煤矸石粉对微表处路用和层间耐久性能影响

Effect of Coal Gangue Powder on Micro-sufacing Road Durability and Interlayer Durability

摘要

为探究煤矸石粉在微表处技术中应用的可行性，选取不同煤矸石粉替代微表处混合料的填料，室内成型要求的组合试件采用汉堡车辙试验、四轮加速磨耗试验和剪切疲劳试验等长期性能测试方法，研究含有不同填料的微表处混合料路用性能和层间性能，并分析不同因素对微表处长期性能的影响差异性。结果表明，煤矸石粉以替代矿粉的形式添加于微表处中，可改善微表处的高温性能、水稳性能、耐磨耗性能、长期抗滑性能和层间黏结性能，其中，高温活化煤矸石粉的改善效果较好，煤矸石粉替代量对微表处不同性能影响高于矿粉类型，但煤矸石粉替代水泥则有损微表处的路用性能和层间性能。微表处长期性能的改善效果与煤矸石粉替代矿粉的质量密切相关，煤矸石粉替代率越高，则微表处的长期性能越好；矿粉全部替代为煤矸石粉、活化煤矸石粉，微表处的高温性能、水稳性能、耐磨耗性能、长期抗滑性能和层间剪切疲劳寿命分别提高约26.8%和36.4%、33.5%和40.0%、33.4%和45.1%、4.7%和6.8%、9.5%和10.4%。研究成果为煤矸石在沥青路面养护技术中应用提供参考。

Abstract

To explore the feasibility of coal gangue powder applied in micro-surfacing， the coal gangue powder and activated coal gangue powder were selected to replace the filler of micro-surfacing mixture， and the different combination specimen was formed. The Hamburg wheel tracking test， accelerated wear test and shear fatigue test were used to analyze the road performance and interlayer property of micro-surfacing mixture with different fillers， and the significant influence of different factors on long-term performance of micro-surfacing was analyzed. The results showed that the high temperature performance， moisture susceptibility， abrasion resistance， long-term skid resistance of micro-surfacing were improved when the coal gangue powder was selected to replace the mineral powder， and the improvement effect of high temperature activated coal gangue powder was better， and the substitution amount of coal gangau powder had a higher impact on the different properties of micro-surfacing than the coal gangue powder. But the road performance and interlayer property of micro-surfacing were damaged due to the cement was replaced by the coal gangue powder. The long-term performance of micro-surfacing was closely related to the dosage of coal gangue powder， the dosage of coal gangue powder was greater， the long-term performance of micro-surfacing was better. The mineral powder was replaced completely by the coal gangue powder， the high temperature performance， moisture susceptibility， abrasion resistance， long-term skid resistance and shear fatigue life of micro-surfacing were improved by about 26.8% and 36.4%， 33.5% and 40.0%， 33.4% and 45.1%， 4.7% and 6.8%， 9.5% and 10.4%， respectively. The research results will provide reference basis for coal gangue applied in asphalt pavement maintenance technology.

Graphical abstract

关键词

预防性养护 / 微表处 / 煤矸石粉 / 耐久性 / 层间性能

Key words

Preventative maintenance / micro-surfacing / coal gangue powder / durability / interlayer property

0 引言

公路路面养护是延长路面寿命、提高路面服务能力的重要措施，路面养护需投入大量的材料和能源消耗，这势必会对生态环境产生一定的扰动；选用低碳环保的养护技术，是公路养护行业落实绿色低碳理念的重要举措。微表处技术不仅具有防水、修复车辙、抗滑性能卓越和开放交通快等特点，还能够在常温下拌和与铺筑。煤矸石是煤炭开采和洗选过程中排放的固体废弃物，由于我国煤矸石资源化利用率不足，导致煤矸石累计堆放量已超过 70亿t；煤矸石产生量约为煤炭产量的10%~15%，近10年来我国煤矸石产生量每年维持在7亿t左右^［1］，因此扩展煤矸石的利用途径对减少其环境污染问题具有重要意义。煤矸石又是可利用的资源，质地坚硬、组分含有较高的SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃等，具备潜在的火山灰活性，可作为建筑材料，如水泥原料、混凝土骨料和辅助胶凝材料等^［2］。根据煤矸石材料与微表处技术的特点，开展二者相结合的尝试性研究，是解决微表处所需天然矿料供应不足、降低水泥生产二氧化碳排放量大以及提高煤矸石利用率的有效途径，但目前关于该方面的研究尚有待深入。

煤矸石能够替代沥青混合料中不同规格矿料，Wang等^［3］研究指出，煤矸石粉和水泥用作乳化沥青胶浆填料，可显著改善胶浆的高温性能，且改善效果与粉胶比呈指数形式增加。Liu等^［4］研究发现，选取1~3 mm规格的煤矸石用于乳化沥青混合料中，能够提高乳化沥青混合料的水稳性能和马歇尔稳定度，在该混合料中煤矸石水化产物和沥青共同承担胶结和强度作用。Amir等^［5］研究发现，乳化沥青冷再生沥青混合料中添加煤矸石粉、活化煤矸石粉，可改善其稳定度、间接拉伸强度和回弹模量等，且活化煤矸石粉还能够显著改善混合料的抗水损害性能，煤矸石粉在混合料的应用不会导致浸出液中重金属含量超标。上述研究证实了煤矸石应用于冷拌沥青混合料中的可行性，但目前煤矸石多用于热拌沥青混合料中，且主要应用形式为替代矿粉。煤矸石粉和高温活化煤矸石粉替代矿粉用于热拌沥青混合料中，能够改善沥青混合料的高温性能、水稳性能、疲劳性能和力学性能，其中高温活化煤矸石粉的改善效果较好，然而煤矸石粉的应用则有损沥青混合料的低温性能^［6-9］。此外，普通微表处应对自然环境和车辆荷载的能力欠佳，导致应用效果并不好，研究者采用水性环氧树脂、纤维、橡胶粉、SBS改性乳化沥青、天然沥青或调整矿料级配、水泥用量及集料岩性等以改善微表处的不同性能^［10-14］。但以上研究中较少关注填料改变对微表处性能的影响，且多数研究中采用的是短期性能测试，忽略微表处耐久性能的考虑。

基于此，本研究尝试开展煤矸石粉应用于微表处中的可行性研究，探析煤矸石粉替代填料对微表处路用和层间耐久性能的影响。选取煤矸石粉和高温活化煤矸石粉替代微表处中的矿粉和水泥，采用汉堡车辙试验、四轮加速磨耗试验和剪切疲劳试验研究煤矸石粉添加对微表处耐久性能的影响规律，并优化煤矸石粉合理的替代方式和替代率，解决煤矸石与微表处相结合的技术难点问题。研究成果可为煤矸石在沥青路面预防性养护技术中应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验用材料

微表处所用结合料为SBR改性乳化沥青，改性剂掺量为3.5%，技术性能见表1。粗细集料选用玄武岩石料，矿粉由石灰岩石料磨细得到，技术指标达到规范要求；矿料级配选用MS-3型，具体如图1所示。水泥选用42.5号普通硅酸盐水泥，外加水为可饮用水。根据《微表处和稀浆封层技术指南》中推荐 的配合比设计方法，确定出普通微表处混合料中不 同组成材料的配比，具体为矿料∶SBR改性乳化沥 青∶水泥∶水=100∶11∶2∶6.5。

煤矸石选自河南省平顶山市某矿区，并将其置于105 ℃烘箱中烘干至恒重，通过研磨、过筛工艺后得到煤矸石粉。取部分煤矸石粉置于750 ℃高温环境中充分煅烧，冷却后再次筛分从而制得活化煤矸石粉。煤矸石粉、矿粉和水泥的主要化学组成及物理性能见表2和表3。煤矸石粉替代填料方案见表4，填料替代采用等质量法，并保持混合料中乳化沥青和外加水的质量不变。

1.2 测试方法

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE 20—2011）中提供的微表处性能评价方法主要是关于其短期性能，且部分试验方法为经验性方法，人为因素影响较大。结合相关研究成果，并基于微表处长期性能的考虑，选取以下试验方法评价微表处混合料的路用和层间耐久性能。

1.2.1 汉堡车辙试验

汉堡车辙试验系统中荷载作用次数最高可设置为20 000次，有效考虑了车辆荷载对路面材料的长期作用，并提供空气浴和水浴试验模式，使其能够评价沥青混合料的高温性能和水稳性能。测试试件采用组合试件，由水泥板和微表处混合料层构成，成型方法如图2所示，微表处层养生后的厚度为25 mm。不同微表处混合料开展汉堡车辙试验的条件见表5，考虑到微表处层厚度、混合料中最大粒径集料尺寸及文献［15］研究成果等情况，设定试验结束判别条件之一为最大车辙深度12.5 mm；车辙深度变化率计算方法为最终车辙深度/（最终碾压次数×10³次）^［16］。

1.2.2 加速磨耗试验

微表处摊铺于路面最表层，应具有较好的耐磨性和抗滑耐久性。参照文献［17］研究成果，采用四轮加速磨耗试验评价微表处混合料的耐磨耗性和抗滑耐久性，装置中试件由4块车辙板构成，经加载轮磨耗后每块车辙板表面形成四分之一圆环轨迹。组合试件成型方法如图3所示。加速磨耗试验在常温环境25 ℃条件下进行，加载轮荷载为1.4 MPa，试件表面保持干燥状态。不同性能评价指标为微表处混合料的质量损失率和摩擦摆值，加速磨耗试验每进行3 000次暂停1次，取出测定试件质量和摩擦摆值，其中质量损失率计算方法为

F=\frac{(M_a-M_k)\times A}{(M_a-M_{\mathrm{0}})\times a}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}。（1）

式中：F为微表处混合料的质量损失率，%；M_a 为磨耗前铺筑了微表处的车辙板试件质量，g；M_k 为磨耗k次后铺筑了微表处混合料的车辙板试件的质量，g；M₀为铺筑微表处混合料前车辙板试件的质量，g；A为微表处试件的面积，900 cm²；a为微表处试件实际磨耗面积，约为205 cm²。

1.2.3 剪切疲劳试验

微表处与原路面之间黏结性能的优劣影响层间滑移现象发生的概率，界面黏结性能的下降会造成推移、拥包等病害。考虑到斜剪试验可同时施加水平力和竖向力作用，模拟状态更接近实际情况；且层间病害的产生往往是车辆荷载重复作用导致，因此采用剪切疲劳试验评价微表处与原路面之间的黏结性能。测试试件成型方法如图4所示。斜剪试验装置中压块和支撑块的凹陷部位角度采用 25°34′，模拟的情况是车辆紧急制动，水平力系数取值0.5^［18］，如图5所示。试验温度为60 ℃，测试分两部分进行，1）获得层间最大破坏荷载，采用万能试验机对图5装置进行加载，加载速度为2 mm/min，以获得层间剪切破坏时对应的最大荷载；2）获得剪切疲劳寿命，取最大破坏荷载的0.5倍作为剪切疲劳试验的重复加载作用力，荷载加载方式为半正弦矢波，频率选择10 Hz，层间破坏时所对应的加载次数即为剪切疲劳寿命；疲劳寿命次数越大，则对应的层间黏结性能越好。

2 试验结果分析

2.1 煤矸石粉对微表处高温性能和水稳性能的影响

图6和表6为不同微表处混合料的汉堡车辙试验结果，由图6和表1看出，1）煤矸石粉替代微表处中的矿粉，可改善微表处混合料的高温性能和水稳性能，不同方案的性能由优到劣为：8%活化煤矸石粉、8%煤矸石粉、4%矿粉、4%活化煤矸石粉、4%矿粉、4%煤矸石粉、8%矿粉，相对于普通微表处混合料，以上不同方案的微表处高温性能提高约36.4%、26.8%、19.3%和8.4%，水稳性能提高约40.0%、35.5%、27.8%和18.4%，煤矸石替代量对微表处高温性能和水稳性能的影响高于煤矸石粉类型，原因一方面为煤矸石经物理活化后能够激发组分的活性，且组分中含有较多的SiO₂和Al₂O₃等活性成分，可在碱性环境下发生二次水化反应，增加了混合料中胶凝物质的含量和强度，另一方面为煤矸石粉的比表面积大于矿粉，其与沥青的接触面积较大，可充分吸收沥青中轻质组分，提高沥青与矿料的黏结性能和交互作用能力，有效限制矿料颗粒的错位和滑移；2）煤矸石粉替代微表处中的水泥成分，则损害微表处混合料的抗车辙性能和水稳性能，煤矸石粉和活化煤矸石粉替代部分水泥，微表处混合料的抗车辙性能和水稳性能分别降低约13.7%和22.3%、9.3%和13.0%，这是因为水泥含量的降低导致水化硅酸钙、氢氧化钙等水化产物量减小，且形成的碱性环境不足以支撑SiO₂、Al₂O₃等活性成分继续发生二次水化反应，造成部分煤矸石粉仅起到填充的作用；3）活化煤矸石粉应用于微表处中，其抗车辙性能和水稳性能均优于煤矸石粉，说明高温煅烧处理不仅持续增加了煤矸石粉的活性和比表面积，还使煤矸石粉产生了更丰富的孔隙结构，促使活化煤矸石粉与沥青之间的表面润湿作用和界面吸附作用更强。

2.2 基于加速磨耗试验的不同微表处耐久性能评价

不同阶段微表处混合料质量损失率和摩擦摆值结果如图7和图8所示。

由图7和图8得知，1）微表处中的填料替换为煤矸石粉后，微表处混合料的耐磨耗性和长期抗滑性能均得到不同程度的改善，原因为煤矸石粉具有较大的比表面积、含有更多的活性成分和粗糙的表面结构，增强了其与沥青的交互能力，提高矿料与结合料之间的黏结性能，从而使矿料及矿料表面的沥青膜不易被车轮磨耗掉，不同微表处混合料的性能由优到劣为：8%活化煤矸石粉、8%煤矸石粉、4%矿粉+4%活化煤矸石粉、4%矿粉+4%煤矸石粉、 8%矿粉，煤矸石粉和活化煤矸石粉替代全部矿粉后，微表处混合料的质量损失率分别降低约33.4%和45.1%，摩擦摆值分别提高约4.7%和6.8%； 2）部分水泥替代为煤矸石粉后，微表处混合料的耐磨耗性和长期抗滑性能下降，微表处混合料的质量损失率分别增大约17.7%和12.7%，摩擦摆值分别下降约2.4%和1.3%，这是因为水泥在微表处混合料不仅解决了乳化沥青憎水的矛盾，还通过水化作用提高了胶结料含量和黏结性能，但煤矸石粉的活性和物理性能不及水泥，导致微表处混合料的强度形成较慢且不牢固，从而加剧了微表处磨耗性能和抗滑性能的衰减速度；同时掺有活化煤矸石粉的微表处耐磨耗性和长期抗滑性能优于煤矸石粉，原因为机械破碎和高温煅烧工艺耦合显著提高了煤矸石粉的活性和表面粗糙度，且高温煅烧也能降低煤矸石粉中的杂质含量，活化煤矸石粉通过系列的物理和化学反应有效增加了胶结料的黏度及矿料-胶结料界面性能。

2.3 基于剪切疲劳试验的微表处层间黏结性能研究

不同微表处与路面层间剪切疲劳试验结果如图9所示。由图9得出，1）煤矸石粉替代不同质量的矿粉后，微表处与路面的层间剪切疲劳寿命均有所改善，但改善效果相对较小，相比普通微表处混合料，含有8%活化煤矸石粉、8%煤矸石粉、4%矿粉+4%活化煤矸石粉、4%矿粉+4%煤矸石粉的微表处与路面层间剪切疲劳寿命分别增加约10.4%、9.5%、8.1%和5.6%，煤矸石替代量对层间剪切疲劳寿命的影响高于煤矸石粉类型，原因为渗到微表处和路面层间界面的胶结料液体含量相对较少，其对二者层间黏结性能的改善作用有效，微表处混合料中胶结料性能的提高主要用于强化矿料与矿料之间的黏结，胶结料黏度越大则越不容易发生流淌，活化煤矸石粉对微表处与路面层间黏结性能的改善效果优于煤矸石粉，这是因为活化煤矸石粉的比表面积、活性成分含量及表面粗糙度等高于煤矸石粉，活化煤矸石粉通过吸收轻质组分、二次水化反应和增加接触面积等作用，可提高胶结料的黏结性能，高黏度的胶结料一旦渗入层间界面处将有助于改善微表处与路面层间的黏结性能；2）水泥替代为煤矸石粉和活化煤矸石粉后，微表处与路面的层间剪切疲劳寿命分别下降约15.8%和14.2%，微表处与路面之间的黏结性能明显降低，这是因为水泥含量的降低，导致水泥水化所需的水分也减少，在外加水量不变的情况下，微表处混合料中的自由水含量较多，造成混合料的稠度变小，不仅影响微表处混合料的强度形成进程，还会造成大量的液体滞留在微表处与路面之间的界面处，损害二者之间的黏结性能。

3 结论

1）煤矸石粉替代微表处混合料的矿粉，可有助于改善微表处混合料的高温性能、水稳性能、耐磨耗性能和长期抗滑性能，同时微表处与路面层间的黏结性能也得到提升，其中高温活化煤矸石粉的增强效果较优，煤矸石粉替代量对微表处不同性能的影响大于煤矸石粉类型。

2）微表处混合料路用性能和层间性能的改善效果与煤矸石粉替代矿粉的质量密切相关，煤矸石粉替代率越高、则微表处路用性能和层间性能的改善效果越好，矿粉填料可全部替代为煤矸石粉。

3）水泥替代为煤矸石粉后，微表处混合料的高温性能、水稳性能、耐磨耗性能和长期抗滑性能均受到损害，分别下降约13.7%~22.3%、9.3%~13.0%、12.7%~17.7%和1.3%~2.4%，微表处与路面之间的层间黏结性能明显下降。

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基金资助

2018年度交通运输行业重点科技项目(2018MS5136)