煤氣化爐渣改性乳化瀝青混合料的力學特性

路憲法

(內蒙古興安盟交通運輸綜合行政執法支隊,內蒙古 興安盟 137400)

隨著我國經濟快速發展,道路運輸逐步成為影響各地基建、物流、經濟發展的重要節點。截至2020年,我國公路總養里程已達514.4萬km,其中養護里程占總公路里程的比例為99%,可見道路養護在道路行業建設中占有的重要地位。其中對瀝青道路進行維修養護主要有兩種技術手段,分別為熱再生和冷再生。由于冷再生技術在施工過程中無需加熱,使用的乳化瀝青在常溫下為液態,大大降低了對環境的污染性、減小了施工能耗、延長了施工可用季節、降低了施工難度、增大了RAP的利用率。瀝青道路維修養護的冷再生技術符合當下“碳達峰、碳中和“的生態環保建設要求,應用場景更加廣泛。但冷再生技術也面臨著成型后混合料黏結性差,容易出現松散開裂的現象,路用性能表現不佳等[1],因此需要對乳化瀝青混合料進行改性,以提升其路用性能。

我國煤炭資源儲備富足,尤其在內蒙古地區煤炭資源十分豐富,其成煤時代集中且獨立,煤種齊全且開采條件良好,成為內蒙古經濟和社會發展的重要支柱。為促進資源的高效清潔利用,煤氣化、煤液化技術的使用成為有效途徑。煤的氣化過程為熱化學過程,其是以煤或煤焦為原料,采用氧氣、氫氣、蒸氣等介質,通過部分氧化反應將原煤轉化為氣體燃料的過程[2]。在煤氣化過程中會附帶產生含碳量較高的氣化爐渣,現階段對氣化爐渣的處理方案主要是填埋法,其會造成嚴重的環境污染。因此探究煤氣化爐渣的合理利用成為當下亟待解決的問題。

為探究冷再生乳化瀝青道路性能的提升方法,許多學者進行了如下探究。Qiao等[3]采用水泥和納米黏土對冷再生乳化瀝青混合料進行改性,當水泥摻量為2%時,與納米黏土一起可以改善混合料的馬歇爾穩定度和力學強度。AL-Hadabi等采用整合膠結生物質粉煤灰,可以顯著增強混合料的抗濕性。呂政樺等[4]探究了水泥用量對乳化瀝青性能的影響,發現當乳化瀝青用量為3.5%、水泥摻量為2.0%、RAP摻量為80%時,其綜合路用性能最佳。Niazi等[5]采用石灰作為乳化瀝青冷再生混合料的改性劑,發現石灰可以增強混合料高溫性能、抵抗永久變形能力。

現有研究中,學者們對煤氣化爐渣進行了如下探究。商曉甫等[6]研究發現,將煤氣化爐渣經硫化床燃燒后,能顯著降低其含碳量,符合建筑材料基本要求。袁蝴蝶等[7]將煤氣化爐渣、石灰石、粘土、鐵粉為原料,制得的水泥可以達到P·O 42.5水泥的強度。杭美艷等[8]利用煤氣化爐渣制備水泥膠漿,發現其早期強度明顯提升。Li、高鵬等[9-10]將煤氣化爐渣作為集料應用于水泥砂漿、混凝土、砂土的等的填料,發現其力學性能可以達到水泥混凝土的質量指標,從而減少水泥等膠結料的用量。但現有研究中將煤液化殘渣應用于乳化瀝青混合料中卻比較少見。

因此,本研究采用煤氣化爐渣作為冷再生乳化瀝青混合料的改性劑,對乳化瀝青及乳化瀝青混合料進行試驗,研究其對乳化瀝青混合料性能的影響狀況,評價煤氣化爐渣在冷再生道路工程中的可利用性,同時,以內蒙古省際大通道養護工程為依托,開展試驗段的試鋪工作。

1 煤氣化爐渣改性作用機理

1.1 礦物成分作用

煤氣化爐渣的主要組成分成為石英(SiO2)、方解石(CaCO3)、莫來石(2Al2O3·SiO2)、石膏(CaSO4·2H2O),由煤氣化爐渣的主要成分可以看出,其中包含CaCO3具備與常用的慢裂型陽離子乳化瀝青中的H-相互反應侵蝕條件。因此,可以促進煤液化殘渣與煤氣化爐渣間的相互結合,增加乳化瀝青破乳后瀝青液滴與集料間的黏附作用。

1.2 表面特征作用

采用的煤氣化爐渣為經機械研磨后的細微粉末,采用SEM電子顯微鏡對其進行觀測,發現其粒徑分布不均勻,存在大量細微絮狀微粒,大多為十幾微米,呈條、塊、針棒狀,表面粗糙,存在細小溝槽。通過SEM觀測發現煤氣化爐渣比表面積大,極大地增強了與乳化瀝青的相互作用效果;其細小的微粒產生了表界面效應,可以促進混合料間的結合作用,并填充混合料的空隙,增強乳化瀝青再生混合料的壓實效果。

2 原材料

2.1 乳化瀝青

采用慢裂型陽離子乳化瀝青,乳化劑為烯基三甲基氯化銨(C6H14ClN),基本參數見表1。

表1 乳化瀝青技術參數

2.2 煤氣化爐渣

選取內蒙古伊泰集團煤氣化爐渣作為改性劑,經機械研磨后,過0.075 mm篩,以備使用。

2.3 集料

為探究煤氣化爐渣對乳化瀝青混合料的改性作用,擬應用于道路下面層,RAP摻量為60%,選用的新集料為玄武巖,性能滿足規范要求。

3 乳化瀝青混合料設計

3.1 混合料級配設計

擬將乳化瀝青冷再生混合料應用于中下面層,采用AC-13型細粒式級配,級配如表2所示。

表2 AC-13細粒式級配

3.2 含水率確定

合理的含水率對乳化瀝青混合料具有重要意義,當含水率過高時,集料間的動水壓力變大,從而導致壓實效果變差;當含水率過低時,集料會吸附乳化瀝青上的水分,影響乳化瀝青對集料的裹附效果,導致混合料的黏聚性變差。因此,合理的含水率既能保證混合料的壓實效果,又能提升混合料成型后的黏聚力,增強混合料的性能。采用土工擊實試驗確定乳化瀝青的最佳含水率,得到試驗結果如圖1。由試驗結果可以得到,混合料的最佳含水率為4.07%。

圖1 最佳含水率

3.3 油石比確定

最佳油石比對乳化瀝青混合料性能至關重要,采用劈裂試驗和孔隙率試驗兩個指標綜合確定最佳油石比,乳化瀝青用量設置范圍為3%～5%,所得試驗結果見圖2。

由圖2(a)可知,隨乳化瀝青用量增加,混合料的劈裂強度呈現先增大后減小的趨勢,當油石比在3.4%時劈裂強度最大,表明此時混合料的黏聚性較好。由圖2(b)可知,隨乳化瀝青用量的增加,混合料的空隙率逐漸減小。但油石比過高不利于混合料的成型,因為冷再生混合料路用性能。因此綜合以上試驗,確實本研究最佳油石比為3.4%。

4 改性乳化瀝青混合料路用性能研究

4.1 高溫抗車轍性能

瀝青道路受溫度影響較大,在夏季高溫狀況下,經長時間車輛碾壓,道路會產生嚴重的車轍病害,影響道路的行車舒適性和安全性。我國內蒙古地區屬于重載交通地區,高溫狀況道路的抗車轍性能尤其重要。本研究中,進行不同煤氣化爐渣摻量下的車轍試驗,試驗溫度為60 ℃。試驗時間為60 min,車輪加載速度為42次/min,試驗所用試件為50 mm×300 mm×300 mm,所得試驗結果如圖3所示。

圖3 車轍試驗

由圖3可知,隨煤氣化爐渣摻量的增加,乳化瀝青混合料的動穩定度呈現先上升后趨緩的趨勢,說明適當摻量的煤氣化爐渣可以提高乳化瀝青的高溫性能。當煤氣化爐渣的摻量為乳化瀝青用量的20%時,動穩定度提升了22.6%,混合料的高溫抗車轍性能表現最好。產生此現象可能是由于煤氣化爐渣中的CaCO3與乳化瀝青的H-發生反應,對乳化瀝青起到了增稠變硬的作用,使混合料的高溫性能提升。

4.2 間接抗拉性能

混合料的黏聚效果很大程度上決定道路的使用壽命,而乳化瀝青混合料集料間的黏聚效果主要由乳化瀝青蒸發殘留物起作用,本研究采用劈裂試驗對乳化瀝青混合料的黏聚性能進行探究。設置煤氣化爐渣的摻量為0%、10%、20%、30%、40%五個比例,試驗溫度為15 ℃,所用試件尺寸為標準馬歇爾試件,所得試驗結果如圖4所示。

圖4 劈裂試驗結果

由圖4可知,隨煤氣化爐渣的摻入,乳化瀝青混合料的劈裂強度逐漸變大,當摻量達到20%時,再生混合料的劈裂強度達到了0.62 MPa,相比于未加入煤氣化爐渣的混合料,其劈裂強度增大了12%。隨煤氣化爐渣摻量繼續增加,劈裂強度發生了顯著下降,產生此現象的原因是煤氣化爐渣摻量太大,吸收大量乳化瀝青中的水分,加速了乳化瀝青的破乳,導致集料間起膠結作用的瀝青變少,從而導致間接抗拉性能顯著下降。

4.3 抗水損性能

瀝青道路中常見的坑槽等問題很大一部分是由于水損害作用使瀝青與集料間發生了剝離, 因此探究改性乳化瀝青混合料的抗水損性能至關重要。從單獨集料和混合料兩個角度對煤氣化爐渣改性乳化瀝青的抗水損性能進行研究,所進行的試驗為水煮法試驗和浸水馬歇爾試驗。水煮試驗所選取的集料為玄武巖,其粒徑為13.2 mm,試驗時水煮時間為3 min。浸水馬歇爾試驗所用試件為標準馬歇爾試件,由于前文已探究煤氣化爐渣摻量為20%時性能較好,因此本部分只對比0和20%兩個摻量下的馬歇爾穩定度。所得試驗結果如圖5、圖6所示。

圖5 水煮法試驗結果

圖6 浸水馬歇爾試驗結果

由水煮試驗水煮前后對比可以發現,隨乳化瀝青中煤氣化爐渣摻量的增加,集料表面的瀝青剝落度先減小后增大,表明煤氣化爐渣可以增強乳化瀝青的抗水損性能。當煤氣化爐渣摻量在20%左右時,與集料的黏附效果最好,有利于混合料成型,可最大程度上抵抗水的侵蝕作用。產生此現象的原因可能是細小的煤氣化爐渣與瀝青液滴相互結合,進而均勻裹附在集料表面,增強了乳化瀝青與集料的界面粘結效果,使抗水損性能有所提升。

由圖6可知,對比加入煤氣化爐渣前后冷再生乳化瀝青混合料的浸水馬歇爾強度,未加入煤氣化爐渣時,浸水前后殘留穩定度為64.7%;而加入20%煤氣化爐渣后,浸水前后殘留穩定度為82.9%,由此可見,煤氣化爐渣能夠增強乳化瀝青混合料的抗水損能力。

5 經濟社會效益

采用煤氣化爐渣改性乳化瀝青混合料可有效提高冷再生乳化瀝青道路的綜合路用性能,彌補了再生乳化瀝青混合料粘結性差,高溫穩定性不足的問題。RAP料的高效再生利用、煤氣化爐渣的清潔應用,有效降低了因焚燒填埋等處理手段導致的固廢資源對環境的污染、減少了新集料的使用,具有很好的環保經濟價值。冷再生乳化瀝青道路性能的提升能有效降低道路重復維修次數,延長了道路的使用壽命,保障流暢的交通出行,增加了行車舒適性,社會效益顯著。

6 結 論

(1)煤氣化爐渣可以作為乳化瀝青混合料的改性劑,其主要由石英、方解石、莫來石、石膏等組成,可以與乳化瀝青及其混合料發生鹽-酸相互侵蝕作用、產生微小粒徑煤氣化爐渣的小尺寸效應。

(2)隨入煤氣化爐渣摻量的增加,乳化瀝青再生混合料的路用性能有所改善。通過試驗得到混合料的最佳含水率為4.07%,最佳油石比為3.4%。煤氣化爐渣的最佳摻量為乳化瀝青用量的20%,此時混合料的高溫抗車轍性能提升了22.6%、間接抗拉性能提升了12%,殘留穩定度由原來的64.7%增大到82.9%,抗水損能力有所提升。