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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