煤矸石对沥青混凝土性能的影响研究

马雪晴，魏世辉，焦亚军

(阜阳职业技术学院 建筑工程系， 安徽 阜阳 236000)

随着我国公路轴载与交通量的不断增长，对于市政道路、公路路面的材料耐久性、平整度、安全性以及经济性等方面都提出了愈来愈高的要求，尤其在高速公路的建设过程中，众多工程技术人员与专家都在不断研究优化路面材料的性能与道路结构设计，致力于延长公路路面的耐久性与提高工程建设的效率.

目前在公路建设中较多使用HMA(热拌沥青混凝土)，HMA的强度受到填充料、沥青及集料种类等多个因素的影响，其中对于热拌沥青混凝土性能影响作用较大的是填料，其对于沥青混合料的沥青-集料粘着性、水稳定性能、韧性、耐久度以及抗疲劳性都具有较大的影响.由此可见热拌沥青混凝土的性能受到填料的作用较大，必须从性能、经济等多个角度充分考虑选择合适的填充料.伴随近年来环保、节能等方面的要求愈来愈高，在公路工程建设过程中，众多技术人员均在致力于研究将废料回收利用于公路建造中，其中废陶瓷材料、生活焚烧垃圾、除尘器细粉、煤炭废料等材料运用于沥青混凝土的填料领域内均获得了不少研究成果.

作为一种得到广泛利用的资源材料，煤炭在相当长一段时间内都是人们最为主要的能源之一，自2014年起全球煤炭产量开始呈现出逐年下降的趋势，2016年全球的煤炭年产量为74.60亿吨，其中我国的煤炭年产量高达33.6亿吨，在全世界煤炭总产量占比中超过了1/4，然而在煤炭开采与洗煤过程中所排放的固定废物煤矸石的数量也大大增加，据统计我国煤矸石堆存量已超过30亿吨，而且每年依然保持着近1亿吨的排放量，属于我国排放量最大的固定废物之一，对环境造成了严重的污染.虽然目前已在发电、建筑材料、化工等多个领域研究利用煤矸石，但利用量仍然有待进一步加大.回收利用为建筑材料是有效解决煤矸石对环境造成污染的重要方式之一.本研究选取煤矸石作为研究对象，旨在研究沥青混合料中利用煤矸石作为填充料的效果.

1 试验材料

1.1 煤矸石样品

本研究中所使用的煤矸石样品来自于X市SH矿区洗煤厂，在试验中所使用的煤矸石均采用重力筛选的方法取得.

1.2 集料

本试验中所使用的集料采用连续级配，最大粒径为25 mm，通过加工处理具有良好的棱角性，试验采用标准为JTG E20-2011，经过加工处理后的集料力学性能如下表1所列.

表1 试验集料的力学性能参数

1.3 沥青

在本研究中使用85/100伊朗沥青，通过JTG E20-2011试验规程，测得试验用的沥青物理指标如下表2所列.

表2 试验用85/100沥青物理指标

1.4 填料

在本研究中所使用的填料共包括3类：煤矸石粉、石灰石粉和煤矸石灰，在全部集料中试验填料的质量占总质量的8%，通过X射线荧光光谱法对上述3类填料的主次量化学元素进行检测，并对填料的相对密度进行了测定.结果如下表3和表4所列.

表3 试验用填料的主次量化学成分分析

表4 试验用填料的相对密度

1.4.1 煤矸石灰

本试验对煤矸石粉分别在500 ℃、750 ℃、900 ℃以及1 100 ℃下进行燃烧处理，然后对其充分燃烧后所获得的煤矸石灰进行烧失量试验(LOI)，通过试验检测证实了煤矸石的烧失量数值大小随着燃烧所采用温度的升高而减小，考虑到在750 ℃之后，烧失量数值的下降趋势并不明显，几乎可以忽略不计，本研究测定煤矸石的燃点为750 ℃.通过上述填料化学成分分析表可知煤矸石灰的主要成分为二氧化硅、三氧化二铝及氧化铁，这3种化学成分的含量超过总量的80%.

1.4.2 煤矸石粉

本试验中从洗煤厂的煤矸石废料堆中选取相应的样品，首先将样品通过烘箱处理直至重量不发生变化，然后将煤矸石进行粉碎处理并将粉碎的煤矸石通过200目的集料筛进行筛取，获得最终用于试验的样品，一般而言，煤矸石粉中含有较多的火山灰，通过表3可知其还具有少量的氧化钙，与煤矸石灰、石灰石粉相比较，煤矸石粉的相对密度处于中等水平.

1.4.3 石灰石粉

目前在热拌沥青中较多使用石灰石粉作为填料，从表3试验用填料的主次量化学成分分析中可以看出，在石灰石粉中最为主要的成分是氧化钙与二氧化硅，由于氧化钙是一种碱性的化学物质，对于提升集料与沥青之间的粘结力具有较好的效果，同时有利于提升热拌混凝土的抗水化性.二氧化硅作为在粉末形态下，通过与石灰、水之间的混合作用能够生成硅质胶结物.

2 对沥青混凝土性能的影响试验

2.1 沥青混合料

本研究中依据JTG E20-2011试验规程制备热拌沥青混凝土样品，同时采用Marshall稳定度试验方法确定混合料沥青的最佳用量.

试验首先按照6%、5.5%、5%、4.5%、4%以及3.5%制作了6种合计18个沥青混合料试件，上述试件均采用石灰石粉作为填料，通过对比试验全部试件的VV、VMA、沥青饱和度、流值以及稳定度等各项沥青混合料技术指标，最终确定了沥青混合料中沥青含量采用5.3%.相关试验研究成果显示，不同类型的填料中沥青混合料的最佳沥青含量变动率小于2‰，为了对煤矸石粉、煤矸石灰以及石灰石粉对沥青混凝土性能的影响进行充分对比分析，本研究按照上述沥青最佳含量5.3%，分别了设计6种不同的填料方案，如表5所列.

表5 试验沥青混合料填料设计方案

2.2 Marshall稳定度试验

依据 JTG E20-2011试验规程对6种不同填料设计方案的沥青混合料试件进行测试，计算沥青混合料试件的流值、Marshall稳定度.流值(FV)反映了Marshall稳定度试验中沥青混合料试件在受到压力破坏时所发生的垂直变形大小，代表了HMA抗变形与抗沉降能力的大小，而Marshall稳定度则反应了HMA对抗车辙与抵抗挤压能力的大小.

2.3 ITS试验

本研究中采用间接拉伸强度(ITS)试验，对沥青混合料试件的拉伸强度进行测定，试验选取两个压条对沥青混合料圆形试件挤压，使得圆形试件上受到径向的拉伸压力直至沥青混合料发生劈裂破坏，沥青混合料的间接拉伸强度数值可通过公式(1)进行计算.

(1)

式中，Pmax表示最大荷载，单位：N/mm2；t表示沥青混合料圆柱试件厚度，单位：mm；d表示沥青混合料圆柱试件的直径，单位：mm；ITS表示沥青混合料圆柱试件的间接拉伸强度，单位：kPa.

2.4 单轴压缩试验

本研究根据JTG E20-2011试验规程对沥青混合料试件进行单轴压缩试验(圆柱体法)，以测定沥青混合料的抗压回弹模量，回弹模量是一种评估材料弹性能力的指标.对于大部分公路路面材料通常并不具备显著的弹性，施加载荷后均会造成永久的变形.若是加载与材料自身的强度相比较不是那么大，同时经过反复多次施加载荷后都可以基本完全回复的状况下，施加载荷与材料变形则成线性比例关系，该类材料也可等同视作具有弹性的材料.在单轴压缩试验中，采用2 mm/min速率增加载荷至0.2P(P为破坏载荷峰值)进行1 min的持续预压，然后按照0.1P、0.2P、0.3P……逐步加载至0.7P，计算各个级别荷载的回弹变形Δli，沥青混合料试件的回弹模量按照公式(2)进行计算：

(2)

式中，E′表示沥青混合料试件的抗压回弹模量，单位：MPa；Q5表示加载至0.5P时的荷载压强，单位：MPa；h表示沥青混合料试件的轴心高度，单位：mm；Δl5表示加载至0.5P时经过原点修正后的回弹变形量，单位：mm.

2.5 水稳性试验

在本研究中，为了综合对比评估3种不同类型填料条件下的沥青混合料试件的水稳性，分别选择Marshall稳定度试验与浸水Marshall稳定试验、ITS试验以及单轴压缩试验作为对沥青混合料试件水稳性的评价指标.

第一类评价指标，使用Marshall稳定度试验对沥青混合料的水稳性进行评测.沥青混合料试件的MSR(残存稳定度)可通过公式(3)计算.

(3)

式中，MSR表示混合料的残存稳定度；Md表示60 ℃浸水条件下养护0.5小时后3个沥青混合料试件稳定度的平均值；Mr表示60 ℃浸水条件下养护24小时后3个沥青混合料试件稳定度的平均值.

第二类评价指标，使用间接拉伸强度试验对沥青混合料试件的水稳定性进行评测.按照浸水条件与非浸水条件将沥青混合料试件划分为2组，将前1组置于真空浸水环境中，使沥青混合料试件充分吸水，直至饱和度上升至80%为止，然后将两组试件分别进行间接拉伸强度试验，计算各个时间的残存强度比(TSR)，该指标用于描述HMA的抗剥落性能，一般来说热拌沥青混凝土的残存强度比最小值需满足0.80.

(4)

式中，Stcon表示浸水条件下沥青混合料试件间接拉伸强度的平均值，单位：kPa；Stunco表示非浸水条件下沥青混合料试件间接拉伸强度的平均值，单位：kPa.

第三类评价指标，通过单轴压缩试验计算沥青混合料试件的回弹模量，同样分别进行浸水条件下与非浸水条件下两种试件的回弹模量对比，从而计算出SMR(残存劲度比)的数值大小，一般来说热拌沥青混凝土的残存劲度比最小值需满足0.80，可通过公式(5)予以计算：

(5)

式中，Econ表示浸水条件下沥青混合料试件回弹模量的平均值，单位：MPa；Eunco表示非浸水条件下沥青混合料试件回弹模量的平均值，单位：MPa.

2.6 煤矸石沥青胶浆的流变性能试验

借助布氏黏度仪、弯曲梁流变仪以及动态剪切流变仪对煤矸石沥青胶浆进行研究分析，获取相应的蠕变劲度模量S、重复蠕变劲度的黏性部分Eμ.

3 试验结果分析与模型构建

本研究试验结果分析共分为两个部分，首先对表5中所设计前5种不同类型填料设计方案(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%)的沥青混合料试件的性能予以对比分析，接着对3种仅添加单一填料(煤矸石灰、煤矸石粉、石灰石粉)的沥青混合料试件的性能予以对比分析.

3.1 Marshall稳定度试验结果

沥青混合料试件的Marshall稳定度试验结果如图1所示.从图1中可以分析出沥青混合料试件在添加了煤矸石粉后稳定度增加了，随着煤矸石粉的添加量不断增加，稳定度不断提升，其中在完全没有添加煤矸石粉沥青混合料试件(S100)的Marshall稳定度数值最低，完全添加煤矸石粉沥青混合料试件(MF100)的Marshall稳定度数值最高.通过图1可以看到5种不同类型的沥青混合料试件在Marshall稳定度上均超过了8kN，满足重载交通环境下的最低要求.

图1 沥青混合料试件Marshall稳定度试验结果对比

3.2 间接拉伸强度试验结果

间接拉伸强度试验结果如图2所示.与图1比较，沥青混合料试件的间接拉伸强度变化规律与Marshall稳定度的变化规律不太一样，完全添加石灰石粉的沥青混合料试件(S100)在间接拉伸强度上略高于完全添加煤矸石粉，而采用煤矸石粉与石灰石粉各50%(S50MF50)沥青混合料试件的间接拉伸强度显著高于其它沥青混合料试件，是试验中最优的填料设计方案.

图2 沥青混合料试件间接拉伸强度试验结果对比

3.3 单轴压缩试验结果

单轴压缩实验结果如图3所示.从图3可以分析出：随着沥青混合料试件中煤矸石粉在填料中所占的比例不断加大，沥青混合料试件的回弹模量不断变大，然而当完全利用煤矸石粉作为填充料时，沥青混合料试件的回弹模量则反而有所减小，其中煤矸石粉75%+石灰石粉25%(S75MF25)沥青混合料试件的回弹模量数值最大.从表3中可知在煤矸石灰的化学组分中包含有二氧化硅与三氧化二铝，这些是火山灰的主要成分之一，有利于提升集料-沥青的粘结能力，同时对于增强沥青内部的聚合力有着显著的作用，从而对整个沥青混合料试件的回弹模量予以提升.

图3 沥青混合料试件单轴压缩试验结果对比

此外，石灰石粉中由于含有46.88%氧化钙的成分，同样也有利于提高沥青混合料内部集料与沥青之间的粘结能力，进一步提升了沥青混合料试件的强度.

对比S100沥青混合料试件可知：添加了煤矸石粉后，沥青混合料试件在抗压回弹模量与Marshall稳定度上得到了提升，从相对密度角度证明煤矸石粉要小于石灰石粉，使得其拥有更大的材料表面积，与集料、沥青所接触的面积更大，可以获得更强的作用效果，使得黏聚力得到提升.

3.4 水稳定性试验结果

水稳定性试验结果如图4所示.试验分别从沥青混合料的残存稳定度(MSR)、残存强度比(TSR)和残存劲度比(SMR)3个指标对沥青混合料的水稳定性进行分析，从图4可以看出全部沥青混合料试件的MSR、TSR、SMR数值均基本满足最小值80%的要求.其中，S25MF75的MSR数值最大，S75MF25的TSR数值最大，S50MF50的SMR数值最大.

图4 沥青混合料试件水稳性试验结果对比

从水稳定性的3个指标分析，完全采用煤矸石粉作为填料的沥青混合料试件MF100与完全采用石灰石粉作为填料的沥青混合料试件较为相似.

通过试验结果可分析出：在提升沥青与集料之间的粘结力方面，煤矸石粉具有显著的作用，同时使用煤矸石粉与石灰石粉两种填料可以取得更好的水稳定性，特别是S75MF25试件，其残存强度比甚至超过了100%，这一点是由于煤矸石粉与石灰石粉所含有的氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝等化学组分在浸水条件下可产生黏性物质所引起的强度提升.

3.5 石灰石粉、煤矸石粉、煤矸石灰3种混合料对比分析

S100(石灰石粉)、MF100(煤矸石粉)、MH100(煤矸石灰)3种沥青混合料试件的主要性能指标对比如表6所列，从表中可分析出如下结果.

表6 3种混合料指标对比

(1)沥青混合料试件以煤矸石灰作为填料后，其在Marshall稳定度、间接拉伸强度以及抗压回弹模量上显著高于MF100与S100两种沥青混合料试件，而这与煤矸石灰的化学组分有关，由于煤矸石在通过燃烧处理后，其所含有的火山灰组分的比例提升，促进了集料—沥青之间黏结能力的提高.但是沥青混合料在添加煤矸石灰后其VV数值有所降低；

(2)3种沥青混合料试件的水稳定性指标(残存稳定度、残存强度比、残存劲度比)均超过了最小值80%的要求，其中煤矸石灰试件MH100的水稳定性最好.

3.6 煤矸石沥青胶浆高的流变性能试验结果与建模分析

(1)高温条件下的流变性能试验

选取动态剪切流变仪进行试验，在60 ℃条件下施加100 Pa的蠕变应力，作用频率为1.60 Hz，施加荷载1秒，然后卸去荷载9秒，如此反复进行100个循环，分别采用粉胶比为1.8、1.5、1.2、0.9、0.6、0.4、0的配比，最终对实验结果进行分析，可知粉胶比与沥青胶浆Eμ之间存在着一定指数函数相关性，构建回归方程：

Y=CeBX，

(6)

式中，Y表示沥青胶浆的Eμ值(重复蠕变劲度的黏性部分)；B、C为相关的回归常数；X=F/A，表示沥青胶浆的粉胶比.

(2)低温条件下的流变性能试验

在-10℃的条件下借助弯曲梁流变仪进行试验，通过对实验结果分析，同样可构建回归方程如下：

Y′=EeDX，

(7)

式中，Y′表示沥青胶浆的S值(蠕变劲度)；D、E为相关的回归常数；X=F/A，表示沥青胶浆的粉胶比.

(3)煤矸石沥青胶浆黏度-温度特性分析

为进一步分析热拌沥青混凝土在抗永久变形方面所受填料类型的作用，本研究针对石灰石粉、煤矸石粉、煤矸石灰3种填料条件下的沥青胶浆，还进行了运动黏度试验，粉胶比例采用1：1，其黏度-温度变化规律对比如图5所示.

从图5可以分析出，煤矸石灰所制成的沥青胶浆在黏度上均大于煤矸石粉与石灰石粉，由此可看出沥青混合料的抗压弹性模量在添加煤矸石灰后虽然得以增高，但是其抵抗变形的能力也有所下降.

图5 黏度-温度对比

从图5中可以分析出来，沥青胶浆的黏度随着温度的升高逐渐降低，热稳定性降低，由于沥青对温度的敏感性较强，在低温时黏度较大，高温时黏度较小，黏度-温度的变化规律在一定程度上综合反应了沥青混合料的温度感应性.在前述试验的基础上，本研究构建黏度-温度指数模型如下：

(8)

式8中，VTS表示黏度-温度指数，当其数值绝对值越大，则代表黏度对温度变化作用越大；T表示绝对温度，单位：℃；μ1、μ2表示不同温度T1、T2条件下的黏度，单位：Pa·s.

从上述实验结果中可以看出沥青混合料选择煤矸石灰作为填料，可以较好地提升其性能指标，然而考虑到制备煤矸石灰相比煤矸石粉，还需燃烧处理，购置相应的设备，增加生产成本，在制备的过程中消耗额外的能源并给环境带来不利的影响.煤矸石粉则同样可以提升热拌沥青湖凝土的性能，也具有良好的水稳定性，生产成本更低，对环境影响较小，由此应当优先考虑煤矸石粉作为沥青混凝土的填料.

4 结论

通过本研究主要得出如下结论：①相较于一般添加石灰石粉的沥青混凝土，利用煤矸石灰、煤矸石粉均对沥青混凝土的性能有提升作用，提高了热拌沥青混合料的ITS、抗压回弹模量以及Marshall稳定度；②在热拌沥青混合料中，同时使用50%石灰石粉+50%煤矸石粉可以使得沥青混合料的性能得到充分优化，建议按照上述配比作为填料的优化方案；③比起煤矸石粉，煤矸石灰在对沥青混凝土性能提升上稍弱，但是从生产成本、能源消耗、对环境的影响3个角度考虑，煤矸石灰具有更大的优势，可以予以推广作为填料使用.