粉煤灰/聚酯纤维沥青混合料马歇尔试验研究

2020-05-19吴金荣宋风宁崔善成

硅酸盐通报 2020年4期

吴金荣，李飞，宋风宁，崔善成

(1.安徽理工大学土木建筑学院，淮南 232001;2.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，淮南 232001)

0 引言

沥青路面具有振动小、表面平整、行车舒适、噪声低等优点，在国内外道路工程上得到了广泛的应用[1-4]，在美国高等级公路中，90%以上都是沥青路面，而我国已建成的高速公路中沥青路面达到95%以上[5-7]。沥青混合料的填料一般是由中强基性岩石的憎水性石料磨细而得，如石灰、水泥、硅藻土粉等。在煤的使用过程中，积累了大量的粉煤灰，不仅占用土地资源，粉煤灰中的有毒有害物质也会随着雨水渗入周围土地中，对地下水资源造成污染，如能将粉煤灰合理利用到沥青混合料中，不仅可以节省矿粉，也可以达到将粉煤灰“变废为宝”的目的。张宝龙等[8]发现经表面修饰技术改性后的粉煤灰可有效地提高沥青混凝土的路用性能，为粉煤灰“变废为宝”再利用提供了试验数据依据。焦宝祥等[9]对掺加粉煤灰的沥青混合料进行研究，发现粉煤灰的掺入可以提高沥青混合料的水稳定性能，并且沥青混合料的饱和度、空隙率与加矿粉的沥青混合料相同。吴平[10]、王海峰[11]、陈凯[12]等通过粉煤灰特性对沥青混合料高低温性能的研究，表明影响混合料路用性能的主要因素是粉煤灰的多孔结构以及比表面积。周松涛等[13]将粉煤灰作为填料用于拌制沥青混合料，采用马歇尔试验方法进行室内试验，试验结果表明：粉煤灰代替矿粉作填料的沥青混合料各项技术指标均能满足规范[14]要求。

此外，为了提升沥青混合料的路用性能，可以在沥青混合料中添加一些纤维，常见的纤维有聚酯纤维、玄武岩纤维以及木质纤维[15]等。沙莎[16]研究了聚酯纤维对沥青混合料的高温性能影响，发现混合料的高温性能提高约30%；通过四点弯曲疲劳性能试验，发现聚酯纤维沥青混合料的疲劳寿命提高了150%。国内外学者[17-22]对聚酯纤维、玄武岩纤维和木质纤维进行了沥青混合料的路用性能研究，发现三种纤维都可以提高沥青混合料的力学性能，但就实际工程及生产成本而言，聚酯纤维更适于工程应用。聚酯纤维是合成纤维，具有良好的分散性，抗拉强度高，能与沥青混合料很好地融合而被广大学者应用于沥青混合料中。因此试验所用的纤维为聚酯纤维。以往研究只针对单一掺量对沥青混合料的高温性能影响，而对粉煤灰和聚酯纤维共同作用下沥青混合料的高温性能及其内部微观结构研究较少。

本文在已有研究成果的基础上，开展了粉煤灰与聚酯纤维共同作用下沥青混合料的高温性能研究，通过马歇尔试验和扫描电镜(SEM)试验，分析不同粉煤灰和聚酯纤维掺量下沥青混合料的马歇尔稳定度、流值和马歇尔模数的变化规律及其作用机理，为粉煤灰和聚酯纤维在道路工程中的应用提供理论依据。

1 实验

1.1 材料

1.1.1 沥青

试验使用沥青为70#重交石油沥青，基本性能如表1所示。

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

1.1.2 集料及填料

沥青混合料中的矿料可按粒径大小分为粗骨料、细骨料和填料，试验所用粗、细骨料均为淮南产石灰岩碎石、石屑等，填料采用河北灵寿县产石灰岩S95级矿粉，粉煤灰采用淮南平圩电厂生产的粉煤灰，矿粉及粉煤灰的化学组成如表2所示，各项物理指标如表3所示，其各项指标满足规范用料要求。测试粉煤灰的pH值，发现其偏碱性。而碱性填料与沥青具有更好的粘结力，可以提高沥青混合料的马歇尔稳定度[11-12]。

表2 矿粉与粉煤灰的化学组成Table 2 Chemical composition of mineral powder and fly ash /%

表3 矿粉与粉煤灰的物理指标Table 3 Physical indicators of mineral powder and fly ash

1.1.3 聚酯纤维

试验采用的聚酯纤维长度为(12±2) mm，各项指标参数如表4所示。

表4 聚酯纤维指标Table 4 Indicators of polyester fiber

图1 矿料级配图Fig.1 Aggregate gradation map

1.2 试验设计

1.2.1 矿料级配

本次试验采用的级配为AC-13型，根据规范要求，采用级配上下限的中值作为目标试验级配，级配组成如图1所示。

1.2.2 最佳油石比

根据JTG E20—2011[23]马歇尔试验方法制备沥青混合料试件，每组四个平行试件。并由马歇尔稳定度、流值和毛体积相对密度确定沥青最佳油石比为5.4%。但由于纤维的掺量增加，最佳油石比也会相应的增加[24]，试验中最佳油石比与聚酯纤维掺量的关系如表5所示。

表5 聚酯纤维掺量与油石比关系Table 5 Relationship between polyester fiber content and optimum oil-stone ratio /%

1.2.3 马歇尔稳定度试验

马歇尔稳定度表征了沥青混合料抗挤压和抗车辙能力，流值则反映了沥青混合料在未开裂情况下抵抗逐步沉降和变形能力。以此评价粉煤灰/聚酯纤维沥青混合料的高温性能。本文采用JTG E20—2011[23]马歇尔稳定度试验方法测定沥青混合料试件的马歇尔稳定度、流值。并由公式(1)计算马歇尔模数T。试验温度为60 ℃，加载速率为(50±5) mm/min。

(1)

式中,T为马歇尔模数，kN/mm；MS为马歇尔稳定度，kN；FL为流值，mm。

2 结果与讨论

2.1 马歇尔稳定度分析

根据试验结果绘制粉煤灰掺量、聚酯纤维掺量与马歇尔稳定度的关系图如图2、图3所示。

图2 马歇尔稳定度与粉煤灰掺量关系Fig.2 Relation between Marshall stability and flyash content

图3 马歇尔稳定度与聚酯纤维掺量关系Fig.3 Relation between Marshall stability and polyesterfiber content

从图2可以看出，不同粉煤灰掺量下的沥青混合料的马歇尔稳定度均符合重载交通条件下稳定度不小于8 kN的要求，且稳定度随粉煤灰掺量的增加呈现先上升后下降的趋势。当粉煤灰掺量在0%～80%时，沥青混合料的马歇尔稳定度上升。由于粉煤灰有比矿粉密度小、颗粒细的特点[25]，在同等质量掺量下具有比矿粉更大的体积，可以填充更多的缝隙，使沥青混合料试件更加密实。其次粉煤灰在一定程度上增加了沥青胶浆的粘结力，从而增加沥青混合料的马歇尔稳定度。当粉煤灰掺量在80%时，试件稳定度达到最大值，只有聚酯纤维掺量为0.5%时，沥青混合料稳定度最大值出现在粉煤灰掺量为60%而不是80%。这是由于0.5%的聚酯纤维在沥青混合料中分布不均匀，粉煤灰又是一种中空微珠结构，在沥青中具有一定的流动性，聚酯纤维和粉煤灰耦合作用下使沥青混合料的马歇尔稳定度提前达到最大值。在聚酯纤维掺量为0%、0.3%、0.4%、0.5%时，不同粉煤灰掺量下的沥青混合料的马歇尔稳定度最大值分别为9.59 kN、10.11 kN、10.87 kN、9.86 kN，比不掺粉煤灰的沥青混合料的稳定度分别提升了12.16%、8.48%、11.15%、8.71%。在粉煤灰掺量大于80%时，其稳定度不增反减，说明不宜使用粉煤灰完全的来代替矿粉，粉煤灰的最佳掺量值应不大于80%。

从图3可以观察到，相同粉煤灰掺量下沥青混合料的马歇尔稳定度随着聚酯纤维掺量的改变呈先上升后下降的趋势。在聚酯纤维掺量为0%～0.4%时，马歇尔稳定度上升。少量的聚酯纤维可以在沥青混合料中均匀分散，形成三维网状结构，紧紧地裹住集料，增加集料之间的摩擦力。其次，聚酯纤维在混合料中具有加筋的作用，试件在受力变形时聚酯纤维可以抵抗一部分荷载，使马歇尔稳定度逐渐增大。在聚酯纤维掺量为0.4%时，不同粉煤灰掺量下的稳定度均达到最大值。在粉煤灰掺量分别为0%、20%、40%、60%、80%、100%时，各聚酯纤维掺量下沥青混合料马歇尔稳定度的最大值分别为9.78 kN、9.97 kN、10.31 kN、10.63 kN、10.87 kN、10.04 kN，比不掺聚酯纤维沥青混合料的稳定度分别提升了14.39%、11.15%、11.82%、11.54%、13.35%、10.57%。当聚酯纤维掺量大于0.4%时，大量的聚酯纤维掺入沥青混合料中，搅拌不均匀，致使其在混合料中相互打结、缠绕并隔离集料，使得混合料内部空隙率增大，进而影响混合料整体稳定度。除此之外，在进行马歇尔稳定度试验时需对试件进行60 ℃水浴保温，成团聚酯纤维间的间隙具有毛细作用，水分会沿着间隙进入试件内部对试件侵蚀，阻止沥青与集料之间的相互粘结，降低沥青与集料间的粘结力，从而降低沥青混合料的稳定度。

2.2 流值分析

根据试验结果分别绘制粉煤灰掺量、聚酯纤维掺量与流值的关系图如图4、图5所示。

从图4可以看出，流值的变化规律为：随着粉煤灰掺量的增加，流值先减少后增大。在粉煤灰掺量低于40%时，沥青混合料的流值逐渐减小。主要是因为少量粉煤灰的添加可以填充矿粉不能填充的空隙，增强了整体强度；其次粉煤灰比表面积大，吸附的沥青轻质组分越多，沥青胶浆的粘滞阻力越大，其抗变形能力[11-12,26]就越强；最后，在进行试验时需要水浴加热，粉煤灰的亲水系数低于矿粉，在一定程度上减少了水的侵蚀，增强其稳定性。当粉煤灰掺量为40%时，流值达到最小值。在聚酯纤维掺量分别为0%、0.3%、0.4%、0.5%时，不同粉煤灰掺量下的沥青混合料流值最小值分别为2.50 mm、2.42 mm、2.47 mm、2.90 mm，比粉煤灰掺量为0%时的流值分别降低了3.45%、6.20%、4.82%、11.44%。当掺量超过40%时，流值逐渐增大，这是因为粉煤灰具有一定的润滑作用，过多的掺入粉煤灰会使集料之间产生滑移，使得沥青混合料强度下降，抗变形能力减弱，从而使流值增加。所以，单从流值这一方面来看，粉煤灰掺量的最优值应在40%左右。从图中还可以发现，当聚酯纤维掺量为0.5%时，流值波动性较大，规律不如掺量为0%、0.3%、0.4%的明显，这是由于过多掺入聚酯纤维会导致其在混合料中分布不均匀[27]，聚酯纤维之间有打结、缠绕现象，从而使试验结果差异较大。

图4 流值与粉煤灰掺量关系Fig.4 Relation between flow value and fly ash content

图5 流值与聚酯纤维掺量关系Fig.5 Relation between flow value and polyester fiber content

从图5中可以看出，沥青混合料的流值随着聚酯纤维的增加呈现先减小后增大的趋势。当聚酯纤维掺量为0.3%时，沥青混合料的流值均达到最小值(除粉煤灰掺量为100%外)。在粉煤灰的掺量为0%、20%、40%、60%、80%、100%时，不同聚酯纤维掺量下的最小流值分别为2.58 mm、2.45 mm、2.42 mm、2.58 mm、2.70 mm、2.85 mm，比不掺聚酯纤维掺量的流值分别上升了0.26%、4.20%、3.10%、0.49%、3.57%、6.25%。这是由于少量的聚酯纤维在沥青混合料中可以均匀的分布，纵横交差的加筋与桥接作用能降低沥青的流动性，限制集料的位移；其次聚酯纤维的断裂伸长率较大，具有一定的弹性，可以在一定荷载范围内使试件发生较大的变形而不被破坏。随着聚酯纤维掺量的增加，沥青混合料的流值也相应的增加。但聚酯纤维掺量在0.3%～0.4%之间时，流值变化比较平缓。据此可以判断，沥青混合料中的聚酯纤维的最佳掺量在0.3%～0.4%之间。当聚酯纤维掺量大于0.4%时，流值变化迅速。尤其是在0.5%的掺量下，沥青混合料的流值大于未掺聚酯纤维的流值。说明过多的聚酯纤维不仅没有起到增强的作用反而降低了沥青混合料抗变形能力。

2.3 马歇尔模数分析

由马歇尔稳定度和流值计算马歇尔模数并绘制粉煤灰掺量、聚酯纤维掺量与马歇尔模数的关系图如图6、图7所示。

马歇尔模数由公式(1)计算得出，马歇尔模数间接地反映了沥青混合料的高温稳定性。即马歇尔模数越大，沥青混合料的高温性能越好。据图6可以看出马歇尔模数随粉煤灰掺量的增加呈现先上升后下降的趋势，当粉煤灰的掺量较大时，马歇尔稳定度在降低，流值在增大，致使马歇尔模数下降。在粉煤灰掺量为40%时，不同的聚酯纤维掺量的马歇尔模数均达到最大值。当聚酯纤维掺量为0%、0.3%、0.4%、0.5%时，沥青混合料马歇尔模数最大值分别为3.69 kN/mm、4.04 kN/mm、4.18 kN/mm、3.23 kN/mm，比未掺入粉煤灰的马歇尔模数分别增加了11.67%、11.73%、10.82%、16.65%。在粉煤灰掺量为40%时，沥青混合料平均马歇尔模数比不添加粉煤灰的平均马歇尔模数提升了11.65%。从图7可以看出，聚酯纤维掺量为0.4%时，各粉煤灰掺量下马歇尔模数最大值分别为3.77 kN/mm、3.98 kN/mm、4.18 kN/mm、4.07 kN/mm、3.91 kN/mm、3.49 kN/mm，比未掺入聚酯纤维的马歇尔模数分别增加了14.11%、13.56%、13.24%、10.62%、14.22%、16.59%，不同掺量下的粉煤灰沥青混合料的高温性能均达到最优。通过对比发现，0.4%的聚酯纤维掺量下的沥青混合料的平均马歇尔模数比未掺聚酯纤维沥青混合料的平均马歇尔模数增加了13.70%，说明聚酯纤维最佳掺量为0.4%。当聚酯纤维掺量大于0.4%时，马歇尔模数呈现下降趋势且下降较快。由于马歇尔模数间接反映了沥青混合料的抗变形能力，试件的马歇尔模数越大，试件的抗变形能力就越强。因此，在保持沥青混合料的高温性能的同时也要保持沥青混合料的抗变形能力。综上所述，聚酯纤维掺量应控制为0.4%左右。

图6 马歇尔模数与粉煤灰关系Fig.6 Relation between Marshall modulus and flyash content

图7 马歇尔模数与聚酯纤维掺量关系Fig.7 Relation between Marshall modulus and polyesterfiber content

2.4 微观机理分析

2.4.1 粉煤灰微观机理分析

粉煤灰和矿粉都可以作为沥青混合料的填料，但这两种填料仍存在着差别。这些差别不仅表现在化学成分组成和含量上，还表现在物理形态上。通过电镜扫描来分析这些差别带来的不同作用。

图8 粉煤灰在沥青混合料的形态Fig.8 Morphology of fly ash in asphalt mixture

通过对图8(a)的观察，可以看出，当填料都是矿粉时，所有矿粉几乎都被沥青包裹。与沥青结合之后，矿粉表面并没有产生明显的空隙，整个区域油亮且光滑。由于粗集料的存在制造了大量的空隙，矿粉并没有完全的填补，这就为沥青混合料在高温下的变形预留了潜在因素。

由图8(b)可以看出，当粉煤灰掺量为40%时，整个可视区域呈现比较紧密状态，填补了矿粉不能填充的空隙，减少了沥青混合料的空隙率，使沥青混合料更加密实。粉煤灰在沥青中最理想的状态是以细微的单颗粒均匀、稳定的分散在沥青中，粉煤灰表面为多孔性蜂窝状组织，具有较大的比表面积以及较大的空隙率[28]，使两种填料相互勾芡挤压，使其受力不平衡，自身所具有的吉布斯自由能无法释放。根据能量最低理论，与沥青结合后会吸收沥青以达到能量平衡，进而达到平衡稳定状态。混合料在与沥青结合过程中，粉煤灰粗糙且蜂窝状的表面吸附的矿粉粉末会与沥青相互作用，产生范德华力，进而提高沥青、矿粉以及粉煤灰之间的内粘聚力，为提升沥青混合料的高温性能创造良好的条件。

由图8(c)可以看出，当粉煤灰掺量为80%时，整个区域的空隙明显居多。首先，粉煤灰是无机纳米级粉尘，与沥青有机物界面性质不同，二者的亲和力较差，导致粉煤灰不易均匀分散[28]。间接说明粉煤灰并不能完全替代矿粉以及填充所有的空隙。其次，粉煤灰具有较大的比表面积的优点起到相反的作用，粉煤灰因自身的聚集效应而形成中空抱团结构阻碍了沥青浸润。在受到荷载作用时，这些有空隙的地方就会造成应力集中，使沥青混合料过早的失去稳定性，降低沥青混合料的高温性能。

2.4.2 聚酯纤维微观机理分析

试验借助扫描电镜分析了粉煤灰掺量为20%时的聚酯纤维在沥青混合料中的作用与机理，如图9所示。

图9 聚酯纤维在沥青混合料中的形态Fig.9 Morphology of polyester fiber in asphalt mixture

通过对图9(a)～(d)的观察，可以发现沥青、集料、矿粉、聚酯纤维以及粉煤灰五者之间具有良好的粘结状态。在沥青混合料中矿粉几乎完全被包裹，而粉煤灰则是半依附在聚酯纤维上，这就导致原本光滑无比的表面变得粗糙。良好的吸油率使得聚酯纤维具有很强的吸附沥青的能力，其次，聚酯纤维单丝具有较强的抗拉强度。增加了聚酯纤维在沥青混合料的抗拔能力，进而改善了沥青混合料的高温抗变形能力。

图9(b)可以观察到聚酯纤维半嵌入沥青混合料的形态，沥青混合料在高温下变形就需要先把聚酯纤维与沥青之间的粘结力和摩擦力抵消，这也间接说明聚酯纤维的掺入可以改善沥青混合料的高温变形能力。与此同时，还发现当聚酯纤维掺量为0.3%时，并没有形成网状的三维结构而是单丝成个的单独分布在混合料中。出现在同区域的聚酯纤维的根数较少，其产生的阻力作用也就不明显。

由图9(c)可以看出，当聚酯纤维的掺量为0.4%时，在同一区域可供捕捉的聚酯纤维根数逐渐增多并在沥青混合料中形成网状结构，同时还可以发现多根聚酯纤维呈平行式半嵌入混合料中。聚酯纤维在沥青混合料中形成较稳定的三维网状结构，加之粗、细骨料、填料以及沥青的填充，共同构成一个密实的结构体，抵抗高温变形的能力发挥到最优。

图9(d)可以观察到聚酯纤维沥青混合料的分布不均，同区域的聚酯纤维居多、多根缠绕、打结。掺量0.5%的聚酯纤维在混合料中并没有很好的分布。通过观察，发现0.5%的聚酯纤维掺量在混合料中制造多处镂空，聚酯纤维构造出的网状结构不仅没有起到加筋与桥接的作用反而阻碍了沥青与填料的填充。在试验时极易引起应力集中，使试件顺势破坏，进而降低沥青混合料的高温性能。