粉煤灰和高炉矿渣改善乳化沥青混合料性能研究

王志刚

(山西省公路局长治分局，山西 长治 047600)

1 概述

乳化沥青混合料是指在常温下使用乳化沥青代替普通沥青所拌合生产的沥青混合料，与传统的热拌沥青混合料相比，乳化沥青混合料具有节能减排、成本低廉、可循环利用等优点[1-2]，然而乳化沥青混合料早期强度低，水稳定差的缺陷制约了其在工程领域的应用和推广[3]。已有研究证实可以通过加入其他材料来增强其力学性能，吴鹏飞[4]对改性乳化沥青混合料水稳定性差的缺点，在混合料中加入水泥填料以期提高其抗水损害能力，并分析现有水稳定性评价方法对水泥-改性乳化沥青混合料的适用性，建立基于动态模量主曲线的改性乳化沥青混合料水稳定性评价方法。雷蕾用环氧树脂、聚酰胺固化剂、自制的乳化沥青，通过将不同比例的乳化沥青与环氧树脂混合，配制成不同性能的沥青混合料，研究了不同环氧树脂掺量下，沥青混合料的路用性能，结果发现环氧树脂的加入，可以提高沥青混合料的高温稳定性，也可以增加沥青混合料的劈裂强度和沥青与集料之间的黏附性[5]。

吴冬生等[6]通过添加由普通硅酸盐水泥和低温熟料复配而成的固化剂S来替代一般水泥乳化沥青混合料中使用的普通硅酸盐水泥，设计了一种早强快凝的乳化沥青混合料。赵璠新发现抗剥落剂的掺入可以较为明显地改善冷再生沥青混合料的抗水损害性能，冷再生混合料与热拌沥青混合料相比，其抗水损害性能具有较大差距[7]。Head发现在乳化沥青混合料中加入1%的水泥后混合料的水稳定性增加了约3倍[8]。Li等[9]研究了水泥乳化沥青混合料的力学性能，结果表明，该混合料同时具有水泥和沥青混凝土的性质。Thanaya等[10-12]将钢渣和玻璃渣加入到乳化沥青混合料中提高了混合料的力学性能和耐久性，并具有和热拌沥青混合料相当的强度。

实践已经证实，水泥可以提高乳化沥青混合料的性能，由于水泥成本较高，因此本研究探讨使用粉煤灰代替矿粉，通过各项试验，研究了不同粉煤灰掺量和高炉矿渣对乳化沥青混合料力学性能的影响，并使用扫面电镜及相关理论分析了粉煤灰和高炉矿渣对乳化沥青混合料性能改善的微观机理。

2 原材料

粗、细集料由花岗岩破碎而成，矿粉由石灰岩破碎而成，其主要技术指标见表1。矿粉、粉煤灰和高炉矿渣的主要化学成分见表2。集料级配要求见表3，乳化沥青技术指标见表4，130号沥青和50号沥青技术指标见表5。

表1 集料主要技术指标

表2 矿粉、粉煤灰、高炉矿渣主要化学成分的质量分数

表3 混合料级配要求

表4 乳化沥青技术指标

表5 沥青主要技术指标

3 试验方案

乳化沥青混合料进行拌合时，用水量为5%，压实时的最佳含水量(质量分数)为15.16%，最佳乳化沥青用量为7%，以集料总质量的1.5%，3%，4.5%和6%的粉煤灰代替矿粉制备混合料，并在3%和6%粉煤灰的混合料中加入占集料总质量1%，2%和3%的高炉矿渣进行拌合。混合料试样的拌合和压实温度为20 ℃。使用130号 和50号沥青制备热拌沥青混合料，50号热拌沥青混合料的拌和温度为165 ℃～175 ℃，130号热拌沥青混合料的拌合温度为150 ℃～160 ℃。

3.1 间接拉伸试验

间接拉伸试验所得结果为间接拉伸劲度模量。进行该试验时试样按如下方法养护：

1)将试样在模具中于20 ℃下放置1 d;2)将试样取出置于40 ℃烘箱中1 d；3)将试样在20 ℃下分别放置2 d，7 d，14 d和28 d进行试验。

3.2 单轴压缩循环试验

单轴压缩循环试验所得结果为蠕变劲度。进行该试验的试样按如下方法养护：

1)将试样在模具中于20 ℃下放置1 d；2)将试样取出置于40 ℃烘箱中14 d以确保水分完全蒸发。

3.3 水稳定性试验

通过间接拉伸试验来评价混合料的水稳定性，所得结果为间接拉伸强度比。分别制备了干湿两组试样，第一组干试样按如下方法养护：1)将试样在模具中于20 ℃下放置1 d；2)将试样取出置于40 ℃烘箱中1 d；3)将试样在20 ℃下放置3 d。第二组湿试样按如下步骤进行养护：1)将试样在模具中于20 ℃下放置1 d；2)将试样取出置于40 ℃烘箱中1 d；3)将试样在真空度为6.7 kPa的条件放置30 min；4)恢复常压，在40 ℃水浴中放置3 d。待两组试样养生完成后，在25 ℃下进行试验，并求得干湿两组试样的间接拉伸强度比。

3.4 扫描电镜试验

扫描电子显微镜(SEM)可以对物品表面的微观形貌进行观测，并进行定量和半定量分析测试，将所用试样进行表面喷金后即可进行观测分析。本试验采用JSM-5600LV型扫描电子显微镜对样品进行形貌观测。试样制备时，将适量水分别与矿粉和改性填料拌合制成胶浆，待混合物相互反应7 d和28 d后，通过扫描电子显微镜对矿粉胶浆与改性填料胶浆的微观形貌进行观察，以便更清楚获得矿粉和3%粉煤灰+1%高炉矿渣与水相互作用后生成物的显微观形貌。

3.5 热重试验

热重试验(Thermogravimetry Analysis，TG)是通过在一定温度范围内升温或降温，以掌握物质随温度变化的规律，通过测定残存质量、失重温度，如起始点、峰值等信息定量分析物质的热稳定性，另外，还可对物质的分解、吸附、解吸附、氧化、还原等物化过程进行分析[13]。使用101-TGA热重分析仪对用于扫面电镜试验的28 d矿粉胶浆与改性填料胶浆进行热重分析试验以分写两种胶浆的热稳定性。

4 结果与讨论

4.1 间接拉伸试验分析

由图1可知，普通乳化沥青混合料的劲度模量随养护时间的增加基本保持不变，而加入粉煤灰的乳化沥青混合料劲度模量随养护时间的延长而逐渐增加。乳化沥青混合料劲度模量随粉煤灰掺量的增加也逐渐增加，粉煤灰掺量越高劲度模量增加越显著，造成这种现象的原因是粉煤灰的水化反应以及粉煤灰对混合料中水分的吸收作用。当养护时间大于14 d时，加入6%粉煤灰掺量的乳化沥青混合料劲度模量大于50号热拌沥青混合料。

由图2可知，3%粉煤灰乳化沥青混合料的劲度模量随矿渣掺量和养护时间的增加而逐渐增加，矿渣掺量越高劲度模量增加越显著。3%粉煤灰+3%高炉矿渣的混合料在养护时间大于14 d时，其劲度模量大于50号热拌沥青混合料。3%粉煤灰+1%高炉矿渣的混合料在养护时间为2 d时，大于130号热拌沥青混合料。

由图3可知，当6%粉煤灰的乳化沥青混合料加入1%的矿渣在养护时间大于7 d时，其劲度模量大于50号热拌沥青混合料。养护时间为2 d时，向含6%粉煤灰的乳化沥青混合料中加入2%的钢渣，其劲度模量增加了约40%，且大于50号热拌沥青混合料。加入1%的高炉矿渣的混合料在养护时间为4 d时，其劲度模量与50号热拌沥青混合料相等。

将在20 ℃下养护28 d的试样分别在5 ℃，20 ℃和40 ℃下进行间接拉伸试验，以探究不同类型的乳化沥青混合料在不同温度下的力学性能。由图4可知，普通乳化沥青混合料的劲度模量随试验温度的增加逐渐减小；加入3%粉煤灰 +1%高炉矿渣混合料的劲度模量在40 ℃时高于普通热拌沥青混合料；而在5 ℃时该混合料的劲度模量小于普通热拌沥青混合料和6%粉煤灰混合料的劲度模量，说明加入3%粉煤灰+1%高炉矿渣乳化沥青混合料在寒冷地区具有更好的适用性。加入不同比例的粉煤灰和高炉矿渣后，乳化沥青混合料劲度模量在不同的温度下变化幅度最大值为2 250 MPa，而热拌沥青混合料在不同的温度下变化幅度最小值为3 077 MPa，所以加入粉煤灰和高炉矿渣的混合料温度敏感性更低。

4.2 单轴压缩循环试验分析

由图5可知，在只加入粉煤灰时，乳化沥青混合料的蠕变劲度出现显著增长且随粉煤灰掺量的增加而增加。粉煤灰的掺量为3%时乳化沥青混合料的蠕变劲度为50号 热拌沥青混合料的5倍左右，而在含3%粉煤灰的乳化沥青混合料中加入1%的高炉矿渣后，乳化沥青混合料的蠕变劲度达到50号热拌沥青混合料的10倍左右，为掺加6%粉煤灰乳化沥青混合料蠕变劲度的2倍左右，可见加入高炉矿渣对乳化沥青混合料抗永久变形能力的提高更为突出。

4.3 水稳定性试验分析

由图6可得，间接拉伸强度比随粉煤灰掺量的增加而逐渐增加，随高炉矿渣掺量的增加先增加后减小，在粉煤灰掺量不变的情况下矿渣掺量为1%时，间接拉伸强度比最大，此时乳化沥青混合料的水稳定性也最好。在加入高炉矿渣后，乳化沥青混合料的间接拉伸强度比得到明显提高。造成以上现象的主要原因是，在40 ℃的较高温度下，混合料中粉煤灰的水化反应更为剧烈而且水化反应的产物和高炉矿渣相互作用生成了新的胶结物。

4.4 扫描电镜试验分析

由图7对比矿粉的扫描电镜图像发现， 7 d和28 d时，矿粉仍然以分散状态存在于胶浆中，没有发生显著的变化；而改性填料(3%粉煤灰 + 1%高炉矿渣)则由于水化反应生成了具有胶结状态的复合胶浆，且随着反应时间的增加复合胶浆逐渐增多，结构变得更为致密，它们有利于集料之间的水化物相互连接，也有利于水化产物直接与集料黏结，从而使集料与胶浆之间、集料与集料之间的水化产物形成加筋，水化产物与沥青胶浆的相互交织会提高乳化沥青混合料胶浆的黏度。另外，水化产物会填充混合料内部微小空隙，促使混合料形成均匀、密实的整体，这有利于提高混合料的劲度模量，降低其温度敏感性[14]。

4.5 热重试验分析

使用101-TGA热重分析仪对28 d的两种胶浆进行分析测试后试验结果如图8所示。

由图8可知，温度为320 ℃左右时，矿粉胶浆开始出现明显的质量损失，待温度升高到500 ℃时质量损失趋于平缓，在480 ℃左右时损失率最高，可见320 ℃以下时，矿粉胶浆性质较为稳定；当温度超过320 ℃后，矿粉胶浆开始分解，发生质量损失现象，在480 ℃时质量分解效果最为显著；当温度超过500 ℃时矿粉胶浆几乎全部分解。而改性填料胶浆开始发生分解的温度为380 ℃左右，在500 ℃时基本保持不变。

根据相关研究[15]，热分析试验样品残留物质量比可以用来定量表征物品的高温耐热性和稳定性，样品残留物质量比越大，其热稳定性越好。根据对比计算，28 d矿粉胶浆的残留物质量比为21.3%，而28 d改性填料胶浆的残留物质量比为32.5%，可见改性填料胶浆的稳定性更高，受热环境下质量损失较小。

5 结论

1)乳化沥青混合料的劲度模量随着粉煤灰掺量的增加而增加，在同时加入粉煤灰和高炉矿渣后混合料的劲度模量出现显著增长。

2)在混合料中加入粉煤灰后，不论是否加入高炉矿渣，乳化沥青混合料的抗永久变形能力都会得到显著增加，加入高炉矿渣后这种增加尤为突出。

3)向含有粉煤灰的混合料中加入高炉矿渣后，其水稳定性得到显著增长，在粉煤灰掺量较多时这种增加尤为显著。

4)改性填料与乳化沥青水相发生水化反应生成的复合胶浆热稳定性更好，且可在乳化沥青胶浆中形成加筋，同时水化产物与沥青胶浆形成的复合胶浆黏度较大，这是乳化沥青混合料劲度模量、抗永久变形能力和水稳性显著提高的主要原因。另外，水化产物的填充效应也有利于混合料性能的改善。