煤矸石乳化沥青混合料参数优化及强度机理研究

陈东　汤彬彬　卢达　蒋博

摘要：文章在正交试验的设计理念下，研究影响煤矸石乳化沥青混合料性能的因素。通过对材料组成进行优化分析，采用浸水马歇尔试验评价其水稳定性，并从微观角度分析煤矸石乳化沥青混合料的强度形成机理。结果表明：煤矸石乳化沥青混合料中最佳组合掺量为乳化沥青7.5%、煤矸石5%、水5.5%;乳化沥青混合料的抗水损害能力与煤矸石掺量的增加成正比;从微观角度看，煤矸石乳化沥青混合料的强度是由煤矸石水化产物和沥青共同胶结形成的，水化产物CaCO3填充内部空隙是提高混合料水稳定性的关键。

关键词：煤矸石;乳化沥青混合料;参数优化;强度;机理研究

中图分类号：U416.02

0 引言

乳化沥青混合料搅拌是在常温下进行，摊铺过程中无须加热，在降低成本的基础上减少了环境污染和能源消耗，但其存在着早期强度差、破乳速度慢、水稳定性差等缺点，严重制约了其推广应用。我国每年排放丢弃约2亿～3亿t工业废渣煤矸石[1]，本研究在采用煤矸石粉末解决乳化沥青混合料缺点的同时，寻找一种高效利用工业废渣煤矸石的有效途径[2]。

Mohsen等分析了煤矸石集料的物理力学性能，表明煤矸石集料除含有扁平和细长颗粒外，均能满足规范要求[3]。2015年杨晓凯等根据室内试验的研究结果确定经活化煤矸石改性后沥青胶浆的抗剪强度和高温性能大幅提升，但低温性能变化不大，研究成果为活化煤矸石替代矿粉作为沥青混合料填料提供了参考依据[4]。2016年张映雪等在乳化沥青冷再生混合料中添加煤矸石和煤矸石灰预提高其综合性能，研究成果表明掺入煤矸石及煤矸石灰后冷再生沥青混合料的马歇尔稳定度、抗拉强度等力学性能均有显著提高，进一步研究发现煤矸石灰在提高抗水损害方面优于煤矸石[5]。2017年熊锐等在研究煤矸石粉、水镁石纤维改性沥青混合料路用性能时发现煤矸石粉可有效改善沥青胶浆的温度敏感性，而水镁石纤维在沥青胶浆中可形成三维网络增强结构，这是提高沥青混合料路用性能的关键[6];同年冯新军等进一步研究发现煤矸石灰沥青混合料在降低煤矸石环境污染的同时可获得与普通硅酸盐水泥混凝土[JP+1]相同的力学性能[7]。2019年洪荣宝选用煤矸石粉等量代替矿粉作为填料以及同时增加聚酯纤维作为增韧材料形成沥青混合料，由SCB试验和扫描电镜试验结果可知，煤矸石代替50%矿粉时沥青混合料内部空隙较少、结构致密，抗裂性能最优，而聚酯纤维在沥青混合料中的掺量为0.4%时分散性最好，整体强度和抗裂性最优[8]。

本文在正交试验设计的基础上，研究了影响煤矸石乳化沥青混合料性能的因素，并对其材料组成参数进行了优化，考虑到两个因素的耦合效应，采用浸水马歇尔试验对其水稳定性进行评价。最后，从微观角度分析了煤矸石乳化沥青混合料的强度形成机理。

1 原材料技术性能

1.1 原材料

本文采用自制的慢裂快凝阳离子乳化沥青，蒸发残留物含量为62.0%，其各项指标满足规范要求，如表1所示。乳化沥青混合料中粗、细集料均为本地生产的石灰岩石料，试验前应对其力学性能指标进行检查，合格后方可使用。本研究使用的煤矸石粉来自电厂产生的废煤矸石，经磨细过0.3 mm方孔筛形成。通过X射线荧光分析可知煤矸石是一种低钙矿物，SiO2、Al2O3含量合计高达85%，具有类似于水泥的高活性，其化学成分如表2所示。

1.2 混合料级配

乳化沥青混合料主要用于沥青路面中下面层，目前行业内对于级配类型的选择没有一定的标准。根据已有文献成果可知乳化沥青混合料采用密级配性能较好，所以本研究采用AC-25C级配类型，级配曲线如图1所示。

2 试验方法

本研究在正交试验设计的理念下采用马歇尔试验研究煤矸石乳化沥青混合料性能的影响因素。正交试验设计参数包括煤矸石掺量、乳化沥青用量、外掺水量，如表3所示。根据规范要求采用圆柱形马歇尔击实试件，高度为63.5 mm，直径为101.6 mm。为了使煤矸石粉在混合料中分散均匀，先将煤矸石与矿粉、集料混合均匀，然后加入乳化沥青形成煤矸石乳化瀝青混合料。试件击实成型分两个阶段进行：第一个阶段对正反面分别击实50次;第二阶段在60 ℃烘箱中养护24 h后再进行正反面击实25次。同时本研究通过浸水马歇尔试验评价其水稳定性。

3 试验结果分析

3.1 影响因素分析

依据上述试验参数和方法严格按照规范进行马歇尔试验，试验结果如表4所示。对试验结果进行极差分析，研究各参数对试验结果的影响权重，如表5所示。表5中极差越大表示该因素对试验结果的影响越大，[WTB1X]K[HTXH]值越大表示该因素对应试验结果存在极值。

由表5的极差分析结果可知，外掺水量对煤矸石乳化沥青混合料的稳定度影响最大，煤矸石掺量次之，乳化沥青用量的影响最小。这是由于水是影响乳化沥青混合料工作性能的最主要因素，用水量不足将导致混合料较早破乳，较难压实成型，造成压实度低、稳定性差。同时由[WTB1X]K[HTXH]值的大小可知，稳定度极值下对应的最佳掺量组合为煤矸石掺量2%、乳化沥青用量7.5%、外掺水量5.5%，即为从稳定度角度出发的最佳组合掺量;对于流值，各因素的影响程度排序为：煤矸石掺量>乳化沥青用量>外掺水量，流值极值下对应的最佳组合掺量为煤矸石掺量4%、乳化沥青用量7.5%、外掺水量5.5%;对于空隙率，各因素的影响程度排序为：外掺水量>乳化沥青用量>煤矸石掺量，空隙率极值下对应的最佳组合掺量为煤矸石掺量5%、乳化沥青用量7.5%、外掺水量4.5%。

综上所述，根据正交试验的影响因素分析得出，煤矸石乳化沥青混合料中最佳沥青用量为7.5%，而从稳定度、流值、空隙率等指标结果来看，最佳煤矸石掺量和外掺水量表现不一致，其最佳掺量有待进一步优化分析得出。

3.2 材料组成优化0243C083-CB5E-4409-B186-257C240FA51E

在前文研究结论的基础上，分析在最佳乳化沥青用量下煤矸石掺量和外掺水量对稳定度、流值、空隙率的影响，进一步优化材料的组成，试验结果如图2～4所示。

由图2可知，随着煤矸石掺量的增加，乳化沥青混合料的马歇尔稳定度不断增大，这表明煤矸石的添加可提高乳化沥青混合料的稳定度。初步判断煤矸石具有类似于水泥的活性，其水化产物可与沥青胶浆强力粘结，煤矸石掺量越多，粘结作用越明显，而多余的未被水化的煤矸石可代替部分细集料，达到节约石料资源的目的。另一方面随着外掺水量的增加，稳定度表现出先增大后减小的趋势，即用水量过多过少均会影响稳定度的形成，这是因为外掺水量较少时混合料易较早快速破乳，发生结块现象，对混合料强度影响较大;当外掺水量较多时混合料易产生离析现象，在压实过程中沥青胶浆易被压出试件外，造成沥青胶浆流失，影响混合料强度的形成。由图2的变化趋势可看出在5%煤矸石掺量和5.5%外掺水量材料组合时稳定度均存在一个极值，分别为14.74 kN和13.10 kN，所以初步确定最佳煤矸石掺量和外掺水量分别为5%和5.5%。

由图3可知，在保证外掺水量一定的情况下，混合料流值随煤矸石掺量成反比例关系，即煤矸石可降低乳化沥青混合料的流值，这是因为煤矸石水化后形成刚性材料，降低了乳化沥青混合料的柔性。同时，由拟合曲线的斜率可知，当外掺水量为5.5%和6%时，其对流值的影响显著。当保证煤矸石掺量一定时，流值随用水量的增加先减小后增大，适当的用水量可使煤矸石水化更加充分，产生刚性水化产物的同时降低流值，而当用水量继续增大，直接导致乳化沥青混合料流值增大，反而影响混合料的整体稳定性。

由图4空隙率指标相关试验结果可知，外掺水量较少时混合料空隙率随煤矸石掺量的增加而不断增大，外掺水量较多时变化趋势反而相反。这是由于煤矸石材料比表面积小，易吸水，外掺水量较小时剩余水分不足以使混合料拌和均匀，压实后形成较多空隙。虽然煤矸石水化产物可在一定程度上填充部分空隙，但是煤矸石掺量较小，产生的水化产物对于填充整个试件的空隙来说作用并不特别明显。总的来说，水化产物填充空隙带来的益处不足以改善混合料拌和不均匀的劣势。在理想情况下，当外掺水量合适时，煤矸石水化产物随着煤矸石掺量的增加而增加，对于填充试件空隙作用明显，达到降低混合料空隙率的目的，同时剩余水分可使混合料拌和均匀。当控制煤矸石掺量一定时，随着外掺水量的增加，混合料空隙率先减小后增大，且增加阶段变化显著，即外掺水量对混合料空隙率影响较大，当外掺水量合适时，混合料能达到更好的压实效果，此时煤矸石的添加可增加混合料密度，试件整体性达到最佳。当煤矸石掺量为5%和外掺水量为5.5%时，混合料达到最小空隙率。

综上所述，为了使沥青混合料达到刚柔并济的效果，在混合料拌和均匀的前提下，保证稳定度最大化的同时，流值不应太大或太小，经优化后煤矸石乳化沥青混合料的最佳组合掺量为：乳化沥青用量为7.5%，煤矸石含量为5%，用水量为5.5%。

3.3 水稳定性试验结果分析

在最佳材料组合掺量基础上，采用AC-25C级配进行煤矸石乳化沥青混合料浸水马歇尔试验，探索煤矸石对乳化沥青混合料水稳定性的影响，试验结果见表6。

从表6的浸水马歇尔试验结果可以看出，不同煤矸石掺量下残留稳定度均>80%，满足相关规范要求。煤矸石乳化沥青混合料的水稳定性随煤矸石掺量的增加而增强，进一步说明煤矸石的添加对乳化沥青混合料的抗水损害能力是有益的，这同样是由于煤矸石水化产物在填充混合料空隙的同时增加了混合料的整体稳定性，从而提高了煤矸石乳化沥青混合料的水稳定性。

3.4 强度形成机理分析

普通的乳化沥青混合料在乳化沥青破乳后，多余的水分会通过蒸发和行车碾压的方式排出，这就会造成沥青与石料的粘附性降低，出现较多水分排出的通道，空隙率增大、强度低、水稳定性差。

对于煤矸石乳化沥青混合料，在最佳材料掺量组合情况下，其强度是由乳化沥青和煤矸石共同作用形成的，沥青和煤矸石水化产物分别起着胶结和提高强度的作用，混合料中大量的水化产物呈絮状或块状，填充混合料内部空隙，使混合料内部结构更加密实，强度大大提升。同时，煤矸石的水化需要消耗乳化沥青中多余的水分，进一步加速了混合料强度的形成。

4 结语

（1）通过正交试验，分析了煤矸石掺量、乳化沥青用量和外掺水量对煤矸石乳化沥青混合料马歇尔稳定度、流值和空隙率的影响，通过马歇尔试验结果以及进一步优化确定了煤矸石乳化沥青混合料中最佳材料组合为7.5%乳化沥青、5%煤矸石和5.5%外掺水量。

（2）随着煤矸石掺量的增加，乳化沥青混合料的水稳定性逐渐提升，即煤矸石可显著提升乳化沥青混合料的水稳定性，这是因为煤矸石呈碱性，在潮湿环境下碱性进一步提升，从而加强了集料与沥青的粘结作用。此外，煤矸石的水化产物填充混合料空隙的同时将混合料各组分胶结在一起，从而进一步提高了煤矸石乳化沥青混合料的水稳定性。

（3） 从微观角度可以看出，煤矸石乳化沥青混合料的强度是由乳化沥青和煤矸石共同作用形成的，其中沥青和煤矸石水化产物共同起着胶结作用和强度作用。在混合料强度形成过程中，煤矸石水化可消耗混合料中多余的水分，从而进一步加快混合料强度的形成。混合料的微小孔隙可通过煤矸石水化产物填充，使混合料内部结构致密，强度进一步提高，达到煤矸石废渣再利用的目的，为公路养护的创新发展提供材料基础。

参考文献

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[8]洪荣宝.煤矸石粉/聚酯纤维沥青混合料低温抗裂性能试验研究[D].淮南：安徽理工大学，2019.

作者简介：

陈 东（1992—），硕士，工程师，主要从事高速公路路基路面设计工作;

汤彬彬（1993—），硕士，工程师，主要从事道路工程研究工作;

卢 达（1972—），高级工程师，主要从事高速公路路面设计工作;

蒋 博（1990—），硕士，工程师，主要从事高速公路路面设计工作。0243C083-CB5E-4409-B186-257C240FA51E