粉煤灰和高爐礦渣改善乳化瀝青混合料性能研究

王志剛

(山西省公路局長治分局，山西 長治 047600)

1 概述

乳化瀝青混合料是指在常溫下使用乳化瀝青代替普通瀝青所拌合生產(chǎn)的瀝青混合料，與傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料相比，乳化瀝青混合料具有節(jié)能減排、成本低廉、可循環(huán)利用等優(yōu)點[1-2]，然而乳化瀝青混合料早期強(qiáng)度低，水穩(wěn)定差的缺陷制約了其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣[3]。已有研究證實可以通過加入其他材料來增強(qiáng)其力學(xué)性能，吳鵬飛[4]對改性乳化瀝青混合料水穩(wěn)定性差的缺點，在混合料中加入水泥填料以期提高其抗水損害能力，并分析現(xiàn)有水穩(wěn)定性評價方法對水泥-改性乳化瀝青混合料的適用性，建立基于動態(tài)模量主曲線的改性乳化瀝青混合料水穩(wěn)定性評價方法。雷蕾用環(huán)氧樹脂、聚酰胺固化劑、自制的乳化瀝青，通過將不同比例的乳化瀝青與環(huán)氧樹脂混合，配制成不同性能的瀝青混合料，研究了不同環(huán)氧樹脂摻量下，瀝青混合料的路用性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂的加入，可以提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，也可以增加瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度和瀝青與集料之間的黏附性[5]。

吳冬生等[6]通過添加由普通硅酸鹽水泥和低溫熟料復(fù)配而成的固化劑S來替代一般水泥乳化瀝青混合料中使用的普通硅酸鹽水泥，設(shè)計了一種早強(qiáng)快凝的乳化瀝青混合料。趙璠新發(fā)現(xiàn)抗剝落劑的摻入可以較為明顯地改善冷再生瀝青混合料的抗水損害性能，冷再生混合料與熱拌瀝青混合料相比，其抗水損害性能具有較大差距[7]。Head發(fā)現(xiàn)在乳化瀝青混合料中加入1%的水泥后混合料的水穩(wěn)定性增加了約3倍[8]。Li等[9]研究了水泥乳化瀝青混合料的力學(xué)性能，結(jié)果表明，該混合料同時具有水泥和瀝青混凝土的性質(zhì)。Thanaya等[10-12]將鋼渣和玻璃渣加入到乳化瀝青混合料中提高了混合料的力學(xué)性能和耐久性，并具有和熱拌瀝青混合料相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。

實踐已經(jīng)證實，水泥可以提高乳化瀝青混合料的性能，由于水泥成本較高，因此本研究探討使用粉煤灰代替礦粉，通過各項試驗，研究了不同粉煤灰摻量和高爐礦渣對乳化瀝青混合料力學(xué)性能的影響，并使用掃面電鏡及相關(guān)理論分析了粉煤灰和高爐礦渣對乳化瀝青混合料性能改善的微觀機(jī)理。

2 原材料

粗、細(xì)集料由花崗巖破碎而成，礦粉由石灰?guī)r破碎而成，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。礦粉、粉煤灰和高爐礦渣的主要化學(xué)成分見表2。集料級配要求見表3，乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)見表4，130號瀝青和50號瀝青技術(shù)指標(biāo)見表5。

表1 集料主要技術(shù)指標(biāo)

表2 礦粉、粉煤灰、高爐礦渣主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表3 混合料級配要求

表4 乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)

表5 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

3 試驗方案

乳化瀝青混合料進(jìn)行拌合時，用水量為5%，壓實時的最佳含水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為15.16%，最佳乳化瀝青用量為7%，以集料總質(zhì)量的1.5%，3%，4.5%和6%的粉煤灰代替礦粉制備混合料，并在3%和6%粉煤灰的混合料中加入占集料總質(zhì)量1%，2%和3%的高爐礦渣進(jìn)行拌合?；旌狭显嚇拥陌韬虾蛪簩崪囟葹?0 ℃。使用130號 和50號瀝青制備熱拌瀝青混合料，50號熱拌瀝青混合料的拌和溫度為165 ℃～175 ℃，130號熱拌瀝青混合料的拌合溫度為150 ℃～160 ℃。

3.1 間接拉伸試驗

間接拉伸試驗所得結(jié)果為間接拉伸勁度模量。進(jìn)行該試驗時試樣按如下方法養(yǎng)護(hù)：

1)將試樣在模具中于20 ℃下放置1 d;2)將試樣取出置于40 ℃烘箱中1 d；3)將試樣在20 ℃下分別放置2 d，7 d，14 d和28 d進(jìn)行試驗。

3.2 單軸壓縮循環(huán)試驗

單軸壓縮循環(huán)試驗所得結(jié)果為蠕變勁度。進(jìn)行該試驗的試樣按如下方法養(yǎng)護(hù)：

1)將試樣在模具中于20 ℃下放置1 d；2)將試樣取出置于40 ℃烘箱中14 d以確保水分完全蒸發(fā)。

3.3 水穩(wěn)定性試驗

通過間接拉伸試驗來評價混合料的水穩(wěn)定性，所得結(jié)果為間接拉伸強(qiáng)度比。分別制備了干濕兩組試樣，第一組干試樣按如下方法養(yǎng)護(hù)：1)將試樣在模具中于20 ℃下放置1 d；2)將試樣取出置于40 ℃烘箱中1 d；3)將試樣在20 ℃下放置3 d。第二組濕試樣按如下步驟進(jìn)行養(yǎng)護(hù)：1)將試樣在模具中于20 ℃下放置1 d；2)將試樣取出置于40 ℃烘箱中1 d；3)將試樣在真空度為6.7 kPa的條件放置30 min；4)恢復(fù)常壓，在40 ℃水浴中放置3 d。待兩組試樣養(yǎng)生完成后，在25 ℃下進(jìn)行試驗，并求得干濕兩組試樣的間接拉伸強(qiáng)度比。

3.4 掃描電鏡試驗

掃描電子顯微鏡(SEM)可以對物品表面的微觀形貌進(jìn)行觀測，并進(jìn)行定量和半定量分析測試，將所用試樣進(jìn)行表面噴金后即可進(jìn)行觀測分析。本試驗采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡對樣品進(jìn)行形貌觀測。試樣制備時，將適量水分別與礦粉和改性填料拌合制成膠漿，待混合物相互反應(yīng)7 d和28 d后，通過掃描電子顯微鏡對礦粉膠漿與改性填料膠漿的微觀形貌進(jìn)行觀察，以便更清楚獲得礦粉和3%粉煤灰+1%高爐礦渣與水相互作用后生成物的顯微觀形貌。

3.5 熱重試驗

熱重試驗(Thermogravimetry Analysis，TG)是通過在一定溫度范圍內(nèi)升溫或降溫，以掌握物質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律，通過測定殘存質(zhì)量、失重溫度，如起始點、峰值等信息定量分析物質(zhì)的熱穩(wěn)定性，另外，還可對物質(zhì)的分解、吸附、解吸附、氧化、還原等物化過程進(jìn)行分析[13]。使用101-TGA熱重分析儀對用于掃面電鏡試驗的28 d礦粉膠漿與改性填料膠漿進(jìn)行熱重分析試驗以分寫兩種膠漿的熱穩(wěn)定性。

4 結(jié)果與討論

4.1 間接拉伸試驗分析

由圖1可知，普通乳化瀝青混合料的勁度模量隨養(yǎng)護(hù)時間的增加基本保持不變，而加入粉煤灰的乳化瀝青混合料勁度模量隨養(yǎng)護(hù)時間的延長而逐漸增加。乳化瀝青混合料勁度模量隨粉煤灰摻量的增加也逐漸增加，粉煤灰摻量越高勁度模量增加越顯著，造成這種現(xiàn)象的原因是粉煤灰的水化反應(yīng)以及粉煤灰對混合料中水分的吸收作用。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間大于14 d時，加入6%粉煤灰摻量的乳化瀝青混合料勁度模量大于50號熱拌瀝青混合料。

由圖2可知，3%粉煤灰乳化瀝青混合料的勁度模量隨礦渣摻量和養(yǎng)護(hù)時間的增加而逐漸增加，礦渣摻量越高勁度模量增加越顯著。3%粉煤灰+3%高爐礦渣的混合料在養(yǎng)護(hù)時間大于14 d時，其勁度模量大于50號熱拌瀝青混合料。3%粉煤灰+1%高爐礦渣的混合料在養(yǎng)護(hù)時間為2 d時，大于130號熱拌瀝青混合料。

由圖3可知，當(dāng)6%粉煤灰的乳化瀝青混合料加入1%的礦渣在養(yǎng)護(hù)時間大于7 d時，其勁度模量大于50號熱拌瀝青混合料。養(yǎng)護(hù)時間為2 d時，向含6%粉煤灰的乳化瀝青混合料中加入2%的鋼渣，其勁度模量增加了約40%，且大于50號熱拌瀝青混合料。加入1%的高爐礦渣的混合料在養(yǎng)護(hù)時間為4 d時，其勁度模量與50號熱拌瀝青混合料相等。

將在20 ℃下養(yǎng)護(hù)28 d的試樣分別在5 ℃，20 ℃和40 ℃下進(jìn)行間接拉伸試驗，以探究不同類型的乳化瀝青混合料在不同溫度下的力學(xué)性能。由圖4可知，普通乳化瀝青混合料的勁度模量隨試驗溫度的增加逐漸減??；加入3%粉煤灰 +1%高爐礦渣混合料的勁度模量在40 ℃時高于普通熱拌瀝青混合料；而在5 ℃時該混合料的勁度模量小于普通熱拌瀝青混合料和6%粉煤灰混合料的勁度模量，說明加入3%粉煤灰+1%高爐礦渣乳化瀝青混合料在寒冷地區(qū)具有更好的適用性。加入不同比例的粉煤灰和高爐礦渣后，乳化瀝青混合料勁度模量在不同的溫度下變化幅度最大值為2 250 MPa，而熱拌瀝青混合料在不同的溫度下變化幅度最小值為3 077 MPa，所以加入粉煤灰和高爐礦渣的混合料溫度敏感性更低。

4.2 單軸壓縮循環(huán)試驗分析

由圖5可知，在只加入粉煤灰時，乳化瀝青混合料的蠕變勁度出現(xiàn)顯著增長且隨粉煤灰摻量的增加而增加。粉煤灰的摻量為3%時乳化瀝青混合料的蠕變勁度為50號 熱拌瀝青混合料的5倍左右，而在含3%粉煤灰的乳化瀝青混合料中加入1%的高爐礦渣后，乳化瀝青混合料的蠕變勁度達(dá)到50號熱拌瀝青混合料的10倍左右，為摻加6%粉煤灰乳化瀝青混合料蠕變勁度的2倍左右，可見加入高爐礦渣對乳化瀝青混合料抗永久變形能力的提高更為突出。

4.3 水穩(wěn)定性試驗分析

由圖6可得，間接拉伸強(qiáng)度比隨粉煤灰摻量的增加而逐漸增加，隨高爐礦渣摻量的增加先增加后減小，在粉煤灰摻量不變的情況下礦渣摻量為1%時，間接拉伸強(qiáng)度比最大，此時乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性也最好。在加入高爐礦渣后，乳化瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度比得到明顯提高。造成以上現(xiàn)象的主要原因是，在40 ℃的較高溫度下，混合料中粉煤灰的水化反應(yīng)更為劇烈而且水化反應(yīng)的產(chǎn)物和高爐礦渣相互作用生成了新的膠結(jié)物。

4.4 掃描電鏡試驗分析

由圖7對比礦粉的掃描電鏡圖像發(fā)現(xiàn)， 7 d和28 d時，礦粉仍然以分散狀態(tài)存在于膠漿中，沒有發(fā)生顯著的變化；而改性填料(3%粉煤灰 + 1%高爐礦渣)則由于水化反應(yīng)生成了具有膠結(jié)狀態(tài)的復(fù)合膠漿，且隨著反應(yīng)時間的增加復(fù)合膠漿逐漸增多，結(jié)構(gòu)變得更為致密，它們有利于集料之間的水化物相互連接，也有利于水化產(chǎn)物直接與集料黏結(jié)，從而使集料與膠漿之間、集料與集料之間的水化產(chǎn)物形成加筋，水化產(chǎn)物與瀝青膠漿的相互交織會提高乳化瀝青混合料膠漿的黏度。另外，水化產(chǎn)物會填充混合料內(nèi)部微小空隙，促使混合料形成均勻、密實的整體，這有利于提高混合料的勁度模量，降低其溫度敏感性[14]。

4.5 熱重試驗分析

使用101-TGA熱重分析儀對28 d的兩種膠漿進(jìn)行分析測試后試驗結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，溫度為320 ℃左右時，礦粉膠漿開始出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失，待溫度升高到500 ℃時質(zhì)量損失趨于平緩，在480 ℃左右時損失率最高，可見320 ℃以下時，礦粉膠漿性質(zhì)較為穩(wěn)定；當(dāng)溫度超過320 ℃后，礦粉膠漿開始分解，發(fā)生質(zhì)量損失現(xiàn)象，在480 ℃時質(zhì)量分解效果最為顯著；當(dāng)溫度超過500 ℃時礦粉膠漿幾乎全部分解。而改性填料膠漿開始發(fā)生分解的溫度為380 ℃左右，在500 ℃時基本保持不變。

根據(jù)相關(guān)研究[15]，熱分析試驗樣品殘留物質(zhì)量比可以用來定量表征物品的高溫耐熱性和穩(wěn)定性，樣品殘留物質(zhì)量比越大，其熱穩(wěn)定性越好。根據(jù)對比計算，28 d礦粉膠漿的殘留物質(zhì)量比為21.3%，而28 d改性填料膠漿的殘留物質(zhì)量比為32.5%，可見改性填料膠漿的穩(wěn)定性更高，受熱環(huán)境下質(zhì)量損失較小。

5 結(jié)論

1)乳化瀝青混合料的勁度模量隨著粉煤灰摻量的增加而增加，在同時加入粉煤灰和高爐礦渣后混合料的勁度模量出現(xiàn)顯著增長。

2)在混合料中加入粉煤灰后，不論是否加入高爐礦渣，乳化瀝青混合料的抗永久變形能力都會得到顯著增加，加入高爐礦渣后這種增加尤為突出。

3)向含有粉煤灰的混合料中加入高爐礦渣后，其水穩(wěn)定性得到顯著增長，在粉煤灰摻量較多時這種增加尤為顯著。

4)改性填料與乳化瀝青水相發(fā)生水化反應(yīng)生成的復(fù)合膠漿熱穩(wěn)定性更好，且可在乳化瀝青膠漿中形成加筋，同時水化產(chǎn)物與瀝青膠漿形成的復(fù)合膠漿黏度較大，這是乳化瀝青混合料勁度模量、抗永久變形能力和水穩(wěn)性顯著提高的主要原因。另外，水化產(chǎn)物的填充效應(yīng)也有利于混合料性能的改善。