煤气化炉渣改性乳化沥青混合料的力学特性

路宪法

(内蒙古兴安盟交通运输综合行政执法支队,内蒙古 兴安盟 137400)

随着我国经济快速发展,道路运输逐步成为影响各地基建、物流、经济发展的重要节点。截至2020年,我国公路总养里程已达514.4万km,其中养护里程占总公路里程的比例为99%,可见道路养护在道路行业建设中占有的重要地位。其中对沥青道路进行维修养护主要有两种技术手段,分别为热再生和冷再生。由于冷再生技术在施工过程中无需加热,使用的乳化沥青在常温下为液态,大大降低了对环境的污染性、减小了施工能耗、延长了施工可用季节、降低了施工难度、增大了RAP的利用率。沥青道路维修养护的冷再生技术符合当下“碳达峰、碳中和“的生态环保建设要求,应用场景更加广泛。但冷再生技术也面临着成型后混合料黏结性差,容易出现松散开裂的现象,路用性能表现不佳等[1],因此需要对乳化沥青混合料进行改性,以提升其路用性能。

我国煤炭资源储备富足,尤其在内蒙古地区煤炭资源十分丰富,其成煤时代集中且独立,煤种齐全且开采条件良好,成为内蒙古经济和社会发展的重要支柱。为促进资源的高效清洁利用,煤气化、煤液化技术的使用成为有效途径。煤的气化过程为热化学过程,其是以煤或煤焦为原料,采用氧气、氢气、蒸气等介质,通过部分氧化反应将原煤转化为气体燃料的过程[2]。在煤气化过程中会附带产生含碳量较高的气化炉渣,现阶段对气化炉渣的处理方案主要是填埋法,其会造成严重的环境污染。因此探究煤气化炉渣的合理利用成为当下亟待解决的问题。

为探究冷再生乳化沥青道路性能的提升方法,许多学者进行了如下探究。Qiao等[3]采用水泥和纳米黏土对冷再生乳化沥青混合料进行改性,当水泥掺量为2%时,与纳米黏土一起可以改善混合料的马歇尔稳定度和力学强度。AL-Hadabi等采用整合胶结生物质粉煤灰,可以显著增强混合料的抗湿性。吕政桦等[4]探究了水泥用量对乳化沥青性能的影响,发现当乳化沥青用量为3.5%、水泥掺量为2.0%、RAP掺量为80%时,其综合路用性能最佳。Niazi等[5]采用石灰作为乳化沥青冷再生混合料的改性剂,发现石灰可以增强混合料高温性能、抵抗永久变形能力。

现有研究中,学者们对煤气化炉渣进行了如下探究。商晓甫等[6]研究发现,将煤气化炉渣经硫化床燃烧后,能显著降低其含碳量,符合建筑材料基本要求。袁蝴蝶等[7]将煤气化炉渣、石灰石、粘土、铁粉为原料,制得的水泥可以达到P·O 42.5水泥的强度。杭美艳等[8]利用煤气化炉渣制备水泥胶浆,发现其早期强度明显提升。Li、高鹏等[9-10]将煤气化炉渣作为集料应用于水泥砂浆、混凝土、砂土的等的填料,发现其力学性能可以达到水泥混凝土的质量指标,从而减少水泥等胶结料的用量。但现有研究中将煤液化残渣应用于乳化沥青混合料中却比较少见。

因此,本研究采用煤气化炉渣作为冷再生乳化沥青混合料的改性剂,对乳化沥青及乳化沥青混合料进行试验,研究其对乳化沥青混合料性能的影响状况,评价煤气化炉渣在冷再生道路工程中的可利用性,同时,以内蒙古省际大通道养护工程为依托,开展试验段的试铺工作。

1 煤气化炉渣改性作用机理

1.1 矿物成分作用

煤气化炉渣的主要组成分成为石英(SiO2)、方解石(CaCO3)、莫来石(2Al2O3·SiO2)、石膏(CaSO4·2H2O),由煤气化炉渣的主要成分可以看出,其中包含CaCO3具备与常用的慢裂型阳离子乳化沥青中的H-相互反应侵蚀条件。因此,可以促进煤液化残渣与煤气化炉渣间的相互结合,增加乳化沥青破乳后沥青液滴与集料间的黏附作用。

1.2 表面特征作用

采用的煤气化炉渣为经机械研磨后的细微粉末,采用SEM电子显微镜对其进行观测,发现其粒径分布不均匀,存在大量细微絮状微粒,大多为十几微米,呈条、块、针棒状,表面粗糙,存在细小沟槽。通过SEM观测发现煤气化炉渣比表面积大,极大地增强了与乳化沥青的相互作用效果;其细小的微粒产生了表界面效应,可以促进混合料间的结合作用,并填充混合料的空隙,增强乳化沥青再生混合料的压实效果。

2 原材料

2.1 乳化沥青

采用慢裂型阳离子乳化沥青,乳化剂为烯基三甲基氯化铵(C6H14ClN),基本参数见表1。

表1 乳化沥青技术参数

2.2 煤气化炉渣

选取内蒙古伊泰集团煤气化炉渣作为改性剂,经机械研磨后,过0.075 mm筛,以备使用。

2.3 集料

为探究煤气化炉渣对乳化沥青混合料的改性作用,拟应用于道路下面层,RAP掺量为60%,选用的新集料为玄武岩,性能满足规范要求。

3 乳化沥青混合料设计

3.1 混合料级配设计

拟将乳化沥青冷再生混合料应用于中下面层,采用AC-13型细粒式级配,级配如表2所示。

表2 AC-13细粒式级配

3.2 含水率确定

合理的含水率对乳化沥青混合料具有重要意义,当含水率过高时,集料间的动水压力变大,从而导致压实效果变差;当含水率过低时,集料会吸附乳化沥青上的水分,影响乳化沥青对集料的裹附效果,导致混合料的黏聚性变差。因此,合理的含水率既能保证混合料的压实效果,又能提升混合料成型后的黏聚力,增强混合料的性能。采用土工击实试验确定乳化沥青的最佳含水率,得到试验结果如图1。由试验结果可以得到,混合料的最佳含水率为4.07%。

图1 最佳含水率

3.3 油石比确定

最佳油石比对乳化沥青混合料性能至关重要,采用劈裂试验和孔隙率试验两个指标综合确定最佳油石比,乳化沥青用量设置范围为3%～5%,所得试验结果见图2。

由图2(a)可知,随乳化沥青用量增加,混合料的劈裂强度呈现先增大后减小的趋势,当油石比在3.4%时劈裂强度最大,表明此时混合料的黏聚性较好。由图2(b)可知,随乳化沥青用量的增加,混合料的空隙率逐渐减小。但油石比过高不利于混合料的成型,因为冷再生混合料路用性能。因此综合以上试验,确实本研究最佳油石比为3.4%。

4 改性乳化沥青混合料路用性能研究

4.1 高温抗车辙性能

沥青道路受温度影响较大,在夏季高温状况下,经长时间车辆碾压,道路会产生严重的车辙病害,影响道路的行车舒适性和安全性。我国内蒙古地区属于重载交通地区,高温状况道路的抗车辙性能尤其重要。本研究中,进行不同煤气化炉渣掺量下的车辙试验,试验温度为60 ℃。试验时间为60 min,车轮加载速度为42次/min,试验所用试件为50 mm×300 mm×300 mm,所得试验结果如图3所示。

图3 车辙试验

由图3可知,随煤气化炉渣掺量的增加,乳化沥青混合料的动稳定度呈现先上升后趋缓的趋势,说明适当掺量的煤气化炉渣可以提高乳化沥青的高温性能。当煤气化炉渣的掺量为乳化沥青用量的20%时,动稳定度提升了22.6%,混合料的高温抗车辙性能表现最好。产生此现象可能是由于煤气化炉渣中的CaCO3与乳化沥青的H-发生反应,对乳化沥青起到了增稠变硬的作用,使混合料的高温性能提升。

4.2 间接抗拉性能

混合料的黏聚效果很大程度上决定道路的使用寿命,而乳化沥青混合料集料间的黏聚效果主要由乳化沥青蒸发残留物起作用,本研究采用劈裂试验对乳化沥青混合料的黏聚性能进行探究。设置煤气化炉渣的掺量为0%、10%、20%、30%、40%五个比例,试验温度为15 ℃,所用试件尺寸为标准马歇尔试件,所得试验结果如图4所示。

图4 劈裂试验结果

由图4可知,随煤气化炉渣的掺入,乳化沥青混合料的劈裂强度逐渐变大,当掺量达到20%时,再生混合料的劈裂强度达到了0.62 MPa,相比于未加入煤气化炉渣的混合料,其劈裂强度增大了12%。随煤气化炉渣掺量继续增加,劈裂强度发生了显著下降,产生此现象的原因是煤气化炉渣掺量太大,吸收大量乳化沥青中的水分,加速了乳化沥青的破乳,导致集料间起胶结作用的沥青变少,从而导致间接抗拉性能显著下降。

4.3 抗水损性能

沥青道路中常见的坑槽等问题很大一部分是由于水损害作用使沥青与集料间发生了剥离, 因此探究改性乳化沥青混合料的抗水损性能至关重要。从单独集料和混合料两个角度对煤气化炉渣改性乳化沥青的抗水损性能进行研究,所进行的试验为水煮法试验和浸水马歇尔试验。水煮试验所选取的集料为玄武岩,其粒径为13.2 mm,试验时水煮时间为3 min。浸水马歇尔试验所用试件为标准马歇尔试件,由于前文已探究煤气化炉渣掺量为20%时性能较好,因此本部分只对比0和20%两个掺量下的马歇尔稳定度。所得试验结果如图5、图6所示。

图5 水煮法试验结果

图6 浸水马歇尔试验结果

由水煮试验水煮前后对比可以发现,随乳化沥青中煤气化炉渣掺量的增加,集料表面的沥青剥落度先减小后增大,表明煤气化炉渣可以增强乳化沥青的抗水损性能。当煤气化炉渣掺量在20%左右时,与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蚀作用。产生此现象的原因可能是细小的煤气化炉渣与沥青液滴相互结合,进而均匀裹附在集料表面,增强了乳化沥青与集料的界面粘结效果,使抗水损性能有所提升。

由图6可知,对比加入煤气化炉渣前后冷再生乳化沥青混合料的浸水马歇尔强度,未加入煤气化炉渣时,浸水前后残留稳定度为64.7%;而加入20%煤气化炉渣后,浸水前后残留稳定度为82.9%,由此可见,煤气化炉渣能够增强乳化沥青混合料的抗水损能力。

5 经济社会效益

采用煤气化炉渣改性乳化沥青混合料可有效提高冷再生乳化沥青道路的综合路用性能,弥补了再生乳化沥青混合料粘结性差,高温稳定性不足的问题。RAP料的高效再生利用、煤气化炉渣的清洁应用,有效降低了因焚烧填埋等处理手段导致的固废资源对环境的污染、减少了新集料的使用,具有很好的环保经济价值。冷再生乳化沥青道路性能的提升能有效降低道路重复维修次数,延长了道路的使用寿命,保障流畅的交通出行,增加了行车舒适性,社会效益显著。

6 结 论

(1)煤气化炉渣可以作为乳化沥青混合料的改性剂,其主要由石英、方解石、莫来石、石膏等组成,可以与乳化沥青及其混合料发生盐-酸相互侵蚀作用、产生微小粒径煤气化炉渣的小尺寸效应。

(2)随入煤气化炉渣掺量的增加,乳化沥青再生混合料的路用性能有所改善。通过试验得到混合料的最佳含水率为4.07%,最佳油石比为3.4%。煤气化炉渣的最佳掺量为乳化沥青用量的20%,此时混合料的高温抗车辙性能提升了22.6%、间接抗拉性能提升了12%,残留稳定度由原来的64.7%增大到82.9%,抗水损能力有所提升。