飞灰替代矿粉对沥青胶浆性能的影响

陈路斯, 颜可珍, 向 鹏, 张雨欣

（1. 中大检测(湖南)股份有限公司，湖南 长沙 410013；2. 湖南大学，土木工程学院，湖南 长沙 410082；3. 湖南华城检测技术有限公司，湖南 长沙 410017）

引言

垃圾焚烧处理过程中会产生大量飞灰，由于其富集高浸出毒性的重金属及二噁英等有害物质而被认定为危险废物［1-4］。为了对飞灰进行无害化、资源化处理，相关学者利用沥青优良的黏结性、不透水性和化学稳定性对飞灰进行包裹，固化其有害物质［5-6］。相关研究发现飞灰的粒径、微观形态、矿物组成均与矿粉相似，若能将飞灰替代部分矿粉生产沥青混凝土，既能使飞灰中重金属等有害物质得到有效固化，又能大幅降低矿粉等天然建材的使用。

1 试验材料

1.1 试验材料

试验所用原材料为70#A 级道路石油沥青，石灰岩矿粉和飞灰，其基本指标见表1 ～表3。外掺剂为化学药品升华硫粉（S）和高纯度氢氧化钠（NaOH）。

表1 基质沥青基本物理性能指标

表3 飞灰性能指标

表2 石灰岩矿粉性能指标

2 试验方案

2.1 飞灰沥青胶浆制备工艺

将基质沥青加热至135 ℃，矿粉和飞灰加热至140 ℃，在0.6、0.8、1.0 粉胶比下，飞灰按0%、25%、50%、75%、100%的比例替代矿粉加入到基质沥青中。在添外掺剂时，飞灰替代矿粉比例为100%，取添加剂S 的用量为飞灰用量的7%，NaOH的用量与S 用量相同。

2.2 物理指标测定

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）［7］中的试验方法对沥青胶浆试样的针入度（25 ℃）、延度（15 ℃）、软化点和布氏旋转黏度（120 ℃、135 ℃、150 ℃、175 ℃）进行测试。

2.3 流变性能测试

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中的试验方法对沥青胶浆进行频率扫描测试，试验温度为60 ℃，频率范围为0.1 ～100 rad/s，测得复数模量与相位角等指标；使用弯曲梁流变仪（BBR）对胶浆进行低温性能测试，试验温度为-12 ℃、-18 ℃，测得蠕变劲度与蠕变速率指标。

3 试验分析

3.1 飞灰沥青胶浆常规性能分析

从图1 ～图3 可以看出，在飞灰替代比例为由0%增加到25%时，沥青胶浆的常规性能指标变化最为明显。

图 1 飞灰掺量对沥青胶浆针入度影响

图 2 飞灰掺量对沥青胶浆延度影响

图 3 飞灰掺量对沥青胶浆软化点影响

3.2 高温流变性能分析

3.2.1 粉胶比对飞灰沥青胶浆高温性能的影响

不同飞灰掺量下，粉胶比对车辙因子的影响见图4、图5。

图4 飞灰掺量25%时粉胶比对沥青胶浆车辙因子影响

图 5 飞灰掺量50%时粉胶比对沥青胶浆车辙因子影响

（1）从试验结果可以发现，随着粉胶比的增加，沥青胶浆车辙因子逐渐增加，主要是因为粉胶比增大，填料吸收了更多沥青中的轻质组分，使得沥青质等组分含量比例增大，沥青黏度提高，表现为沥青胶浆高温性能改善。（2）车辙因子并非随着粉胶比的变化呈线性增长，当粉胶比从0.6 增加到0.8 时，车辙因子的变化幅度最大，表明当填料含量超过一定比例时，填料和沥青间原有的相互作用发生了改变，使沥青胶浆的车辙因子得到较大的提升。

3.2.2 飞灰掺量对飞灰沥青胶浆高温性能的影响

由图6、图7 可知，在同一粉胶比下，随着飞灰替代矿粉比例的增加，车辙因子逐渐增加。原因在于飞灰具有粒度结构均匀、孔隙结构发达、比表面积大、亲水系数低等特性，其含量增加时会吸收更多的自由沥青，从而使沥青黏度增加；同时飞灰含有较多活性元素能与沥青发生物化反应从而加强两者间黏附性，因而其抗剪切性能也更高，相应的车辙因子也更高。

图 6 粉胶比为0.8 时飞灰掺量对沥青胶浆车辙因子影响

图 7 粉胶比为1.0 时飞灰掺量对沥青胶浆车辙因子影响

3.3 低温流变性能分析

弯曲梁流变试验的蠕变劲度S和蠕变速率m两个指标，可评价沥青胶浆的低温抗裂性能。蠕变劲度S值越大，表明沥青胶浆的变形能力越差，沥青路面在低温环境下就越容易发生脆断；蠕变速率m表征蠕变劲度S随时间变化的速率，m值越小，表明沥青消散内部温度应力的能力越差，在车辆荷载的反复作用下，沥青就越容易发生疲劳开裂。试验结果见图8、图9。

图 8 矿粉、飞灰不同温度不同粉胶比下蠕变劲度

图 9 矿粉、飞灰不同温度不同粉胶比下蠕变速率

由图8、图9 可以看出，在相同温度、相同粉胶比下，以飞灰作为填料的沥青胶浆蠕变劲度S总体上比以矿粉为填料时的沥青胶浆要略微高一点。随着粉胶比的增长，同种填料沥青胶浆的S逐渐增大，表明其低温抗裂性能降低；而蠕变速率试验结果也显示了相似的规律，两种沥青胶浆的蠕变速率均随粉胶比的增大逐渐减小，在同一粉胶比下，两种沥青胶浆的蠕变速率相差不大。表明粉胶比对沥青胶浆低温性能影响程度要大于填料类型对其的影响，飞灰沥青胶浆与矿粉沥青胶浆的低温抗裂性能基本相当。

3.5 飞灰沥青胶浆中低温疲劳性能

当温度较低时，沥青路面在重复交通荷载作用下易发生疲劳破坏。由于沥青胶浆在混合料中起到填充和黏附作用，集料的强度远大于胶浆，在重复交通荷载作用下胶浆易先发生断裂破坏，因此，胶浆的疲劳性能对于沥青混合料的性能有着重要影响［8］。利用Superpave 结合料规范推荐的沥青分级技术指标，以沥青胶浆疲劳因子为5 000 kPa 时的温度作为临界温度，临界温度越大表明沥青发生疲劳损伤的温度范围越大，即疲劳性越差；应用时间扫描，以沥青胶浆的复数模量降低为初始值的50%时加载次数作为临界加载次数，临界加载次数越大，表明疲劳寿命越长，即疲劳性能越好。以所得到的临界温度和临界加载次数作为评价沥青胶浆疲劳性能的指标。试验结果见图10。

由图10 可以看出，在粉胶比为0.8 时，不同飞灰掺量的沥青胶浆疲劳因子随温度变化而变化的规律相似，均随温度升高而减小。在相同温度下，随着飞灰替换掺量的增加，沥青胶浆疲劳因子逐渐增大，且温度越高时，疲劳因子数值上越为接近。0%、25%、50%、75%和100%飞灰替换量的沥青胶浆疲劳因子达到5 000 kPa 的临界温度分别为21.8 ℃、23.4 ℃、24.4 ℃、25 ℃、26.4 ℃，即飞灰替换量的增加使得临界温度变大，表明胶浆受疲劳损伤的温度范围越广，更容易发生疲劳破坏。

图 10 不同飞灰掺量时疲劳因子随温度变化曲线

4 结语

（1）随着飞灰掺量的增加，沥青胶浆的软化点会逐渐提高，针入度下降，延度降低，表明掺入一定量的飞灰替代矿粉在一定程度上可改善沥青胶浆的高温性能。（2）提高粉胶比以及飞灰替换矿粉的比例均能显著地提高沥青胶浆高温稳定性能，但低温抗裂性能一定程度降低；在降低粉胶比的基础上，采用适量飞灰替代部分矿粉后可同时兼顾沥青胶浆高低温性能。（3）随着飞灰替换矿粉掺量的增加，沥青胶浆越容易发生疲劳损伤，即疲劳性能越差。因此，从疲劳角度出发，飞灰替换矿粉比例不宜过大。