2016, Vol. 33扩展功能
文章信息
- 吴平, 王选仓
- WU Ping, WANG Xuan-cang
- 粉煤灰特性对沥青混合料性能的影响
- Effect of Property of Fly Ash on Performance of Asphalt Mixture
- 公路交通科技, 2016, 33(12): 21-28
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2016, 33(12): 21-28
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.004
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文章历史
- 收稿日期: 2016-11-07
2. 内蒙古路桥有限责任公司, 内蒙古 呼和浩特 010010
2. Inner Mongolia Road & Bridge Co., Ltd., Hohhot Inner Mongolia 010010, China
粉煤灰是火力发电过程中产生的固体废弃物，主要呈球状颗粒。我国粉煤灰年产量高达上亿吨，其中只有少部分得到有效利用。特别是我国部分以煤炭能源为主的省份(如内蒙，山西等)，大量粉煤灰资源被闲置，给生态环境带来巨大压力。为缓解粉煤灰带来的环保压力，在硅酸盐水泥混凝土中大量使用粉煤灰[1-4]。在硅酸盐水泥和混凝土中，由于粉煤灰与水泥水化产物Ca(OH)2之间的潜在火山活性反应，能够减少水化产物中氢氧化钙含量，增加基体强度，延长混凝土结构的耐久性。
在沥青混凝土中，填料(石灰石粉)是必不可少的组成部分，通常起到填充密实和稳定胶结体系等作用。因此，人们试图采用粉煤灰替代沥青混凝土中的石灰石粉，以达到充分利用粉煤灰闲置资源，缓解环保压力，降低造价等目的。Ali等人[5]通过研究不同温度下含有粉煤灰的沥青混合料，认为粉煤灰的存在能够提高沥青路面的弹性模量和抗剥落能力。Eleni等人[6]通过对粉煤灰、炉底灰在沥青混凝土中的应用研究发现，并不是所有粉煤灰均适用于沥青混合料。Serkan[7]研究发现，粉煤灰提高了沥青混合料的马歇尔稳定度，降低了流值，增加了疲劳寿命等，并建议粉煤灰适用于间断级配沥青混合料中。但上述研究未对粉煤灰的作用机理进行深入分析。
事实上，填料的技术特性与沥青混合料路用性能之间具有非常密切的联系[8-9]。在沥青混合料中，由于粉煤灰的多孔结构，胶质和油份吸附在粉煤灰的孔隙中，提高了沥青胶浆的稠度和黏聚力，对沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性均有不同程度的影响[9-12]。因此，为更好的控制粉煤灰沥青混合料的使用效果，需要更为深入的研究粉煤灰自身特征对于沥青混合料的影响机理，从而在实践过程中更好的控制粉煤灰技术指标。本文拟通过测定粉煤灰密度，比表面积，颗粒分布特征，孔隙分布特征，材料组成等于矿粉之间的差异，分析上述特征对沥青混合料物理力学性能的影响规律。
1 材料与方法 1.1 原材料本文所用沥青胶结材料为90#基质沥青(壳牌)，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，测得其软化点48.8 ℃，针入度(0.1 mm,25 ℃)89，延度(5 cm/min，15 ℃)144 cm，闪点为276 ℃。采用集料为石灰石，规格分为0~5 mm机制砂(密度2.694 g/cm3)，5~10 mm(密度2.654 g/cm3，压碎值14.7%，针片状含量为14.3%)，10~15(密度2.665 g/cm3，压碎值13.8%，针片状含量5.4%)和15~20 mm(密度2.672 g/cm3，压碎值12.5%)。矿粉填料为细磨石灰石(密度2.757 g/cm3)。所用粉煤灰为来自内蒙古4个不同电厂(class-F粉煤灰)，为便于讨论分别标记为FA-1(托县电厂)，FA-2(达旗电厂)，FA-3(大唐电厂)和FA-4(呼市电厂)，其颗粒组成及材料组成等情况在后文讨论。
1.2 沥青混合料所用沥青混合料为中粒式密级配(AC-16)。依照《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40—2004)》，AC-16的级配组成如图 1所示，矿粉掺量6%。依据JTG F40—2004，原沥青混合料(不含粉煤灰)的最佳油石比为4.3%。为研究粉煤灰特性对沥青混合料路用性能的影响，本文依据文献[13]，采用体积置换法进行混合料制备，即采用等体积的粉煤灰替换等体积的石灰石矿粉，而沥青混合料的其他组成不变。
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| 图 1 AC-16级配组成与规范要求 Fig. 1 AC-16 gradation and specification requirement |
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AC-16沥青混合料制备过程依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)和《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40—2004)》的相关要求执行。
1.3 试验方法沥青混合料的马歇尔稳定度试验，高温车辙试验，低温弯曲试验和冻融劈裂试验分别依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)执行。为研究填料(包括粉煤灰和矿粉)的特性，本文分别采用激光粒度仪(Winner3003)，低温氮吸附(BET，Micromeritics)和X射线衍射分析(Shimadzu，XRD600)测定填料的粒度分布，比表面积，孔隙分布和物相组成。此外，采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(T0819—2009)测试了本文所用4种粉煤灰和矿粉的密度。
2 粉煤灰材料特性 2.1 粉煤灰密度AC-16型沥青混合料中的主要组成部分包括粗、细集料，填料和沥青胶结料。我国沥青混合料设计法是基于体积填充的理论方法，例如富勒级配曲线。本文中，采用粉煤灰等质量(100%)替代矿粉，会有密度差异(如表 1所示)，导致级配曲线在体积上存在轻微变异。因此，通常采用等体积置换的方法，依据Liu等人[13]对填料置换方法的研究，等体积置换法能够从理论上保证沥青混合料级配的体积稳定，并希望其物理力学性能不受影响[14]。具体的置换过程如下：保证其他组成不变，将目标置换质量(6%)乘以密度系数(FA密度/矿粉密度)，便可以得到置换后的材料用量。如表 1所示，最终由于密度差异，造成沥青混合料中的填料质量发生很大变化，其中FA-2的用量最小，由6%减少为4.968%。
| 填料类型 | 密度ρ/(g·cm-3) | Rρ(=ρFA/ρMineral) | 质量(=6%×Rρ)/% |
| 矿粉 | 2.757 | 1.00 | 6.000 |
| FA-1 | 2.362 | 0.857 | 5.142 |
| FA-2 | 2.284 | 0.828 | 4.968 |
| FA-3 | 2.345 | 0.851 | 5.106 |
| FA-4 | 2.628 | 0.953 | 5.718 |
2.2 粉煤灰粒度分布
图 2所示为采用激光粒度分析仪所测得的4种粉煤灰的粒度分布曲线。粒度分布通常有两个重要指标，第1个为分布频率与粒度的关系，其峰值位置即粒度分布中含量最多的粒度范围，第2个为10 μm 通过率。由图 2中可以看出，FA-1、FA-2和FA-3均在10 μm附近含量最高，分别为6%，8%和7%左右，而FA-4则分布较为靠前，在3 μm处获得最大含量，约为7.5%。总体上，4种粉煤灰的10 μm通过率分别约为60%(FA-1)，40%(FA-2)，65%(FA-3)和95%(FA-4)，即FA-4颗粒最细，FA-3次之，FA-2颗粒最粗。
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| 图 2 粉煤灰粒度分布 Fig. 2 Particle size distributions of fly ash |
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2.3 矿物组成
图 3所示为4种粉煤灰的XRD衍射分析图谱，从图中可知，4种粉煤灰中的主要成分晶体相均为莫来石和石英，但是莫来石的具体成分存在轻微差异，除了含有规则晶体莫来石(3Al2O3·2SiO2)外，还包含部分变异晶体，如Al(Al0.69Si1.22O4.85)和Al(Al0.83Si1.08O4.85)，以及玻璃体。通常情况下，莫来石为稳定相，因此，FA在大部分情况下均不具有反应活性。在本文中，在2θ为20°~30°之间的衍射峰表明粉煤灰中存在非晶相。非晶相是粉煤灰具有潜在活性的重要标志和主要原因。通过XRD结果的非晶相结果推测，FA-3的潜在活性低于FA-1，FA-2和FA-4。
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| 图 3 4种粉煤灰成分的XRD结果 Fig. 3 XRD result of 4 components of fly ash |
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2.4 微观结构
基于Brunauer-Emmett-Teller[15]气体分子吸附模型，本文采用低温氮吸附法测试了粉煤灰的孔隙结构，结果如图 4所示。经过计算(BJH法)，FA-1的平均孔径为15.9 nm(吸附)和10.6 nm(脱附)，FA-2的平均孔径为19.2 nm(吸附)和14.4 nm(脱附)，FA-3的平均孔径为14.3 nm(吸附)和11.7 nm(脱附)，FA-4的平均孔径为11.6 nm(吸附)和10.8 nm(脱附)。FA-4的平均孔径最小，FA-2的平均孔径最大。
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| 图 4 粉煤灰的孔隙结构组成分析结果 Fig. 4 Analysis result of void structure of fly ash |
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需要说明的是，3 nm以内的孔通常为固体材料(晶体或非晶体)自身的孔隙(胶体孔)，不属于颗粒堆积结构形成的孔隙。3~300 nm的孔是由于固体颗粒的结构差异导致。图 4中，在4种粉煤灰颗粒中，3 nm以内的孔隙体积基本相当，但>3 nm的孔隙分布规律具有明显差异。FA-1和FA-2的孔隙体积随着孔径增加(3~300 nm)逐渐增大；FA-3的孔隙体积随孔径增加(3~300 nm)先增大，后减小，在孔径=50 nm处取得峰值；而FA-4的孔隙体积则随孔径增加(3~300 nm)先降低后增大，并在10 nm左右取得最小值。此外，在低温氮吸附测试过程中，由于FA-4型粉煤灰不存在滞后环，表明FA-4主要为内部封闭孔隙。
图 5所示为本文所用4种粉煤灰的扫描电镜图像(SEM)。可以看出，4种粉煤灰中FA-2，FA-3 和FA-4均含有大量的球形颗粒，而FA-1中除了部分球形颗粒外，还有大量不规则颗粒。从颗粒尺寸来看，FA-2的粒度最大，FA-1次之，FA-3和FA-4较为近似，且FA-3中大粒径的颗粒略多。SEM结果与前文的粒度分布测试结果相符。受分辨率限制，扫描电镜无法观测到粉煤灰颗粒表面的多孔结构。
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| 图 5 4种粉煤灰的扫描电镜图像 Fig. 5 SEM images of 4 kinds of fly ash |
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3 掺粉煤灰的沥青混合料物理力学性能
采用等体积置换法，100%替代矿粉后的沥青混合料马歇尔试验结果如表 2所示，其中对比样(Control)沥青混合料中，所用填料为矿粉，AC16-FAx(x=1,2,3,4)分别为经过等体积粉煤灰(FA-x)置换后对应沥青混合料样品。体积指标计算结果表明，经过等体积置换后，FA-1，FA-3，FA-4对应的沥青混合料密度均有不同程度的降低，而FA-2对应的沥青混合料密度则略有增高，并按照：对比样>AC16-FA>AC16-FA1>对比样>AC16-FA2排序。相应地，密度大的混合料样品，其孔隙率低。马歇尔稳定度结果表明，掺有FA-4粉煤灰的沥青混合料动稳定度最大，表明其沥青-集料体系抗剪切能力强，力学性能最好。流值结果表明，掺加FA-2的AC-16沥青混合料流值结果最大，表明其延展性较好。
| 试样 | 密度/ (g·cm-3) | 空隙率/% | 稳定度/kN | 流值/mm |
| 对比样 | 2.382 | 5.15 | 15.22 | 4.98 |
| AC16-FA1 | 2.367 | 5.18 | 15.37 | 4.82 |
| AC16-FA2 | 2.394 | 5.01 | 14.82 | 5.22 |
| AC16-FA3 | 2.318 | 5.19 | 15.97 | 4.77 |
| AC16-FA4 | 2.296 | 5.24 | 16.24 | 4.65 |
如图 6所示为AC-16沥青混合料的常规路用性能，包括高温抗车辙性能图 6(a)，低温抗开裂性能图 6(b)和抗水损害性能图 6(c)。图 6(a)为沥青混合料动稳定度，结果表明，FA-1，FA-3，FA-4粉煤灰均能提高沥青混合料抗车辙变形能力。图 6(b)为沥青混合料最大弯拉应变(σ)，结果显示，FA的加入，沥青混合料的抗低温开裂能力均受到不同程度的减弱。而图 6(c)为冻融劈裂强度比，结果表明，含有FA-1和FA-4沥青混合料抗水损害能力略有提升，而FA-2和FA-3对沥青混合料的抗水损害能力不利，其中，FA-3对应的沥青混合料抗水损害能力最低。
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| 图 6 含有粉煤灰的沥青混合料路用性能 Fig. 6 Road performance of asphalt mixture containing fly ash |
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4 粉煤灰特性对沥青混合料的作用机理 4.1 微集料效应
现行沥青混合料方法在理论上具有最大填充密度，级配组成从体积上具有连续填充特征[16]。其中填料充当微集料的作用，除了增加胶结料黏度，增加黏滞阻力外，还起到填充粗细集料与胶结料的孔隙作用。图 7(a)所示为石灰岩矿粉的粒度分布曲线，由图中可以看出，其频率最高值约在10 μm处取得，且10 μm累积通过率约为70%。和粉煤灰相比，矿粉的粒度分布规律与FA-1和FA-3最为相似，且三者的10 μm通过率也最为接近。从沥青混合料设计理论上来讲，由于采用等体积致函，则置换前后的填料粒度分布或级配曲线相近，则对混合料体积指标的影响最小。例如表 2中，置换前后FA-3沥青混合料的孔隙率与对比样(control)相差较为接近。相反，若粉煤灰粒度分布与矿粉相差较大，如FA-2和FA-4，则体积指标有一定差距。另外，沥青混合料马歇尔力学指标(表 2)和路用性能指标(图 6)表明，粉煤灰的填料效应与力学性能之间不存在明显的相关性。
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| 图 7 矿粉的基本性能 Fig. 7 Technical performance of mineral powder |
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4.2 微胶结效应
现有研究认为，集料与沥青胶结料之间的粘结能力与集料的酸碱性有关，例如酸性集料(SiO2含量较高)与沥青之间的黏附性差，碱性集料(CaO含量较高)与沥青之间的黏附性较好。因此，通常沥青混合料的填料通常采用石灰石，因为其主要成分为CaCO3，通常认为碱性集料，如图 6(b)所示，。而对于粉煤灰，如图 3所示，主要成分为莫来石，石英和玻璃体。从化学角度来讲，粉煤灰的微胶结效应来源有两个：第一，粉煤灰呈碱性，在潮湿环境下，碱度迅速增加，从而，增大了沥青混合料中的集料与沥青粘结效果[17]；第二，粉煤灰中通常含有约5%的CaO，和接近50%的玻璃体(见图 3(a),3(b),3(d))，遇水后粉煤灰自身通常有轻微的水化反应，提供具有微弱胶结能力的水化产物，起到增加胶结能力的作用。特别是在潮湿环境下，沥青混合料中的微胶结效应有利于沥青与填料及集料之间的黏附效果。例如图 5(c)中，FA-1和FA-4对沥青混合料的抗水损害能力(TSR)有利。
4.3 多孔隙效应粉煤灰与矿粉最大的区别在于多孔性，通常情况下，粉煤灰为中空球状颗粒，在壳体表面分布着10 nm以下的胶体孔，内部为空心腔体。粉煤灰孔隙率越高，比表面积越大。另外，部分粉煤灰破壳，内部孔隙外露，更增加了粉煤灰的比表面积。将图 4和图 6(c)中的孔隙分布按照2~10 nm，10~50 nm和>50 nm分类，可以明显看出不同填料的孔隙分布特点，如表 3所示。其中，大部分孔隙均为>50 nm，矿粉中70.8%的孔隙>50 nm，粉煤灰的孔隙占比则逐渐降低，分别为68.2%(FA-1)，53.8%(FA-2)，48.1%(FA-3)和53.9%(FA-4)。即矿粉的总体孔隙体积远低于粉煤灰，且矿粉中高达70%多的孔隙较大，而粉煤灰则相反，孔隙总量大，且孔隙较小。
| 样品 | ＞50 nm | 10~50 nm | 2~10 nm |
| 矿粉 | 70.8 | 19.5 | 9.7 |
| FA-1 | 68.2 | 21.9 | 9.9 |
| FA-2 | 53.8 | 29.1 | 17.1 |
| FA-3 | 48.1 | 33.1 | 18.8 |
| FA-4 | 53.9 | 23.4 | 22.7 |
孔隙多且小的特点给粉煤灰带来了另外一个好处，如表 4所示，粉煤灰的比表面积普遍大于矿粉的比表面积(除FA-2外)。粉煤灰的大孔隙率，小孔径和大比表面积特点使其吸附沥青的能力大大提升。在沥青胶浆中，沥青质吸附在粉煤灰表面，胶质吸附在粉煤灰表面的小孔内，油份甚至渗透进入粉煤灰壳内[10]，因而沥青混合料发生黏滞阻力增大，提高了混合料的高温稳定性。例如，图 5(a)中沥青混合料高温稳定性结果与填料的比表面积具有很好的相关性。
| 样品 | 比表面积/(m2·g-1) | |
| BET | Langmuir | |
| 矿粉 | 1.47 | 2.03 |
| FA-1 | 2.37 | 3.34 |
| FA-2 | 0.98 | 1.34 |
| FA-3 | 3.7 | 5.14 |
| FA-4 | 4.52 | 6.32 |
另一方面，由于比表面积和表面孔隙的差别，在等体积置换条件下，填料表面的自由沥青含量降低，颗粒之间的移动困难，对于沥青混合料成型不利。例如，表 2中的沥青混合料孔隙率与比表面积也具有较强的相关性。因此，建议在实际使用过程中，经过等体积置换后依然需要对沥青混合料的最佳沥青用量进行二次确认。
5 结论(1) 由于粉煤灰与矿粉存在密度差异，在混合料制备过程宜采用等体积置换法进行粉煤灰-矿粉的置换操作,但实际使用时需要对替换后沥青混合料的最佳油石比进行二次确认。
(2) 粉煤灰对沥青混合料路用性能的影响并不是由单一因素决定，粉煤灰的密度、比表面积、矿物组成、粒度分布、孔隙结构等均影响沥青混合料的力学性能。粉煤灰密度与粒度分布情况影响沥青混合料设计与级配组成，比表面积和孔隙结构影响沥青混合料油石比，化学组成与矿物组成则影响粉煤灰与沥青的化学作用关系。
(3) 在沥青混合料中，粉煤灰的微集料效应、微胶结效应和多空隙效应是影响沥青混合料性能的主要因素。在采用粉煤灰作为沥青混合料填料时，应当充分考虑上述效应对于混合料性能的影响。
(4) 本文中，填料的比表面积对沥青混合料的路用性能影响最为明显，比表面积大，吸附的沥青轻质组分多，沥青胶浆的黏滞阻力越大，从而高温稳定性提高，低温稳定性降低。水稳定性除了受孔隙结构、比表面积影响外，与粉煤灰中的非晶体(玻璃体)有关。
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