煤矸石乳化瀝青混合料參數(shù)優(yōu)化及強度機理研究

陳東　湯彬彬　盧達　蔣博

摘要：文章在正交試驗的設(shè)計理念下，研究影響煤矸石乳化瀝青混合料性能的因素。通過對材料組成進行優(yōu)化分析，采用浸水馬歇爾試驗評價其水穩(wěn)定性，并從微觀角度分析煤矸石乳化瀝青混合料的強度形成機理。結(jié)果表明：煤矸石乳化瀝青混合料中最佳組合摻量為乳化瀝青7.5%、煤矸石5%、水5.5%;乳化瀝青混合料的抗水損害能力與煤矸石摻量的增加成正比;從微觀角度看，煤矸石乳化瀝青混合料的強度是由煤矸石水化產(chǎn)物和瀝青共同膠結(jié)形成的，水化產(chǎn)物CaCO3填充內(nèi)部空隙是提高混合料水穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：煤矸石;乳化瀝青混合料;參數(shù)優(yōu)化;強度;機理研究

中圖分類號：U416.02

0 引言

乳化瀝青混合料攪拌是在常溫下進行，攤鋪過程中無須加熱，在降低成本的基礎(chǔ)上減少了環(huán)境污染和能源消耗，但其存在著早期強度差、破乳速度慢、水穩(wěn)定性差等缺點，嚴重制約了其推廣應(yīng)用。我國每年排放丟棄約2億～3億t工業(yè)廢渣煤矸石[1]，本研究在采用煤矸石粉末解決乳化瀝青混合料缺點的同時，尋找一種高效利用工業(yè)廢渣煤矸石的有效途徑[2]。

Mohsen等分析了煤矸石集料的物理力學(xué)性能，表明煤矸石集料除含有扁平和細長顆粒外，均能滿足規(guī)范要求[3]。2015年楊曉凱等根據(jù)室內(nèi)試驗的研究結(jié)果確定經(jīng)活化煤矸石改性后瀝青膠漿的抗剪強度和高溫性能大幅提升，但低溫性能變化不大，研究成果為活化煤矸石替代礦粉作為瀝青混合料填料提供了參考依據(jù)[4]。2016年張映雪等在乳化瀝青冷再生混合料中添加煤矸石和煤矸石灰預(yù)提高其綜合性能，研究成果表明摻入煤矸石及煤矸石灰后冷再生瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、抗拉強度等力學(xué)性能均有顯著提高，進一步研究發(fā)現(xiàn)煤矸石灰在提高抗水損害方面優(yōu)于煤矸石[5]。2017年熊銳等在研究煤矸石粉、水鎂石纖維改性瀝青混合料路用性能時發(fā)現(xiàn)煤矸石粉可有效改善瀝青膠漿的溫度敏感性，而水鎂石纖維在瀝青膠漿中可形成三維網(wǎng)絡(luò)增強結(jié)構(gòu)，這是提高瀝青混合料路用性能的關(guān)鍵[6];同年馮新軍等進一步研究發(fā)現(xiàn)煤矸石灰瀝青混合料在降低煤矸石環(huán)境污染的同時可獲得與普通硅酸鹽水泥混凝土[JP+1]相同的力學(xué)性能[7]。2019年洪榮寶選用煤矸石粉等量代替礦粉作為填料以及同時增加聚酯纖維作為增韌材料形成瀝青混合料，由SCB試驗和掃描電鏡試驗結(jié)果可知，煤矸石代替50%礦粉時瀝青混合料內(nèi)部空隙較少、結(jié)構(gòu)致密，抗裂性能最優(yōu)，而聚酯纖維在瀝青混合料中的摻量為0.4%時分散性最好，整體強度和抗裂性最優(yōu)[8]。

本文在正交試驗設(shè)計的基礎(chǔ)上，研究了影響煤矸石乳化瀝青混合料性能的因素，并對其材料組成參數(shù)進行了優(yōu)化，考慮到兩個因素的耦合效應(yīng)，采用浸水馬歇爾試驗對其水穩(wěn)定性進行評價。最后，從微觀角度分析了煤矸石乳化瀝青混合料的強度形成機理。

1 原材料技術(shù)性能

1.1 原材料

本文采用自制的慢裂快凝陽離子乳化瀝青，蒸發(fā)殘留物含量為62.0%，其各項指標滿足規(guī)范要求，如表1所示。乳化瀝青混合料中粗、細集料均為本地生產(chǎn)的石灰?guī)r石料，試驗前應(yīng)對其力學(xué)性能指標進行檢查，合格后方可使用。本研究使用的煤矸石粉來自電廠產(chǎn)生的廢煤矸石，經(jīng)磨細過0.3 mm方孔篩形成。通過X射線熒光分析可知煤矸石是一種低鈣礦物，SiO2、Al2O3含量合計高達85%，具有類似于水泥的高活性，其化學(xué)成分如表2所示。

1.2 混合料級配

乳化瀝青混合料主要用于瀝青路面中下面層，目前行業(yè)內(nèi)對于級配類型的選擇沒有一定的標準。根據(jù)已有文獻成果可知乳化瀝青混合料采用密級配性能較好，所以本研究采用AC-25C級配類型，級配曲線如圖1所示。

2 試驗方法

本研究在正交試驗設(shè)計的理念下采用馬歇爾試驗研究煤矸石乳化瀝青混合料性能的影響因素。正交試驗設(shè)計參數(shù)包括煤矸石摻量、乳化瀝青用量、外摻水量，如表3所示。根據(jù)規(guī)范要求采用圓柱形馬歇爾擊實試件，高度為63.5 mm，直徑為101.6 mm。為了使煤矸石粉在混合料中分散均勻，先將煤矸石與礦粉、集料混合均勻，然后加入乳化瀝青形成煤矸石乳化瀝青混合料。試件擊實成型分兩個階段進行：第一個階段對正反面分別擊實50次;第二階段在60 ℃烘箱中養(yǎng)護24 h后再進行正反面擊實25次。同時本研究通過浸水馬歇爾試驗評價其水穩(wěn)定性。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 影響因素分析

依據(jù)上述試驗參數(shù)和方法嚴格按照規(guī)范進行馬歇爾試驗，試驗結(jié)果如表4所示。對試驗結(jié)果進行極差分析，研究各參數(shù)對試驗結(jié)果的影響權(quán)重，如表5所示。表5中極差越大表示該因素對試驗結(jié)果的影響越大，[WTB1X]K[HTXH]值越大表示該因素對應(yīng)試驗結(jié)果存在極值。

由表5的極差分析結(jié)果可知，外摻水量對煤矸石乳化瀝青混合料的穩(wěn)定度影響最大，煤矸石摻量次之，乳化瀝青用量的影響最小。這是由于水是影響乳化瀝青混合料工作性能的最主要因素，用水量不足將導(dǎo)致混合料較早破乳，較難壓實成型，造成壓實度低、穩(wěn)定性差。同時由[WTB1X]K[HTXH]值的大小可知，穩(wěn)定度極值下對應(yīng)的最佳摻量組合為煤矸石摻量2%、乳化瀝青用量7.5%、外摻水量5.5%，即為從穩(wěn)定度角度出發(fā)的最佳組合摻量;對于流值，各因素的影響程度排序為：煤矸石摻量>乳化瀝青用量>外摻水量，流值極值下對應(yīng)的最佳組合摻量為煤矸石摻量4%、乳化瀝青用量7.5%、外摻水量5.5%;對于空隙率，各因素的影響程度排序為：外摻水量>乳化瀝青用量>煤矸石摻量，空隙率極值下對應(yīng)的最佳組合摻量為煤矸石摻量5%、乳化瀝青用量7.5%、外摻水量4.5%。

綜上所述，根據(jù)正交試驗的影響因素分析得出，煤矸石乳化瀝青混合料中最佳瀝青用量為7.5%，而從穩(wěn)定度、流值、空隙率等指標結(jié)果來看，最佳煤矸石摻量和外摻水量表現(xiàn)不一致，其最佳摻量有待進一步優(yōu)化分析得出。

3.2 材料組成優(yōu)化0243C083-CB5E-4409-B186-257C240FA51E

在前文研究結(jié)論的基礎(chǔ)上，分析在最佳乳化瀝青用量下煤矸石摻量和外摻水量對穩(wěn)定度、流值、空隙率的影響，進一步優(yōu)化材料的組成，試驗結(jié)果如圖2～4所示。

由圖2可知，隨著煤矸石摻量的增加，乳化瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度不斷增大，這表明煤矸石的添加可提高乳化瀝青混合料的穩(wěn)定度。初步判斷煤矸石具有類似于水泥的活性，其水化產(chǎn)物可與瀝青膠漿強力粘結(jié)，煤矸石摻量越多，粘結(jié)作用越明顯，而多余的未被水化的煤矸石可代替部分細集料，達到節(jié)約石料資源的目的。另一方面隨著外摻水量的增加，穩(wěn)定度表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，即用水量過多過少均會影響穩(wěn)定度的形成，這是因為外摻水量較少時混合料易較早快速破乳，發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象，對混合料強度影響較大;當外摻水量較多時混合料易產(chǎn)生離析現(xiàn)象，在壓實過程中瀝青膠漿易被壓出試件外，造成瀝青膠漿流失，影響混合料強度的形成。由圖2的變化趨勢可看出在5%煤矸石摻量和5.5%外摻水量材料組合時穩(wěn)定度均存在一個極值，分別為14.74 kN和13.10 kN，所以初步確定最佳煤矸石摻量和外摻水量分別為5%和5.5%。

由圖3可知，在保證外摻水量一定的情況下，混合料流值隨煤矸石摻量成反比例關(guān)系，即煤矸石可降低乳化瀝青混合料的流值，這是因為煤矸石水化后形成剛性材料，降低了乳化瀝青混合料的柔性。同時，由擬合曲線的斜率可知，當外摻水量為5.5%和6%時，其對流值的影響顯著。當保證煤矸石摻量一定時，流值隨用水量的增加先減小后增大，適當?shù)挠盟靠墒姑喉肥映浞郑a(chǎn)生剛性水化產(chǎn)物的同時降低流值，而當用水量繼續(xù)增大，直接導(dǎo)致乳化瀝青混合料流值增大，反而影響混合料的整體穩(wěn)定性。

由圖4空隙率指標相關(guān)試驗結(jié)果可知，外摻水量較少時混合料空隙率隨煤矸石摻量的增加而不斷增大，外摻水量較多時變化趨勢反而相反。這是由于煤矸石材料比表面積小，易吸水，外摻水量較小時剩余水分不足以使混合料拌和均勻，壓實后形成較多空隙。雖然煤矸石水化產(chǎn)物可在一定程度上填充部分空隙，但是煤矸石摻量較小，產(chǎn)生的水化產(chǎn)物對于填充整個試件的空隙來說作用并不特別明顯?？偟膩碚f，水化產(chǎn)物填充空隙帶來的益處不足以改善混合料拌和不均勻的劣勢。在理想情況下，當外摻水量合適時，煤矸石水化產(chǎn)物隨著煤矸石摻量的增加而增加，對于填充試件空隙作用明顯，達到降低混合料空隙率的目的，同時剩余水分可使混合料拌和均勻。當控制煤矸石摻量一定時，隨著外摻水量的增加，混合料空隙率先減小后增大，且增加階段變化顯著，即外摻水量對混合料空隙率影響較大，當外摻水量合適時，混合料能達到更好的壓實效果，此時煤矸石的添加可增加混合料密度，試件整體性達到最佳。當煤矸石摻量為5%和外摻水量為5.5%時，混合料達到最小空隙率。

綜上所述，為了使瀝青混合料達到剛?cè)岵男Ч?，在混合料拌和均勻的前提下，保證穩(wěn)定度最大化的同時，流值不應(yīng)太大或太小，經(jīng)優(yōu)化后煤矸石乳化瀝青混合料的最佳組合摻量為：乳化瀝青用量為7.5%，煤矸石含量為5%，用水量為5.5%。

3.3 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果分析

在最佳材料組合摻量基礎(chǔ)上，采用AC-25C級配進行煤矸石乳化瀝青混合料浸水馬歇爾試驗，探索煤矸石對乳化瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，試驗結(jié)果見表6。

從表6的浸水馬歇爾試驗結(jié)果可以看出，不同煤矸石摻量下殘留穩(wěn)定度均>80%，滿足相關(guān)規(guī)范要求。煤矸石乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性隨煤矸石摻量的增加而增強，進一步說明煤矸石的添加對乳化瀝青混合料的抗水損害能力是有益的，這同樣是由于煤矸石水化產(chǎn)物在填充混合料空隙的同時增加了混合料的整體穩(wěn)定性，從而提高了煤矸石乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

3.4 強度形成機理分析

普通的乳化瀝青混合料在乳化瀝青破乳后，多余的水分會通過蒸發(fā)和行車碾壓的方式排出，這就會造成瀝青與石料的粘附性降低，出現(xiàn)較多水分排出的通道，空隙率增大、強度低、水穩(wěn)定性差。

對于煤矸石乳化瀝青混合料，在最佳材料摻量組合情況下，其強度是由乳化瀝青和煤矸石共同作用形成的，瀝青和煤矸石水化產(chǎn)物分別起著膠結(jié)和提高強度的作用，混合料中大量的水化產(chǎn)物呈絮狀或塊狀，填充混合料內(nèi)部空隙，使混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，強度大大提升。同時，煤矸石的水化需要消耗乳化瀝青中多余的水分，進一步加速了混合料強度的形成。

4 結(jié)語

（1）通過正交試驗，分析了煤矸石摻量、乳化瀝青用量和外摻水量對煤矸石乳化瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度、流值和空隙率的影響，通過馬歇爾試驗結(jié)果以及進一步優(yōu)化確定了煤矸石乳化瀝青混合料中最佳材料組合為7.5%乳化瀝青、5%煤矸石和5.5%外摻水量。

（2）隨著煤矸石摻量的增加，乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性逐漸提升，即煤矸石可顯著提升乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性，這是因為煤矸石呈堿性，在潮濕環(huán)境下堿性進一步提升，從而加強了集料與瀝青的粘結(jié)作用。此外，煤矸石的水化產(chǎn)物填充混合料空隙的同時將混合料各組分膠結(jié)在一起，從而進一步提高了煤矸石乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

（3） 從微觀角度可以看出，煤矸石乳化瀝青混合料的強度是由乳化瀝青和煤矸石共同作用形成的，其中瀝青和煤矸石水化產(chǎn)物共同起著膠結(jié)作用和強度作用。在混合料強度形成過程中，煤矸石水化可消耗混合料中多余的水分，從而進一步加快混合料強度的形成?；旌狭系奈⑿】紫犊赏ㄟ^煤矸石水化產(chǎn)物填充，使混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，強度進一步提高，達到煤矸石廢渣再利用的目的，為公路養(yǎng)護的創(chuàng)新發(fā)展提供材料基礎(chǔ)。

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作者簡介：

陳 東（1992—），碩士，工程師，主要從事高速公路路基路面設(shè)計工作;

湯彬彬（1993—），碩士，工程師，主要從事道路工程研究工作;

盧 達（1972—），高級工程師，主要從事高速公路路面設(shè)計工作;

蔣 博（1990—），碩士，工程師，主要從事高速公路路面設(shè)計工作。0243C083-CB5E-4409-B186-257C240FA51E