預(yù)處理粉煤灰作為填料的瀝青膠漿性能研究

李會強(qiáng)， 徐 霈

(1.招商局公路網(wǎng)絡(luò)科技控股股份有限公司京津塘高速分公司， 北京 100176；2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067)

盡管燃煤對環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，但煤炭仍然是社會獲取能源的主要方式之一。在中國，煤炭占一次能源的70%，占發(fā)電總?cè)萘康?0%。煤炭開采和消費(fèi)給中國帶來巨大挑戰(zhàn)，采煤擾動土壤引起生態(tài)退化，改變了地下水流動系統(tǒng)，產(chǎn)生大量的礦井廢水和矸石滲濾液[1-5]。煤炭燃燒不僅隨煤煙釋放大量CO2，還釋放CO、放射性塵埃顆粒和NOX等污染物，此外，還產(chǎn)生了大量的垃圾。

近年來，國家下大力氣治理生態(tài)環(huán)境，致力于節(jié)能減排的高質(zhì)量發(fā)展，極其關(guān)注環(huán)境污染問題和廢舊資源利用問題。在瀝青路面工程領(lǐng)域，技術(shù)人員研究了粉煤灰的回收利用。丁蒙亭等[6]研究了粉煤灰對瀝青膠漿性能的影響，發(fā)現(xiàn)粉煤灰對瀝青混凝土混合料車轍深度和現(xiàn)有使用性能指標(biāo)影響不大。吳平等[7]研究了粉煤灰自身特性對瀝青混合料性能的影響，采用多種分析手段研究粉煤灰特征對瀝青混合料性能以及微觀作用機(jī)理。張艷等[8]將粉煤灰作為礦物填料，通過室內(nèi)試驗(yàn)對瀝青混合料的性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明粉煤灰作為填料可應(yīng)用于瀝青路面中，各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求。Huang等[9]利用粉煤灰等5種膠凝填料改善熱拌瀝青混合料的耐水性，發(fā)現(xiàn)粉煤灰等膠凝填料可有效提高HMA混合料的濕容性。Sobolev、Parvez、 Modarresd等[10-12]研究了粉煤灰對瀝青混合料流變性能和動態(tài)黏度的影響，發(fā)現(xiàn)在瀝青混合料中加入粉煤灰可改善其車轍因子G*/sinδ，但其低溫性能和老化瀝青混合料的力學(xué)行為有待進(jìn)一步研究，利用粉煤灰替代傳統(tǒng)的瀝青混合料填料，制備的樣品性能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

綜上所述，較多研究人員從粉煤灰對瀝青混合料和混合料性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，但粉煤灰對瀝青混合料和瀝青混合料的作用機(jī)理的研究報道少，特別是從粉煤灰的特性方面進(jìn)行的研究較少。為此，本文從粉煤灰預(yù)處理后微觀結(jié)構(gòu)及其對瀝青膠漿性能的影響著手，并采用射線衍射XRD、熱分析TG-DSC和比表面積分析BET等方法，對預(yù)處理粉煤灰、石灰石礦粉的微觀機(jī)理及其對瀝青膠漿性能的影響進(jìn)行對比分析。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 瀝青膠結(jié)料

采用SK-90#型瀝青膠結(jié)料，其技術(shù)性能及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表1，符合規(guī)范要求。

表1 SK-90#的基本物理特性

1.1.2 填料

填料分別為石灰石礦粉和粉煤灰，石灰石礦粉具有良好的技術(shù)性能，見表2。粉煤灰為陜西西安電廠收集的底灰，密度為2.373 g/cm3。

表2 石灰石礦粉的技術(shù)性能

1.2 粉煤灰預(yù)處理

在發(fā)電過程中，大部分煤粉可完全燃燒，但仍有少量的細(xì)灰處于玻璃態(tài)時活性更強(qiáng)，對瀝青混合料性能具有不利影響。因此，為了獲得粉煤灰更好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，需對其作預(yù)處理。將粉煤灰置于馬弗爐中，800 ℃～900 ℃高溫煅燒30 min，命名為粉煤灰FMHs。粉煤灰FMHs的密度增加到2.581 g/cm3，其為灰色，各部分無色差，體積堆積與未處理的自然堆積狀態(tài)下的粉煤灰有顯著差異，如圖1所示，該狀態(tài)下粉煤灰是穩(wěn)定的。

(a) 預(yù)處理前(b) 預(yù)處理后

1.3 微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

通過射線衍射XRD、熱分析TG-DSC和比表面積分析BET等分別對預(yù)處理粉煤灰FMHs和石灰石礦粉GF的熱穩(wěn)定性、礦物組成和內(nèi)部空隙分布進(jìn)行分析。在TG-DSC測試中，測試了FMHs在30 ℃～800 ℃氬氣保護(hù)下，流量為20 mL/min的質(zhì)量和熱變化。

1.4 瀝青膠漿試驗(yàn)

1.4.1 樣品制備

瀝青膠漿的制備步驟如下：先將一定質(zhì)量的瀝青膠結(jié)料加熱到135 ℃～145 ℃，后將瀝青膠結(jié)料移入300 r/min高速攪拌機(jī)，同時緩慢加入相同質(zhì)量的填料，在135 ℃～145 ℃下攪拌30 min，最后得到瀝青膠漿。

瀝青膠結(jié)料與填料的比例為1∶1，并根據(jù)等質(zhì)量取代法分別添加FMHs在填料中的質(zhì)量比例分別為20%、40%、60%和80% (FMHs-1、FMHs-2、FMHs-3和FMHs-4)，其余為100%GF作為對比。

1.4.2 試驗(yàn)方法

采用常規(guī)物理指標(biāo)(針入度和軟化點(diǎn))、粘度和溫度掃描試驗(yàn)來研究瀝青膠漿的性能。粘度測試采用Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度計，分別在120 ℃、135 ℃、150 ℃、165 ℃和180 ℃下對瀝青膠漿進(jìn)行粘度測試。在溫度掃描試驗(yàn)中，根據(jù)應(yīng)變掃描確定剪切應(yīng)變?yōu)?%，然后在30 ℃～80 ℃的溫度范圍內(nèi)測試瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 XRD試驗(yàn)

粉煤灰FMHs和礦粉GF的XRD試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

(a) 粉煤灰FMHs

(b) 礦粉GF

由圖2可知，預(yù)處理后粉煤灰FMHs的主要成分為硬石膏(CaSO4)、石英(SiO2)和莫來石(3Al2O3·2SiO2)，并含有其他結(jié)晶相如氫氧化鈣(Ca(OH)2)、石灰石(CaO)、方解石(CaCO3)。這些化學(xué)成分使粉煤灰具有明顯的堿性，有助于與瀝青粘合劑更緊密地結(jié)合。同時，在20 ℃～35 ℃范圍內(nèi)出現(xiàn)了許多衍射峰，說明FMHs中還含有一定量的玻璃體。玻璃體是一種具有晶格缺陷的非晶態(tài)相，它賦予FMHs較高的化學(xué)活性，有利于瀝青混合料的耐水性能。與FMHs相比，石灰石礦粉GF的復(fù)合材料為石灰(CaO)、方解石(CaCO3)、莫來石(3Al2O3·2SiO2)和石英(SiO2)，而不含硬石膏(CaSO4)和硅酸鹽(CaSiO3)。因此GF的堿度更低，同時GF在20 ℃～35 ℃也有一些衍射峰，說明它也還含有一些玻璃體。

2.1.2 TG-DSC

粉煤灰FMHs和礦粉GF的TG-DSC曲線如圖3所示。

(a) 粉煤灰FMHs

(b) 礦粉GF

由圖3(a)可知，預(yù)處理后粉煤灰FMHs在30 ℃～300 ℃具有良好的熱穩(wěn)定性，幾乎沒有質(zhì)量損失。在30 ℃～300 ℃的整個溫度范圍內(nèi)，只發(fā)生吸熱反應(yīng)，說明FMHs中幾乎沒有水分和其他揮發(fā)物。從圖3(b)可以看出，在100 ℃左右，礦粉GF的質(zhì)量略有下降，在300 ℃時逐漸下降到99.62%。但總體而言，GF的熱穩(wěn)定性也較好，但FMHs在30 ℃～300 ℃范圍內(nèi)的熱穩(wěn)定性更好。這表明它們在瀝青混合料施工過程中沒有出現(xiàn)明顯的性能變化，兩者均滿足施工過程中熱穩(wěn)定性的要求。

2.1.3 BET試驗(yàn)

粉煤灰FMHs和礦粉GF的BET曲線如圖4所示。

(a) 粉煤灰FMHs

(b) 礦粉GF

由圖4可知，粉煤灰FMHs的平均孔徑為4.981 3 nm，比表面積為4.42 m2/g，而石灰石礦粉GF的平均孔徑為10.23 nm，比表面積為4.19 m2/g，表明粉煤灰FMHs的平均孔徑要小得多，內(nèi)部空隙較大，有利于其吸收瀝青膠結(jié)料。

2.2 瀝青膠漿性能分析

2.2.1 常規(guī)物理指標(biāo)

不同摻量粉煤灰和礦粉的瀝青膠漿針入度和軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同瀝青膠漿的針入度和軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可以看出，當(dāng)加入粉煤灰FMHs作為填料時，針入度逐漸減小，軟化點(diǎn)增加，且FMHs的用量越大，針入度越小，軟化點(diǎn)越高。這主要是因?yàn)镕MHs與基于等質(zhì)量替代的GF相比，密度更低，體積更大，導(dǎo)致針入度減小，軟化點(diǎn)增加。因此，摻加FMHs的瀝青膠漿與摻加GF的瀝青膠漿，二者的針入度和軟化點(diǎn)沒有顯著差異，表明FMHs對瀝青膠漿常規(guī)物理指標(biāo)的影響與GF沒有太大差異。

2.2.2 粘度

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)粉煤灰和礦粉的瀝青膠漿旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下瀝青膠漿的旋轉(zhuǎn)粘度

由圖6可以看出，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的瀝青膠漿粘度均隨溫度的升高而降低。在相同溫度下，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的瀝青膠漿粘度大小排序幾乎沒有變化；添加FMHs的瀝青膠漿粘度顯著大于添加GF的瀝青膠漿粘度，且隨著FMHs摻量增加，瀝青膠漿粘度增大，這主要是由于FMHs的密度較低導(dǎo)致；與GF相比，F(xiàn)MHs具有較大的內(nèi)部空隙，使得FMHs能夠吸收更多的瀝青膠結(jié)料，從而增加了瀝青膠漿的流動阻力；當(dāng)FMHs摻量在20%～60%(20%FMHs-1、40%FMHs-2、60%FMHs-3)、溫度高于135 ℃時，三者的粘度接近，而當(dāng)FMHs摻量達(dá)到80%時，其粘度明顯增大，此時給現(xiàn)場施工帶來較大困難。

2.2.3 溫度掃描

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)粉煤灰和礦粉的瀝青膠漿溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

(a) 復(fù)數(shù)剪切模量

(b) 相位角

由圖7可知，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)粉煤灰和礦粉的瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ變化趨勢基本一致。在30 ℃～40 ℃溫度范圍內(nèi)，添加FMHs的瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量G*大于添加GF的瀝青膠漿，但添加FMHs的瀝青膠漿相位角δ小于添加GF的瀝青膠漿。表明在中溫條件下，添加FMHs的瀝青膠漿的抗疲勞性能更好。而隨著溫度的升高，差異變得不顯著，其原因與粘度結(jié)果相似，即FMHs的密度較低，吸收瀝青膠結(jié)料的能力較強(qiáng)，使瀝青膠粘劑在中等溫度下更難發(fā)生剪切變形，而隨著溫度的升高，測試溫度對瀝青膠粘劑的影響越來越明顯，使得差異變小。瀝青膠漿中，當(dāng)FMHs摻量為20%～40%時具有更高的復(fù)數(shù)剪切模量G*和較小的相位角δ，表明FMHs摻量為20%～40%時，瀝青膠漿具有更好的溫度穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文通過采用預(yù)處理粉煤灰FMHs等質(zhì)量替代石灰石礦粉GF作為填料，對FMHs和GF的微觀作用機(jī)理及其瀝青膠漿性能的影響進(jìn)行對比分析，并探討了FMHs和GF的作用機(jī)理差異，主要結(jié)論如下：

1) 從微觀作用機(jī)理角度來看，預(yù)處理粉煤灰FMHs較石灰石礦粉GF存在顯著差異，F(xiàn)MHs堿度高，粒徑小，內(nèi)部空隙大，吸收瀝青能力較強(qiáng)；但同時FMHs具有與GF相近的熱穩(wěn)定性。

2) 相較GF，由于FMHs密度較低、內(nèi)部空隙較大，含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)FMHs的瀝青膠漿針入度較小，軟化點(diǎn)較高，溫度穩(wěn)定性較好。

3) 當(dāng)FMHs摻量大于80%，瀝青膠漿的粘度急劇增加，對施工影響較大；當(dāng)FMHs摻量為20%～40%時，溫度穩(wěn)定性較好，推薦FMHs的最優(yōu)摻量宜為20%～40%。