材料与方法

1.1原材料

（1）沥青。沥青采用新疆克拉玛依A110#道路石油沥青，其技术指标如表1所示。

（2）煤矸石粉。煤矸石产自河北省灵寿县，选用3个细度级别：H1、H2、H3；矿粉采用普通石灰岩矿粉。对4种填料进行X射线荧光光谱分析，4种填料的各项物理指标如表2所示。煤矸石粉主要成分为SiO2和Al2O3，矿粉主要成分为CaO和少量的SiO2。相较于矿粉，煤矸石粉细度较细，且随着3个类型的煤矸石粉细度依次增加，比表面积则依次增大。

1.2.1沥青混合料路用性能试验方法

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），分别采用车辙试验、小梁低温弯曲试验和冻融劈裂试验评价煤矸石粉/水镁石纤维复合改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性[13]。同时，借助扫描电镜（SEM）对其微观改性机理进行分析。

1.2.2灰熵分析法

灰熵分析法来源于灰色系统理论，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，并具有较高的精度与可靠度。基于此，本文采用灰熵分析法来研究各影响因素的显著性。

（1）灰关联系数。

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

2.1车辙试验

对动稳定度随填料类型和纤维掺量、车辙变形填料类型与水镁石纤维掺量的变化规律的试验结果如图2、3所示。

可知，相较于基准沥青混合料（填料为矿粉），经煤矸石粉/水镁石纤维复合改性的沥青混合料的动稳定度增大、车辙变形量减小。这是因为：活化煤矸石颗粒阻碍沥青中分子链的运动能够降低沥青胶浆的流动变形[14]。另外，水镁石纤维由于自身吸附和加筋作用，在沥青混合料中能够起到增韧作用。当试件受到集中剪切作用时，随机分布的水镁石纤维相互搭接成网，将沥青混合料中的应力传递并释放，从而减小局部剪切应变[1516]。

随着活化煤矸石细度的进一步减小及水镁石纤维掺量的增加，沥青混合料的动稳定度逐渐增大；当掺入H2型煤矸石粉和05%的水镁石纤维时，沥青混合料动稳定度达到最大，变形量最小。当改性剂用量较少时，沥青混合料中水镁石纤维尚不能形成有效的空间网络结构，但随着改性剂用量进一步增加，分布在沥青中的煤矸石颗粒有效地阻止了沥青胶浆分子链的剪切流动；同时，随机分布的水镁石纤维逐渐形成了空间网络结构，有效地阻止了界面滑移，使沥青混合料抗剪能力得到明显改善[17]。

2.2小梁低温弯曲试验

小梁低温弯曲试验结果如图4所示。

图4小梁低温弯曲试验结果

由图4可知，相较于基准沥青混合料（填料为矿粉），活化煤矸石改性沥青混合料的低温性能略有下降；但当沥青混合料中掺入适量水镁石纤维时，沥青混合料的最大弯拉应变陡增。这是因为水镁石纤维的掺入使沥青混合料的油石比增大，加之水镁石纤维自身的桥接和加筋作用，提高了沥青混合料的低温抗裂性能。因此，活化煤矸石复合水镁石纤维对沥青混合料低温抗裂性能有大幅改善。

2.3冻融劈裂试验

可知，冻融劈裂强度比（TSR）随填料细度的减小而增大；TSR随纤维掺量的增加而增大，相较于基准沥青混合料，TSR提高了134%。表明活化煤矸石复合水镁石纤维能够大幅提高沥青混合料的水稳定性。这是因为：活化煤矸石和水镁石纤维的混掺，形成了更多的结构沥青以充分包裹矿料；纤维与沥青间产生吸附、扩散、化学键合和湿润作用，使沥青成单分子排列在纤维表面，形成牢固的沥青界面结构层，沥青胶浆粘结强度增大，沥青混合料水稳定性得到明显改善。

2.4活化煤矸石/水镁石纤维复合改性沥青混合料灰关联熵分析

采用灰熵法，分析填料各个特征因素对煤矸石粉/水镁石纤维复合改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性等的影响程度显著性。灰熵分析结果如所示。

可知，水镁石纤维在沥青胶浆中形成了较多局部三維网状结构，加之煤矸石对沥青温度敏感性的改善作用，极大地提高了沥青胶浆粘结及稳定矿料的能力。在沥青混合料中加入水镁石纤维后，由于机体与增强体材料性质差异，致使在复合界面附近产生残余应力应变场及纤维裂纹，这些残余应力应变场和纤维裂纹能引起周围材料弹性模量降低，从而起到释放裂纹区残余应变，降低应力集中因子的作用，提高沥青混合料的抗开裂能力。

此外，掺入纤维有助于提高沥青混合料抗水损害能力，这是因为纤维能改善沥青胶浆的韧性和强度，提高沥青混合料的整体性，促使沥青混合料水稳定性得到改善。

3结语

（1）通过煤矸石粉/水镁石纤维复合改性，沥青混合料的高温抗车辙性能显著提高；掺入H2型煤矸石粉和0.5%的水镁石纤维是最佳改性方案。

（2）活化煤矸石能够有效提高沥青混合料的低温抗裂性，掺入适量水镁石纤维后，改善效果更为显著；掺入H3型煤矸石粉和0.5%的水镁石纤维是最佳改性方案。

（3）活化煤矸石复合水镁石纤维能够大幅提高沥青混合料的水稳定性。

（4）影响煤矸石粉/水镁石纤维复合改性沥青混合料动稳定度、弯拉应变和冻融残留强度的最主要因素是纤维掺量。

（5）活化煤矸石对沥青温度敏感性的改善及水镁石纤维在沥青胶浆中形成空间网状结构，是沥青混合料路用性能提高的主要原因。endprint

参考文献：

[1]马朝鲜.复合改性橡胶沥青应用技术研究[J].筑路机械与施工机械化， 2015，32（12）：4648.

[2]付天岭，吴永贵，欧莉莎，等.不同氧化还原环境对煤矸石污染物质释放的影响[J].环境科学学报，2012，32（10）：24762482.

[3]邱欣，凌建明，张敏江.新型改性沥青混合料路用性能评价研究[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版， 2006， 22（6）：885889.

[4]张喜艳，王闻，王春.不同外掺剂改性沥青混合料路用性能对比研究[J].筑路机械与施工机械化， 2015， 32（7）：5963.