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        粉煤灰摻量對(duì)瀝青混合料路用性能影響研究

        2025-04-26 00:00:00姜雨雨李祥坤

        摘 要:本研究旨在探討不同粉煤灰摻量對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能的影響。通過(guò)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、流值測(cè)試和低溫劈裂試驗(yàn),系統(tǒng)分析了粉煤灰摻量對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能的變化規(guī)律。結(jié)果表明,摻入適量粉煤灰(40%~80%)可以有效提高混合料的高溫抗變形能力和延展性,其中,80%摻量下的馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到最大值。粉煤灰摻量增加有助于提高混合料的延展性,但摻量過(guò)高(超過(guò)80%)會(huì)降低抗裂性能和剛度,尤其在低溫條件下,劈裂抗拉強(qiáng)度明顯下降。研究結(jié)果為粉煤灰在瀝青路面中的應(yīng)用提供了理論依據(jù),建議在工程中合理控制粉煤灰摻量,平衡各項(xiàng)路用性能。

        關(guān)鍵詞:粉煤灰;瀝青混合料;高溫穩(wěn)定性;低溫抗裂性;馬歇爾穩(wěn)定度

        中圖分類(lèi)號(hào):U 41" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        粉煤灰是燃煤電廠產(chǎn)生的主要工業(yè)副產(chǎn)物,因其豐富的資源、低廉的成本及較好的化學(xué)穩(wěn)定性,逐漸應(yīng)用于土木工程中,特別是在水泥混凝土的研究中得到了廣泛應(yīng)用。將粉煤灰應(yīng)用于瀝青混合料中,不僅可以提高材料的力學(xué)性能,還能減少環(huán)境污染,實(shí)現(xiàn)資源可持續(xù)利用。然而,粉煤灰在瀝青混合料中的具體作用機(jī)制仍存在較多不確定性,尤其是不同摻量的粉煤灰對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性的影響機(jī)制尚不明確[1]。

        在高溫條件下,馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,通過(guò)測(cè)試馬歇爾穩(wěn)定度和流值,能夠分析混合料在荷載作用下的抗變形能力[2-3]。在低溫條件下,劈裂試驗(yàn)是評(píng)價(jià)瀝青混合料抗裂性能的有效方式,通過(guò)測(cè)試劈裂強(qiáng)度,可以評(píng)估混合料在低溫條件下的抗拉破壞能力[4]。因此,本研究通過(guò)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn),系統(tǒng)分析了不同粉煤灰摻量對(duì)瀝青混合料在高溫和低溫條件下的路用性能影響。

        本文旨在通過(guò)試驗(yàn)研究不同摻量下的材料性能,確定最佳的摻量配比,為道路工程中的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

        1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        1.1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

        瀝青混合料的常見(jiàn)原材料主要有瀝青、粗細(xì)集料、礦粉。由于礦粉的生產(chǎn)過(guò)程會(huì)造成較大的能源消耗,不符合綠色低碳的生產(chǎn)理念,因此在實(shí)際工程中常采用粉煤灰進(jìn)行替代。本文所用瀝青為70#石油瀝青,其技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求,具體見(jiàn)表1。

        粗集料為粒徑在2.36mm~13.2mm的石灰?guī)r碎石,細(xì)集料為粒徑在0.075mm~2.36mm的石灰?guī)r碎石屑。礦粉為粒徑小于0.075mm的石灰?guī)r礦粉,粉煤灰取自當(dāng)?shù)匕l(fā)電廠,其粒徑小于0.075mm。兩者化學(xué)組成和物理性能對(duì)比如圖1所示。

        本文共設(shè)計(jì)6種不同的粉煤灰替代礦粉摻量的試驗(yàn)方案,替代率分別為0%、20%、40%、60%、80%和100%。試驗(yàn)中的油石比分別為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%,根據(jù)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn),油石比與馬歇爾穩(wěn)定度間關(guān)系如圖2所示。最終確定本試驗(yàn)的最佳油石比為4.9%。因此,后續(xù)試驗(yàn)均基于最佳油石比。每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行試樣(試樣高度63.5 cm),將平行試樣試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果,進(jìn)行后續(xù)分析。

        1.2 試驗(yàn)方法

        1.2.1 耐高溫馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

        耐高溫馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)分為兩個(gè)主要步驟:水浴加熱和穩(wěn)定度測(cè)試。模擬瀝青混合料在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性,通過(guò)水浴加熱使試樣達(dá)到規(guī)定的溫度,以便進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)試。主要步驟如下:按照設(shè)計(jì)的油石比制作瀝青混合料試樣,標(biāo)準(zhǔn)尺寸為直徑101.6 mm,高度63.5 mm的圓柱體。將恒溫水浴設(shè)備的溫度設(shè)定為60℃,這是馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)中常用的高溫測(cè)試條件。將瀝青混合料試樣放入水浴槽中,使其完全浸沒(méi)在水中,保持溫度均勻。試樣在水浴中保持(60±1)min,保證試樣內(nèi)部與外部的溫度一致,達(dá)到60℃的高溫狀態(tài)。在加熱時(shí)間結(jié)束后,將試樣從水浴中取出,并迅速進(jìn)行下一步的馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)試,以免試樣降溫影響測(cè)試結(jié)果。

        在馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)試中,將試樣放置在測(cè)試設(shè)備的加載頭之間,并以1.27 mm/min的速度進(jìn)行垂直加載。在測(cè)試過(guò)程中,設(shè)備記錄試樣所能承受的最大荷載(即馬歇爾穩(wěn)定度)和破壞時(shí)的垂直變形量(流值)。

        1.2.2 低溫劈裂試驗(yàn)

        低溫劈裂試驗(yàn)包括低溫冷凍和劈裂測(cè)試兩個(gè)步驟。將按照設(shè)計(jì)配比制作的瀝青混合料試樣放入低溫恒溫箱中,設(shè)定溫度為-10℃或其他符合試驗(yàn)要求的低溫條件,冷凍至少4h,保證試樣內(nèi)部和外部溫度一致,達(dá)到穩(wěn)定的低溫狀態(tài)。在冷凍完成后,試樣迅速取出并進(jìn)行劈裂試驗(yàn)。

        將試樣水平放置在劈裂試驗(yàn)機(jī)上,以50 mm/min的加載速度垂直施加壓力,直到試樣沿直徑方向破裂。記錄試樣破裂時(shí)的最大荷載,計(jì)算其抗拉強(qiáng)度,從而評(píng)估瀝青混合料在低溫環(huán)境下的抗裂性能。通過(guò)該試驗(yàn),可以有效模擬嚴(yán)寒環(huán)境下瀝青混合料的路用性能,為實(shí)際工程提供參考依據(jù)。

        2 瀝青混合料高溫性能

        2.1 粉煤灰摻量對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度的影響分析

        圖3為粉煤灰摻量對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度的影響。從圖中可以看出馬歇爾穩(wěn)定度隨粉煤灰摻量增加,呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì),表明適量的粉煤灰有助于提高混合料的密實(shí)度和黏結(jié)性,從而增強(qiáng)其抗變形能力。然而,當(dāng)粉煤灰摻量過(guò)多時(shí),穩(wěn)定度反而降低,可能是因粉煤灰過(guò)量導(dǎo)致混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞,增加了空隙率,試驗(yàn)降低了骨料與瀝青的黏結(jié)性。當(dāng)粉煤灰摻量為80%時(shí),馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到最大值(10.3143 kN)。表明在80%的摻量下,瀝青混合料的抗變形能力最強(qiáng),也是最佳的粉煤灰摻量。

        2.2 粉煤灰對(duì)流值的影響

        圖4為粉煤灰摻量對(duì)流值的影響的結(jié)果。從圖中可知,當(dāng)摻量在20%~40%時(shí),流值處于最低點(diǎn)(約為2.63 mm),表明此時(shí)瀝青混合料的變形能力較小,表現(xiàn)出良好的剛性。當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)60%時(shí),流值明顯增加,表明高摻量下瀝青混合料的流動(dòng)性增強(qiáng),抗變形能力下降,可能是過(guò)多粉煤灰導(dǎo)致混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

        綜上所述,粉煤灰摻量對(duì)流值的影響較為顯著,當(dāng)摻量較少時(shí)(20%~40%),混合料的流值較低,抗變形性能較好,而當(dāng)摻量較多時(shí)(60%~100%),流值明顯上升,抗變形能力下降。因此,在工程應(yīng)用中,應(yīng)避免過(guò)摻量多的粉煤灰,保持混合料的良好性能。

        2.3 粉煤灰對(duì)馬歇爾模數(shù)的影響

        圖5為粉煤灰摻量對(duì)馬歇爾模數(shù)的影響。由圖5可知,隨著粉煤灰摻量增加,馬歇爾模數(shù)呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰摻量為0%~40%時(shí),馬歇爾模數(shù)不斷上升,表明摻加適量的粉煤灰可以增強(qiáng)瀝青混合料的剛度和抗變形能力。然而,在摻量超過(guò)40%后,馬歇爾模數(shù)逐漸下降,尤其當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到100%時(shí),馬歇爾模數(shù)降至最低值。當(dāng)粉煤灰摻量為40%時(shí),馬歇爾模數(shù)達(dá)到最大值4.41961kN/mm,表明在此摻量下,瀝青混合料的剛度和抗變形能力最強(qiáng)。當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到100%時(shí),模數(shù)降至最低值(2.77569 GPa),表明此時(shí)混合料的剛度和穩(wěn)定性大幅下降,表現(xiàn)較差。

        綜上所述,粉煤灰的摻量對(duì)瀝青混合料的馬歇爾模數(shù)有顯著影響。當(dāng)摻量為40%時(shí),混合料的模數(shù)最大,表明其力學(xué)性能最佳,而摻量超過(guò)這個(gè)比例后,模數(shù)逐漸減少,會(huì)影響材料的剛度和抗變形性能。因此,工程中應(yīng)將粉煤灰的摻量控制在40%左右,以達(dá)到最佳性能。

        3 瀝青混合料低溫性能

        3.1 粉煤灰對(duì)低溫劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

        圖6為粉煤灰摻量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。由圖6可知,粉煤灰摻量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響表現(xiàn)出逐步下降的趨勢(shì)。隨著粉煤灰摻量增加,劈裂抗拉強(qiáng)度不斷降低,表明增加粉煤灰在一定程度上削弱了瀝青混合料的抗拉能力。在沒(méi)有摻加粉煤灰的情況下,劈裂抗拉強(qiáng)度最大(2.4266 MPa),表明未摻入粉煤灰的瀝青混合料具有更好的抗裂性能。當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到100%時(shí),劈裂抗拉強(qiáng)度降至最低(1.9912 MPa),表明粉煤灰過(guò)多會(huì)顯著降低瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度,影響其抵抗裂縫形成的能力。

        綜上所述,粉煤灰摻量增加會(huì)顯著降低瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度。未摻加粉煤灰的混合料表現(xiàn)出最佳的抗裂性能,而摻量越高,抗拉強(qiáng)度下降越明顯。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)將粉煤灰的摻量控制在較低范圍內(nèi),避免混合料的抗裂性能降低。

        3.2 粉煤灰對(duì)破壞拉伸應(yīng)變的影響

        粉煤灰摻量對(duì)破壞拉伸應(yīng)變的影響如圖7所示。隨著粉煤灰摻量增加,破壞拉伸應(yīng)變呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)。粉煤灰摻量從0%增至100%,破壞拉伸應(yīng)變也不斷增加,說(shuō)明摻入粉煤灰提高了混合料的延展性和變形能力。隨著粉煤灰摻量從0%增至100%,破壞拉伸應(yīng)變逐漸增加,這表明加入粉煤灰使混合料的韌性提高,能夠承受更多的拉伸變形,不易發(fā)生破壞。

        綜上所述,粉煤灰摻量增加能夠顯著提高瀝青混合料的破壞拉伸應(yīng)變,使其變形能力增強(qiáng),延展性增加。當(dāng)粉煤灰摻量為100%時(shí),混合料表現(xiàn)出最強(qiáng)的變形能力,因此在某些對(duì)延展性要求較高的工程中,適量增加粉煤灰摻量可能有助于提高材料的整體韌性。但是在實(shí)際應(yīng)用中還需要平衡其他性能,保證混合料的整體質(zhì)量和性能。

        4 結(jié)論

        當(dāng)粉煤灰摻量在80%時(shí),瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到最大值,表明其高溫抗變形能力最強(qiáng),但摻量超過(guò)80%后,穩(wěn)定性下降。當(dāng)40%粉煤灰摻量時(shí),混合料的馬歇爾模數(shù)最大,剛度和抗變形能力最佳,超過(guò)這個(gè)摻量后,剛度逐漸下降。粉煤灰摻量增加會(huì)顯著降低混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度,抗裂性能隨摻量增加而降低,因此建議在低溫環(huán)境中控制粉煤灰的摻量。粉煤灰摻量增加能提高混合料的破壞拉伸應(yīng)變和韌性,100%摻量時(shí)的延展性最強(qiáng),適用于對(duì)變形能力要求較高的工程。

        參考文獻(xiàn)

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