预处理粉煤灰作为填料的沥青胶浆性能研究

2022-07-08李会强

公路交通技术 2022年3期

李会强，徐霈

(1.招商局公路网络科技控股股份有限公司京津塘高速分公司，北京 100176；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

尽管燃煤对环境造成了严重污染，但煤炭仍然是社会获取能源的主要方式之一。在中国，煤炭占一次能源的70%，占发电总容量的80%。煤炭开采和消费给中国带来巨大挑战，采煤扰动土壤引起生态退化，改变了地下水流动系统，产生大量的矿井废水和矸石渗滤液[1-5]。煤炭燃烧不仅随煤烟释放大量CO2，还释放CO、放射性尘埃颗粒和NOX等污染物，此外，还产生了大量的垃圾。

近年来，国家下大力气治理生态环境，致力于节能减排的高质量发展，极其关注环境污染问题和废旧资源利用问题。在沥青路面工程领域，技术人员研究了粉煤灰的回收利用。丁蒙亭等[6]研究了粉煤灰对沥青胶浆性能的影响，发现粉煤灰对沥青混凝土混合料车辙深度和现有使用性能指标影响不大。吴平等[7]研究了粉煤灰自身特性对沥青混合料性能的影响，采用多种分析手段研究粉煤灰特征对沥青混合料性能以及微观作用机理。张艳等[8]将粉煤灰作为矿物填料，通过室内试验对沥青混合料的性能进行研究，结果表明粉煤灰作为填料可应用于沥青路面中，各项指标满足规范要求。Huang等[9]利用粉煤灰等5种胶凝填料改善热拌沥青混合料的耐水性，发现粉煤灰等胶凝填料可有效提高HMA混合料的湿容性。Sobolev、Parvez、 Modarresd等[10-12]研究了粉煤灰对沥青混合料流变性能和动态黏度的影响，发现在沥青混合料中加入粉煤灰可改善其车辙因子G*/sinδ，但其低温性能和老化沥青混合料的力学行为有待进一步研究，利用粉煤灰替代传统的沥青混合料填料，制备的样品性能满足相关规范要求。

综上所述，较多研究人员从粉煤灰对沥青混合料和混合料性能的影响进行了系统的研究，但粉煤灰对沥青混合料和沥青混合料的作用机理的研究报道少，特别是从粉煤灰的特性方面进行的研究较少。为此，本文从粉煤灰预处理后微观结构及其对沥青胶浆性能的影响着手，并采用射线衍射XRD、热分析TG-DSC和比表面积分析BET等方法，对预处理粉煤灰、石灰石矿粉的微观机理及其对沥青胶浆性能的影响进行对比分析。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1.1.1 沥青胶结料

采用SK-90#型沥青胶结料，其技术性能及相关标准见表1，符合规范要求。

表1 SK-90#的基本物理特性

1.1.2 填料

填料分别为石灰石矿粉和粉煤灰，石灰石矿粉具有良好的技术性能，见表2。粉煤灰为陕西西安电厂收集的底灰，密度为2.373 g/cm3。

表2 石灰石矿粉的技术性能

1.2 粉煤灰预处理

在发电过程中，大部分煤粉可完全燃烧，但仍有少量的细灰处于玻璃态时活性更强，对沥青混合料性能具有不利影响。因此，为了获得粉煤灰更好的化学稳定性和热稳定性，需对其作预处理。将粉煤灰置于马弗炉中，800 ℃～900 ℃高温煅烧30 min，命名为粉煤灰FMHs。粉煤灰FMHs的密度增加到2.581 g/cm3，其为灰色，各部分无色差，体积堆积与未处理的自然堆积状态下的粉煤灰有显著差异，如图1所示，该状态下粉煤灰是稳定的。

(a) 预处理前(b) 预处理后

1.3 微观结构试验

通过射线衍射XRD、热分析TG-DSC和比表面积分析BET等分别对预处理粉煤灰FMHs和石灰石矿粉GF的热稳定性、矿物组成和内部空隙分布进行分析。在TG-DSC测试中，测试了FMHs在30 ℃～800 ℃氩气保护下，流量为20 mL/min的质量和热变化。

1.4 沥青胶浆试验

1.4.1 样品制备

沥青胶浆的制备步骤如下：先将一定质量的沥青胶结料加热到135 ℃～145 ℃，后将沥青胶结料移入300 r/min高速搅拌机，同时缓慢加入相同质量的填料，在135 ℃～145 ℃下搅拌30 min，最后得到沥青胶浆。

沥青胶结料与填料的比例为1∶1，并根据等质量取代法分别添加FMHs在填料中的质量比例分别为20%、40%、60%和80% (FMHs-1、FMHs-2、FMHs-3和FMHs-4)，其余为100%GF作为对比。

1.4.2 试验方法

采用常规物理指标(针入度和软化点)、粘度和温度扫描试验来研究沥青胶浆的性能。粘度测试采用Brookfield旋转粘度计，分别在120 ℃、135 ℃、150 ℃、165 ℃和180 ℃下对沥青胶浆进行粘度测试。在温度扫描试验中，根据应变扫描确定剪切应变为2%，然后在30 ℃～80 ℃的温度范围内测试沥青胶浆的复数剪切模量G*和相位角δ。

2 试验结果分析

2.1 微观结构分析

2.1.1 XRD试验

粉煤灰FMHs和矿粉GF的XRD试验结果如图2所示。

(a) 粉煤灰FMHs

(b) 矿粉GF

由图2可知，预处理后粉煤灰FMHs的主要成分为硬石膏(CaSO4)、石英(SiO2)和莫来石(3Al2O3·2SiO2)，并含有其他结晶相如氢氧化钙(Ca(OH)2)、石灰石(CaO)、方解石(CaCO3)。这些化学成分使粉煤灰具有明显的碱性，有助于与沥青粘合剂更紧密地结合。同时，在20 ℃～35 ℃范围内出现了许多衍射峰，说明FMHs中还含有一定量的玻璃体。玻璃体是一种具有晶格缺陷的非晶态相，它赋予FMHs较高的化学活性，有利于沥青混合料的耐水性能。与FMHs相比，石灰石矿粉GF的复合材料为石灰(CaO)、方解石(CaCO3)、莫来石(3Al2O3·2SiO2)和石英(SiO2)，而不含硬石膏(CaSO4)和硅酸盐(CaSiO3)。因此GF的碱度更低，同时GF在20 ℃～35 ℃也有一些衍射峰，说明它也还含有一些玻璃体。

2.1.2 TG-DSC

粉煤灰FMHs和矿粉GF的TG-DSC曲线如图3所示。

(a) 粉煤灰FMHs

(b) 矿粉GF

由图3(a)可知，预处理后粉煤灰FMHs在30 ℃～300 ℃具有良好的热稳定性，几乎没有质量损失。在30 ℃～300 ℃的整个温度范围内，只发生吸热反应，说明FMHs中几乎没有水分和其他挥发物。从图3(b)可以看出，在100 ℃左右，矿粉GF的质量略有下降，在300 ℃时逐渐下降到99.62%。但总体而言，GF的热稳定性也较好，但FMHs在30 ℃～300 ℃范围内的热稳定性更好。这表明它们在沥青混合料施工过程中没有出现明显的性能变化，两者均满足施工过程中热稳定性的要求。

2.1.3 BET试验

粉煤灰FMHs和矿粉GF的BET曲线如图4所示。

(a) 粉煤灰FMHs

(b) 矿粉GF

由图4可知，粉煤灰FMHs的平均孔径为4.981 3 nm，比表面积为4.42 m2/g，而石灰石矿粉GF的平均孔径为10.23 nm，比表面积为4.19 m2/g，表明粉煤灰FMHs的平均孔径要小得多，内部空隙较大，有利于其吸收沥青胶结料。

2.2 沥青胶浆性能分析

2.2.1 常规物理指标

不同掺量粉煤灰和矿粉的沥青胶浆针入度和软化点试验结果如图5所示。

图5 不同沥青胶浆的针入度和软化点试验结果

由图5可以看出，当加入粉煤灰FMHs作为填料时，针入度逐渐减小，软化点增加，且FMHs的用量越大，针入度越小，软化点越高。这主要是因为FMHs与基于等质量替代的GF相比，密度更低，体积更大，导致针入度减小，软化点增加。因此，掺加FMHs的沥青胶浆与掺加GF的沥青胶浆，二者的针入度和软化点没有显著差异，表明FMHs对沥青胶浆常规物理指标的影响与GF没有太大差异。

2.2.2 粘度

不同质量分数粉煤灰和矿粉的沥青胶浆旋转粘度试验结果如图6所示。

图6 不同质量分数下沥青胶浆的旋转粘度

由图6可以看出，不同质量分数的沥青胶浆粘度均随温度的升高而降低。在相同温度下，不同质量分数的沥青胶浆粘度大小排序几乎没有变化；添加FMHs的沥青胶浆粘度显著大于添加GF的沥青胶浆粘度，且随着FMHs掺量增加，沥青胶浆粘度增大，这主要是由于FMHs的密度较低导致；与GF相比，FMHs具有较大的内部空隙，使得FMHs能够吸收更多的沥青胶结料，从而增加了沥青胶浆的流动阻力；当FMHs掺量在20%～60%(20%FMHs-1、40%FMHs-2、60%FMHs-3)、温度高于135 ℃时，三者的粘度接近，而当FMHs掺量达到80%时，其粘度明显增大，此时给现场施工带来较大困难。

2.2.3 温度扫描

不同质量分数粉煤灰和矿粉的沥青胶浆温度扫描试验结果如图7所示。

(a) 复数剪切模量

(b) 相位角

由图7可知，不同质量分数粉煤灰和矿粉的沥青胶浆复数剪切模量G*和相位角δ变化趋势基本一致。在30 ℃～40 ℃温度范围内，添加FMHs的沥青胶浆复数剪切模量G*大于添加GF的沥青胶浆，但添加FMHs的沥青胶浆相位角δ小于添加GF的沥青胶浆。表明在中温条件下，添加FMHs的沥青胶浆的抗疲劳性能更好。而随着温度的升高，差异变得不显著，其原因与粘度结果相似，即FMHs的密度较低，吸收沥青胶结料的能力较强，使沥青胶粘剂在中等温度下更难发生剪切变形，而随着温度的升高，测试温度对沥青胶粘剂的影响越来越明显，使得差异变小。沥青胶浆中，当FMHs掺量为20%～40%时具有更高的复数剪切模量G*和较小的相位角δ，表明FMHs掺量为20%～40%时，沥青胶浆具有更好的温度稳定性。