1、交通世界TRANSPOWORLD收稿日期：2023-05-04作者简介：张雅红（1995），女，山西吕梁人，研究方向为道路与桥梁。粉煤灰沥青混合料的最佳掺量试验张雅红（山西交科公路工程咨询监理有限公司，山西 太原 030006）摘要：为确定同时满足高、低温性能要求的粉煤灰掺量范围，制备不同粉煤灰掺量的AC-13沥青混合料试件，通过开展马歇尔试验与低温小弯曲梁试验，评价各粉煤灰掺量混合料的高低温性能，进而确定粉煤灰最佳掺量范围。研究表明：随着粉煤灰掺量的增加，混合料稳定度先增加后减小、流值先减小后增加、马歇尔模数先增加后减小，满足规范的掺量范围为3.4%9.3%；随着粉煤灰掺量的增加，抗弯拉强度
2、和弯拉应变均先增加后减小，但变化幅度均较小，满足规范的掺量范围为3.6%9.9%；综合考虑高低温性能指标要求，粉煤灰的最佳掺量范围为3.6%9.3%，推荐最佳掺量为6%。关键词：粉煤灰；沥青混合料；最佳掺量中图分类号：U414文献标识码：B0 引言沥青混合料传统填料采用的矿粉价格较高且资源紧张，粉煤灰作为工业废料，若弃置在环境中，会对环境与生态造成污染，粉煤灰材料自身具备价格低廉、多孔粗糙、比表面积大、成分与矿料相近等特点，因此可作为矿料的适宜替代品。相关研究表明1，粉煤灰的掺入能够提高沥青混合料的高温性能，但同时会导致其低温性能下降。为平衡粉煤灰沥青混合料的高温稳定性与低温抗裂性，有必要分析
3、混合料路用性能随粉煤灰掺量的变化规律，确定满足高低温性能的粉煤灰掺量范围。1 原材料及配合比设计1.1 沥青与集料试验沥青采用70#沥青，根据公路沥青路面施工技术规范（JTG F402004）对沥青性能进行检测，沥青的针入度为 68（0.1 mm）、针入度指数 PI 为 0.37、15 延度为113 cm、软化点为51，各项性能指标均能满足规范要求。试验选用的粗集料为315 mm石灰岩矿料，细集料选用的为05 mm机制砂，各项指标均能满足规范要求。1.2 粉煤灰表1所示为本试验所选用的粉煤灰性能参数，各项指标均能满足规范要求。试验共选定8个粉煤灰掺量成型沥青混合料试件，掺量分别为 0%、3%、
4、5%、6%、7%、9%、11%、13%。表1 粉煤灰性能参数指标规范值实测值表观相对密度/（g/cm3）2.52.592粒度范围0.6 mm（%）100100粒度范围0.15 mm（%）9010096.5粒度范围0.075 mm（%）7510080.1含水率（%）10.3外观无团粒结块无团粒结块亲水指数10.61.3 配合比设计按照 公路沥青路面施工技术规范(JTG F402004)中的AC-13级配范围逐步改变各组混合料中的矿料比例，确定不同粉煤灰掺量下的级配组成，如图 1所示。0.0750.150.30.61.182.36 4.75 9.5 13.5 16筛孔尺寸/mm级配上限级配下限FA
5、-0%FA-3%FA-5%FA-6%FA-7%FA-9%FA-11%FA-13%1009080706050403020100通过率（%）图1 不同粉煤灰掺量下的混合料级配曲线53总662期2023年第32期（11月 中）1.4 最佳沥青用量结合相关研究成果2，粉煤灰沥青混合料的沥青用量较大。试验选定4.0%，4.5%，5.0%，5.5%，6.0%共5 档初始沥青用量，通过马歇尔试验确定最佳沥青用量，结果如表2所示。表2 粉煤灰掺量对应的最佳沥青用量粉煤灰掺量（%）最佳沥青用量（%）04.8235.0055.2165.2975.3495.57115.83135.912 高温稳定性能分析2.1 粉
6、煤灰掺量对稳定度的影响根据 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）的试验方法成型试件，并开展马歇尔试验。图2所示为不同粉煤灰掺量对应的稳定度变化曲线。从图中可看出，马歇尔稳定度随着掺量的增加，表现为先升后降的规律，但均大于未掺加粉煤灰的混合料。当粉煤灰掺量增加到0%、3%、5%、6%、7%、9%、11%、13%时，稳定度相比0%（未掺加）时分别增 大 12.15%、22.44%、22.84%、20.81%、21.49%、10.94%、4.85%。稳定度的最大值在掺量6%附近。随着粉煤灰的掺入，试件稳定度不断增加，原因在于粉煤灰填料孔隙多、比表面积大、吸附沥青的能力强，导致矿
7、料表面的沥青膜厚度增加，黏聚力提高2；而粉煤灰掺量过大时，部分粉煤灰受沥青浸润不足，成团分布在混合料中，沥青胶结作用受到影响，导致稳定度下降。2.2 粉煤灰掺量对流值的影响图3所示为粉煤灰掺量与流值的关系曲线。从图中可以看出，流值随着掺量的增加，呈现出先降后升的规律。相比掺量为 0%时的流值，掺量为 3%、5%、6%、7%、9%、11%、13%时分别增大-2.44%、-6.17%、-8.25%、-7.25%、-3.35%、4.84%、8.52%。整 体 来讲，流值的变化幅度较小，且均在规范要求的范围内。在掺量为0%6%时，粉煤灰的添加填充了结构中的空隙，增强了沥青与集料间的黏聚力，因此流值下降
8、；在掺量为6%13%时，过量粉煤灰成团导致自由沥青增加，混合料抵抗变形的能力降低，流值增加3。2.3 粉煤灰掺量对马歇尔模数的影响图4所示为粉煤灰掺量与马歇尔模数的关系曲线。随着粉煤灰掺量的增加，马歇尔模数表现为先升后降的规律。相比掺量为0%时的马歇尔模数，掺量为3%、5%、6%、7%、9%、11%、13%时分别增大 14.79%、30.23%、33.80%、30.25%、25.53%、5.82%、-3.33%。掺量为13%时的马歇尔模数反而低于0%试件。3 低温抗裂性能分析3.1 粉煤灰掺量对抗弯拉强度的影响根据 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）的试验方法成型试件，
9、开展不同粉煤灰掺量下混合料的低温小梁弯曲试验。图5所示为不同粉煤灰掺量对应的混合料抗弯拉强度变化曲线。图中可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，抗弯拉强度呈现先升后降的变化规律。相比掺量为 0%时的抗弯拉强9.59.08.58.07.57.0稳定度/kN02468101214粉煤灰掺量（%）图2 不同粉煤灰掺量对应的稳定度变化曲线-202468101214粉煤灰掺量（%）图3 不同粉煤灰掺量对应的流值变化曲线3.43.33.23.13.02.92.82.7流值/mm02468101214粉煤灰掺量（%）图4 不同粉煤灰掺量对应的马歇尔模数变化曲线3.43.23.02.82.62.4马歇尔模数/（kN
10、/mm）54交通世界TRANSPOWORLD度，掺量为3%、5%、6%、7%、9%、11%、13%时分别 增 大 7.93%、7.85%、8.18%、7.54%、6.94%、6.11%。抗弯拉强度最大值位于掺量6%附近。当粉煤灰掺量较小时，填料填充空隙，增大了结构内部摩擦力，混合料的抗弯拉性能提升；当粉煤灰掺量超过6%后，粉煤灰成团占据较大空间且分布不均匀，导致混合料弯拉强度降低。3.2 粉煤灰掺量对弯拉应变的影响图6所示为不同粉煤灰掺量下的混合料弯拉应变情况。图6可以看出，弯拉应变随粉煤灰掺量的增大表现为先升后降的规律。相比掺量为0%时的弯拉应变，掺量为3%、5%、6%、7%、9%、11%、
11、13%时分别增大4.08%、10.02%、10.35%、9.36%、6.53%、5.27%、3.45%。最大弯拉应变值位于掺量6%附近。表明适当掺入粉煤灰，能够提升混合料的柔韧性，原因在于粉煤灰比表面较大，因此与沥青结合后增大了结构沥青膜厚度，使得混合料柔性增强4。4 粉煤灰最佳掺量的确定根据规程 AC-13沥青混合料应当满足以下指标要求：马歇尔稳定度不小于 8 kN，流值在 1.54 mm 内，弯拉应变不小于2 300。综合考虑高温、低温性能指标，确定满足要求的粉煤灰掺量范围以稳定度8 kN判断的粉煤灰掺量为3.4%9.3%，以流值要求判断的掺量范围为 0%13%，掺量在 6%左右时高温稳定
12、性最优。以弯拉应变 2 300 判断的粉煤灰掺量为 3.6%9.9%，掺量在5%6%低温抗裂性能最好。综上，粉煤灰的最佳掺量范围为3.6%9.3%，推荐最佳掺量为6%。5 结论本文对不同粉煤灰掺量下的沥青混合料开展高温稳定性试验与低温抗裂性试验，结论如下：1）根据马歇尔试验结果，随着粉煤灰掺量的增加，混合料稳定度先增加后减小、流值先减小后增加，马歇尔模数先增加后减小，极值均位于掺量6%附近。按照规程对AC-13混合料的性能指标要求，确定掺量范围为3.4%9.3%；2）根据小梁弯曲试验结果，随着粉煤灰掺量的增加，混合料抗弯拉强度先增加后减小、弯拉应变先增加后减小，但变化幅度均较小，极值位于5%6
13、%；粉煤灰的掺入，对沥青混合料的低温性能改善不明显；根据低温指标要求确定掺量范围为3.6%9.9%；3）综合考虑高温与低温指标，粉煤灰的最佳掺量范围为3.6%9.3%，推荐最佳掺量为6%。参考文献：1中国公路学报编辑部.中国路面工程学术研究综述2020J.中国公路学报，2020，33（10）：1-66.2 张艳，刘斌.粉煤灰作填料的沥青混合料试验及应用研究J.公路交通科技（应用技术版），2018，14（2）：14-17.3 吴平，王选仓.粉煤灰特性对沥青混合料性能的影响J.公路交通科技，2016，33（12）：21-28.4 卢建华.粉煤灰替代矿粉作填料的沥青混合料低温抗裂性研究J.交通标准化，2012（1）：59-62.9.49.29.08.88.602468101214粉煤灰掺量（%）图5 不同粉煤灰掺量对应的抗弯拉强度变化曲线抗弯拉强度/kPa02468101214粉煤灰掺量（%）图6 不同粉煤灰掺量对应的弯拉应变变化曲线2 4502 4002 3502 3002 2502 2002 1502 100弯拉应变（me）55
