灰分對(duì)湖瀝青改性瀝青及其混合料技術(shù)性能的影響研究

夏柱林， 李志勇， 聶晨光

(1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司， 合肥 230088； 2.重慶交通大學(xué) 土木學(xué)院， 重慶 400074)

湖瀝青屬天然瀝青，與基質(zhì)瀝青的相容性很好，亦可以達(dá)到對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性的目的。特立尼達(dá)湖瀝青(TLA)便是一種自然狀態(tài)下未經(jīng)加工的湖瀝青，主要產(chǎn)自于南美洲大陸的特立尼達(dá)高原[1]。

TLA經(jīng)歷了上千萬(wàn)年的環(huán)境改造而成，其配制而成的改性瀝青所鋪筑的路面具有路用性能優(yōu)良、使用年限長(zhǎng)、養(yǎng)護(hù)維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)研究表明[2]：湖瀝青中灰分含量較為固定，大約為35%～37%，其余53%～55%為地瀝青組織。這些灰分顆粒非常細(xì)小，全部小于2.36 mm，其中90%小于0.075 mm，44%小于0.01 mm。灰分長(zhǎng)期浸潤(rùn)于瀝青中，對(duì)湖瀝青的技術(shù)指標(biāo)有較為顯著的影響。

早在19世紀(jì)末期，TLA改性瀝青就已在國(guó)外進(jìn)行應(yīng)用[3-4]。最早應(yīng)用的是美國(guó)華盛頓特區(qū)的幾條城市街道路面；倫敦的主要街道和高速公路都鋪設(shè)了TLA改性瀝青[5]。隨后發(fā)明的TLA改性瀝青瑪蹄脂，在橋面鋪裝應(yīng)用上也取得了成功。國(guó)外對(duì)湖瀝青的研究較早，制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，但專門針對(duì)灰分的研究不多，國(guó)外研究更多專注于湖瀝青的摻加比例等方面。

目前，我國(guó)采用湖瀝青的工程有江陰長(zhǎng)江大橋、北京一環(huán)路等[6]，同時(shí)也取得了一定的科研成果。研究發(fā)現(xiàn)：灰分主要成分為硅酸鹽火山灰，其粒徑小而均勻，表面粗糙，形狀不規(guī)則，比表面積大于礦粉[7]；灰分含量的增加能夠改善TLA改性瀝青的高溫性能和抗變形能力[8]；灰分的密度要大于地瀝青的密度，因此，施工時(shí)應(yīng)對(duì)湖瀝青改性瀝青進(jìn)行充分?jǐn)嚢鑋9]。

總體上看，灰分的存在對(duì)混合料級(jí)配及油石比都產(chǎn)生了一定的影響。本文的研究目的在于研究灰分對(duì)湖瀝青改性瀝青及其混合料的技術(shù)性能的影響，以期對(duì)湖瀝青改性瀝青有更為全面的了解。

1 試驗(yàn)研究方案

1.1 灰分提取

為了研究灰分特性，需要將灰分從TLA中提取出來(lái)，然后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)?；曳值奶崛》椒ㄓ?種：燃燒法和抽提法[10]。本文采用抽提法，即用三氯乙稀為溶劑，將湖瀝青中的地瀝青完全溶解，再用離心沉淀機(jī)抽提。該方法為物理過程，提取的灰分在成分組成上幾乎不變。

1.2 灰分對(duì)湖瀝青改性瀝青性能的影響研究

為了考察灰分對(duì)基質(zhì)瀝青的改性效果，將灰分以不同摻配比例添加到基質(zhì)瀝青中，其中基質(zhì)瀝青為中海油70#瀝青，湖瀝青添加比例分別采用8.9%、10.7%、11.7%、14.2%和17.8%的比例，隨后進(jìn)行改性瀝青的基本性能檢測(cè)試驗(yàn)，并將此改性瀝青與基質(zhì)瀝青進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)對(duì)比研究。所用技術(shù)指標(biāo)為瀝青的3大指標(biāo)試驗(yàn)、粘度試驗(yàn)和老化試驗(yàn)等[11]。

1.3 灰分對(duì)湖瀝青改性瀝青混合料性能影響研究

在進(jìn)行混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，填料采用湖瀝青中的灰分和一般礦粉，即完全以灰分替代礦粉；為研究灰分對(duì)不同類型混合料性能的影響，擬采用3個(gè)級(jí)配，即級(jí)配1、級(jí)配2和級(jí)配3，試驗(yàn)所用級(jí)配如表1所示。對(duì)成型瀝青混合料分別進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)，目的在于驗(yàn)證灰分對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性的影響[12]。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室確定的瀝青混合料最佳瀝青用量為4.2%，按照正常配合比設(shè)計(jì)確定填料含量。當(dāng)采用灰分替代礦粉作為填料時(shí)，瀝青用量分別采用4.2%和4.4%，其中4.4%的瀝青含量設(shè)計(jì)主要是考慮灰分顆粒細(xì)小，比表面積較大，故混合料最佳瀝

表1 試驗(yàn)所用級(jí)配各檔集料組成比例

注：試驗(yàn)所用集料及礦粉等材料均來(lái)自于依托工程現(xiàn)場(chǎng)。

青用量應(yīng)略有增加。由于凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)條件和混合料的狀態(tài)更為敏感。因此，在瀝青用量為4.4%的研究中，僅采用凍融劈裂試驗(yàn)驗(yàn)證混合料的水穩(wěn)定性。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 灰分技術(shù)指標(biāo)

以三氯乙稀為溶劑，采用抽提法提取灰分，經(jīng)測(cè)試，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 灰分技術(shù)指標(biāo)

2.2 灰分對(duì)湖瀝青改性瀝青技術(shù)指標(biāo)影響

1) 針入度指標(biāo)

針入度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。3種溫度條件下，針入度均隨著灰分摻加比例的增加而降低，說(shuō)明灰分對(duì)基質(zhì)瀝青的吸附作用變大，使針入度有所降低，瀝青的溫度敏感性得到改善；同時(shí)在灰分比例相同的情況下，溫度越高，針入度越大。

圖1 不同溫度條件下針入度變化曲線

2) 軟化點(diǎn)及當(dāng)量軟化點(diǎn)

軟化點(diǎn)及當(dāng)量軟化點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如圖2、圖3所示。由圖2可知，隨著灰分摻量的增加，基質(zhì)瀝青的高溫性能得到一定程度的改善；灰分摻配比例由0%增加到17.8%，軟化點(diǎn)由47.6 ℃提高到61.2 ℃，增幅為28.57%；當(dāng)灰分摻量在11.7%時(shí)，軟化點(diǎn)變化幅度最明顯。由圖3可知，隨著灰分摻量的增大，改性瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)也相應(yīng)提高，這說(shuō)明改性后的基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性有所提高。另外，相同灰分摻量的當(dāng)量軟化點(diǎn)數(shù)值均小于實(shí)測(cè)軟化點(diǎn)，這是由于灰分的比表面積較大，對(duì)基質(zhì)瀝青產(chǎn)生了吸附作用，同時(shí)基質(zhì)瀝青含有蠟成分，在達(dá)到軟化點(diǎn)之前，蠟成分吸收了部分熱量，使實(shí)測(cè)瀝青的軟化點(diǎn)偏大。

圖2 不同灰分摻量對(duì)軟化點(diǎn)影響

圖3 不同灰分摻量對(duì)當(dāng)量軟化點(diǎn)和實(shí)測(cè)軟化點(diǎn)影響

3) 延度及當(dāng)量脆點(diǎn)

延度及當(dāng)量脆點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知，摻入灰分后，25 ℃延度和當(dāng)量脆點(diǎn)(絕對(duì)值)都隨著摻配比例的增加逐漸變??；當(dāng)灰分的摻量大于11.7%時(shí)，降幅明顯增大，說(shuō)明隨著灰分的加入，湖瀝青改性瀝青的低溫性能變差，但是延度及當(dāng)量脆點(diǎn)的減小并不完全代表著瀝青低溫抗裂性能降低，也可能是由于灰分和一些揮發(fā)性成分會(huì)對(duì)結(jié)果引起偏差。

圖4 不同灰分摻量對(duì)25 ℃延度的影響

圖5 不同灰分摻量對(duì)當(dāng)量脆點(diǎn)的影響

4) 老化試驗(yàn)

老化后的殘留針入度變化及延度的測(cè)試結(jié)果如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可知，隨著灰分摻量的增加，瀝青老化后的殘留針入度比、25 ℃延度比均降低；當(dāng)摻量在11.7%左右時(shí)，降低的幅度增大，這說(shuō)明灰分的加入在一定程度上可以改善基質(zhì)瀝青的抗老化性能。

圖6 TFOT后瀝青殘留針入度比變化

圖7 TFOT前后瀝青25 ℃延度變化

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，灰分的存在可改善瀝青的高溫性能、溫度敏感性及老化性能，但低溫性能略有下降。由于瀝青成分較為復(fù)雜，各種揮發(fā)性的成分和灰分的存在都會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，還應(yīng)通過對(duì)其改性混合料進(jìn)行試驗(yàn)，以期對(duì)湖瀝青改性瀝青有全面了解[13]。

2.3 灰分對(duì)湖瀝青改性瀝青混合料性能影響的試驗(yàn)研究

依據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)湖瀝青改性瀝青混合料性能的研究主要包括其高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性。通過采用車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，研究所對(duì)應(yīng)的動(dòng)穩(wěn)定度DS、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比TSR等技術(shù)指標(biāo)來(lái)反映灰分對(duì)湖瀝青改性瀝青混合料性能的影響[14-15]。

1) 水穩(wěn)定性

(1) 浸水馬歇爾試驗(yàn)

浸水馬歇爾試驗(yàn)是通過檢測(cè)瀝青混合料在浸水前后其力學(xué)指標(biāo)和物理指標(biāo)的變化程度來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料抗水損害能力的試驗(yàn)?；曳痔盍虾偷V粉填料2種情況下瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度的變化情況如圖8所示。

圖8 不同條件下瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)比

由圖8可以看出，對(duì)于基質(zhì)瀝青混合料，無(wú)論是灰分、還是一般石灰?guī)r礦粉作為填料，其浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求，即不低于80%的最低指標(biāo)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：殘留穩(wěn)定度最小值94%，最大值109%，且不同級(jí)配條件下殘留穩(wěn)定度相差不是很大。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)殘留穩(wěn)定度指標(biāo)對(duì)混合料水穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)不是很全面，還需結(jié)合其他試驗(yàn)對(duì)混合料水穩(wěn)定性進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。原因如下：在實(shí)驗(yàn)室條件下，標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件在浸水后其內(nèi)部的水基本上處于靜止?fàn)顟B(tài)，這與行車荷載作用在路面上的受力情況有很大差別。在行車輪壓下，混合料內(nèi)部水會(huì)對(duì)瀝青膜產(chǎn)生機(jī)械沖刷和反復(fù)吸壓作用，水壓力是造成路面水損害的重要因素之一，而試驗(yàn)用馬歇爾試件的孔隙率較實(shí)際瀝青路面偏大，造成在浸水馬歇爾試驗(yàn)過程中，浸入60 ℃恒溫水浴中一段時(shí)間后，進(jìn)入其內(nèi)部的水分很少，這對(duì)瀝青膜的沖刷作用很小，加上其內(nèi)部的水分進(jìn)一步阻止外界水分的進(jìn)入，與實(shí)際行車狀態(tài)有較大差別。因此，可以結(jié)合凍融劈裂試驗(yàn)測(cè)得的凍融劈裂殘留來(lái)綜合分析混合料的水穩(wěn)定性。

(2) 凍融劈裂試驗(yàn)

凍融劈裂試驗(yàn)是在規(guī)范要求的情況下對(duì)瀝青混合料進(jìn)行凍融循環(huán)破壞試驗(yàn)，測(cè)出試件在試驗(yàn)前后的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比TSR。這種方法與浸水馬歇爾試驗(yàn)的不同之處在于它可以盡可能地符合混合料實(shí)際受力情況，在劈裂條件下，馬歇爾試件內(nèi)部處于受拉狀態(tài)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件內(nèi)部的粘結(jié)力不足以抵抗外加荷載時(shí)就會(huì)發(fā)生破壞，可以較好地體現(xiàn)出水對(duì)瀝青的軟化和對(duì)瀝青膜的剝落作用，以便更好地評(píng)價(jià)混合料的水穩(wěn)定性。

不同瀝青用量、不同級(jí)配、不同填料凍融劈裂殘留強(qiáng)度比的變化對(duì)比關(guān)系如圖9、圖10所示。

圖9 瀝青用量4.2%時(shí)灰分和礦粉殘留強(qiáng)度比對(duì)比

圖10 增加瀝青用量時(shí)灰分和礦粉殘留強(qiáng)度比對(duì)比

由圖9可知，在最佳瀝青用量條件下，若采用灰分作為填料，對(duì)于級(jí)配1，瀝青混合料凍融劈裂的殘留強(qiáng)度比TSR差別不大，對(duì)于級(jí)配2和級(jí)配3，其TSR值明顯小于礦粉作填料的瀝青混合料；對(duì)于級(jí)配2，灰分作填料時(shí)，混合料的TSR值相當(dāng)于礦粉作為填料時(shí)相應(yīng)指標(biāo)的85%；對(duì)于級(jí)配3，灰分作填料時(shí)，混合料的TSR值僅相當(dāng)于礦粉作填料時(shí)混合料TSR值的77%。

由圖10可以看出，灰分作填料且當(dāng)瀝青混合料的瀝青用量增加至4.4%時(shí)，其TSR值明顯提高，即在增加瀝青用量后，灰分作為填料的瀝青混合料其凍融劈裂殘留強(qiáng)度比顯著大于礦粉的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比，主要原因是由于灰分的顆粒粒徑較小，比表面積較大，需要有相對(duì)較多的瀝青裹敷。

綜上所述，灰分對(duì)水穩(wěn)定性的影響和混合料級(jí)配有一定關(guān)系，灰分含量提高，應(yīng)適當(dāng)增加瀝青用量，且級(jí)配2和級(jí)配3效果較好。

2) 高溫穩(wěn)定性

根據(jù)瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果，可以得出在3種級(jí)配條件下，采用灰分和礦粉作為填料時(shí)，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的對(duì)比如圖11、圖12所示。

圖11 不同條件下瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)比

圖12 灰分相對(duì)于礦粉動(dòng)穩(wěn)定度提高量對(duì)比

由圖11、圖12可以看出：

(1) 當(dāng)瀝青含量為4.2%時(shí)，在不同級(jí)配條件下，采用灰分作為填料，瀝青混合料車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度均大于一般礦粉作為填料時(shí)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度。

(2) 采用灰分作為填料時(shí)，混合料動(dòng)穩(wěn)定度的提高值在40%～70%之間，均值約為52%。這充分說(shuō)明灰分作為填料可以較好地提高普通基質(zhì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，同時(shí)也說(shuō)明了湖瀝青改性瀝青混合料具有較高的高溫穩(wěn)定性，灰分在其中發(fā)揮了很好的作用。

(3) 級(jí)配2的動(dòng)穩(wěn)定度增加幅度最大，從水穩(wěn)定性及高溫穩(wěn)定性綜合考慮，湖瀝青改性瀝青混合料應(yīng)適當(dāng)增加粗集料用量，以獲得最佳改性效果。

通過以上試驗(yàn)結(jié)果可知，瀝青用量增加后，灰分作填料時(shí)，瀝青混合料的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比TSR顯著大于礦粉的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比，說(shuō)明灰分作為填料時(shí)，瀝青混合料在合適的瀝青用量條件下，可以提高混合料的水穩(wěn)定性；同時(shí)，灰分還能改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

在關(guān)注到灰分對(duì)瀝青混合料性能改善的同時(shí)，還需要注意的是，灰分存在于湖瀝青中與灰分單獨(dú)提取再添加于基質(zhì)瀝青中有一定區(qū)別：湖瀝青中的灰分是充分浸潤(rùn)、吸附了瀝青，在進(jìn)行湖瀝青混合料生產(chǎn)的過程中，其無(wú)需再吸附外加的基質(zhì)瀝青；灰分從湖瀝青中被提取后，因其具有較小的粒徑和較大的比表面積，所以，在拌和瀝青混合料時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加瀝青用量，才能使混合料具有較好的路用性能，這一點(diǎn)在混合料的水穩(wěn)定性上尤為明顯。

在湖瀝青改性瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)過程中，灰分的處理一直是較為關(guān)注的問題。根據(jù)本項(xiàng)目的研究認(rèn)為，在湖瀝青改性瀝青混合料中，灰分的存在有利于改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性。因此，不應(yīng)簡(jiǎn)單的將灰分看作填料，在TLA改性瀝青混合料中，由于不考慮灰分對(duì)混合料級(jí)配的影響，混合料設(shè)計(jì)中將其僅作為一種外加劑考慮，從而導(dǎo)致灰分的存在對(duì)瀝青混合料的油石比產(chǎn)生了一定影響。

3 油石比換算

湖瀝青改性瀝青的制備是將一定比例的湖瀝青摻入基質(zhì)瀝青中，它和普通改性瀝青存在明顯的差異，即TLA改性瀝青用量與瀝青混合料中的實(shí)際瀝青用量存在一定的差異，這個(gè)差異主要是由TLA中含有37%左右的灰分引起的。正是由于該灰分的存在，使得在TLA的設(shè)計(jì)、施工過程中出現(xiàn)了2個(gè)瀝青用量：TLA改性瀝青用量、實(shí)際瀝青用量。雖然從以上結(jié)論可知，不考慮灰分對(duì)混合料級(jí)配的影響，但灰分的存在恰恰是湖瀝青和其他瀝青較為明顯的區(qū)別，因此，在進(jìn)行混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，可以對(duì)油石比進(jìn)行換算，以便掌握混合料中真實(shí)的油石比。

1) 參數(shù)定義

在進(jìn)行2個(gè)油石比的關(guān)系分析前，需首先定義相關(guān)的幾個(gè)參數(shù)：

TLA灰分含量A%、TLA摻量B%(改性瀝青中湖瀝青質(zhì)量百分比)、改性瀝青油石比CTLA(按正常配合比設(shè)計(jì)得到的湖瀝青改性瀝青的油石比)、實(shí)際油石比Ca(湖瀝青改性瀝青混合料的實(shí)際油石比)。

2) 參數(shù)換算

根據(jù)上述參數(shù)的定義可知，各參數(shù)之間存在關(guān)系如下：

Ca=CTLA(1-B×A)

4 結(jié)論

本文采用試驗(yàn)方法，研究了灰分對(duì)湖瀝青改性瀝青及其混合料技術(shù)性能的影響，主要認(rèn)識(shí)如下：

1) 灰分的存在既可增加瀝青粘度和抗老化性能，也可提高湖瀝青改性瀝青的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性。

2) 在湖瀝青改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，不能僅僅將灰分視為填料，應(yīng)將其視為改性劑的一部分。

3) 灰分的存在會(huì)引起改性瀝青油石比和實(shí)際油石比關(guān)系的改變，文中給出了相應(yīng)的換算公式，可用于計(jì)算湖瀝青改性瀝青的實(shí)際油石比。