干法摻入煤液化殘?jiān)鼮r青穩(wěn)定碎石基層材料性能

張宜洛，陳陽(yáng)陽(yáng)，李 晨，王佳偉，董飛龍，郭 創(chuàng)

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 2. 中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014)

0 引 言

煤液化分離后的殘?jiān)?LQ)主要物質(zhì)成分為瀝青烯類(lèi)物質(zhì)以及較多的油分，其組成成分與瀝青中瀝青質(zhì)的成分具有很高的相似性[1-2]，考慮到我國(guó)目前瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層造價(jià)較高的現(xiàn)狀，將煤液化殘?jiān)砑拥綖r青穩(wěn)定碎石基層中，不僅能夠降低柔性基層的造價(jià)，還能實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢棄物的再利用，利于環(huán)保。綜合目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于煤液化殘?jiān)难芯楷F(xiàn)狀，國(guó)外的研究主要集中于對(duì)材料自身相關(guān)性質(zhì)的試驗(yàn)研究[3]，而很少涉及其在道路工程相關(guān)方面的應(yīng)用研究，而國(guó)內(nèi)因?yàn)槊禾抠Y源消耗較大且用于道路建設(shè)的材料相對(duì)較少，使得國(guó)內(nèi)對(duì)于煤液化殘?jiān)难芯恐饕杏诘缆贩矫?。目前?guó)內(nèi)的主要研究方向?yàn)閷?duì)殘?jiān)M(jìn)行提純，將其加入到瀝青中對(duì)瀝青進(jìn)行改性，對(duì)改性瀝青的性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)研究[4-6]，而對(duì)用煤液化殘?jiān)男詾r青制得的瀝青混合料的性能研究較少。并且以上述濕法的方式摻入，忽略了一般煤直接液化殘?jiān)泻幸欢康母呋曳值牡V物元素成分，這部分成分與瀝青并不相溶，但研究中近似認(rèn)為殘?jiān)梢匀咳芙狻Ｖ饕ㄟ^(guò)將煤液化殘?jiān)愿煞ㄌ砑庸に?，用煤液化殘?zhí)娲糠值V粉的方式外摻加入到瀝青混合料中，全面地研究干法摻入煤液化殘?jiān)鬄r青穩(wěn)定碎石混合料的路用性能和疲勞性能，為替代部分礦粉填料的干法外摻煤液化殘?jiān)に嚨目尚行蕴峁┮罁?jù)。

1 試驗(yàn)原材料技術(shù)性能

瀝青采用中石化“東海牌”70號(hào)瀝青，石料為蘇尼特左旗瑞通礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石，礦粉為二連浩特市通惠水泥廠生產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉，各材料技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1～表3。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Asphalt technical indicators

表2 集料技術(shù)指標(biāo)Table 2 Aggregate technical indicators

表3 礦粉物理指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Table 3 Test results of mineral powder physical indicators

2 LQ在瀝青穩(wěn)定碎石基層中應(yīng)用探究

2.1 LQ材料特性

煤液化殘?jiān)窃涸谔幚磉^(guò)程中，經(jīng)過(guò)減壓蒸餾等工藝分離出的殘留物，其中灰質(zhì)、炭質(zhì)、揮發(fā)分含量很高，并且組成成分中含有大量瀝青烯物質(zhì)和油分[7]，其外觀為黑色粉末狀顆粒，對(duì)LQ進(jìn)行電鏡掃描分析，從圖像中可以看出，LQ中材料顆粒由大到小連續(xù)存在，顆粒形狀為不規(guī)則的多面體結(jié)構(gòu)，且顆粒表面粗糙，有豐富的附著結(jié)構(gòu)[8]。分別對(duì)礦粉、LQ材料和水泥進(jìn)行粒度分析和比表面積測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

圖4 LQ材料顆粒表面微觀圖片F(xiàn)ig. 4 Micro picture of LQ material particle surface

樣品名稱d10/μmd30/μmd60/μm0.075 mm/%礦粉1.3588.42631.75392.627LQ6.03712.22320.38298.128水泥2.71610.37528.57196.524

注：d10是指累計(jì)粒度達(dá)到10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的顆粒尺寸，其他類(lèi)同。

LQ、水泥以及礦粉3種材料的0.075 mm篩孔通過(guò)率逐漸減小，LQ材料顆粒中，粒徑為10 μm 左右的顆粒含量所占比例高于另外兩種材料，并且其d60也比另外兩種材料小，因此LQ顆粒總體比礦粉和水泥的顆粒要細(xì)。根據(jù)材料比表面積測(cè)試結(jié)果，LQ 材料的比表面積最大，說(shuō)明LQ摻入到瀝青混合料中與瀝青的接觸面積較大，有較強(qiáng)的吸附能力，與瀝青之間的作用力大。

2.2 LQ摻入工藝研究

材料的摻入工藝對(duì)混合料的性能有重要的影響，摻入工藝不同，材料在混合料中分布狀態(tài)以及反應(yīng)程度就不同，從而影響整個(gè)混合料的性質(zhì)。常用的添加劑摻入工藝有濕法和干法兩種，LQ材料的濕法摻入是指先將LQ加熱到熔點(diǎn)(190 ℃以上)，使其成為熔融狀態(tài)摻入瀝青中，充分混合均勻后與石料拌和[9]，但LQ材料中灰分礦物質(zhì)含量較多，其與瀝青基本不相溶，若不能采取合適的摻加工藝，會(huì)對(duì)制得的改性瀝青性質(zhì)產(chǎn)生一定程度的不良影響，達(dá)不到預(yù)期的效果。

干拌法是相對(duì)于濕法的另一種摻加工藝，將材料在瀝青與石料的拌和過(guò)程中以外摻的形式加入。對(duì)于LQ材料而言，在混合料拌和過(guò)程中一部分溶入到瀝青中，對(duì)瀝青起到改性作用，從而提高混合料的性能，同時(shí)由于其中含有較多的灰組分，沒(méi)有溶入的部分以物理形態(tài)分布于瀝青中，一些沒(méi)有溶入瀝青中粒徑相對(duì)較大的LQ顆粒與瀝青的結(jié)合能力較弱，其在混合料中的存在方式主要為和灰分礦物質(zhì)一起分布在礦料之間充當(dāng)填料，降低空隙率，提高密實(shí)度，對(duì)混合料的路用性能和疲勞性能有一定程度的改善。主要研究LQ替代部分礦粉摻入混合料前后瀝青穩(wěn)定碎石路用性能和疲勞性能的變化，為了更好的研究LQ材料的性質(zhì)，增加一組以水泥為填料的對(duì)比組，LQ和水泥的替代量為礦粉質(zhì)量的50%，混合料類(lèi)型記為礦粉、礦粉+LQ、礦粉+水泥，通過(guò)對(duì)混合料試件的試驗(yàn)分析，評(píng)價(jià)LQ瀝青穩(wěn)定碎石的性能。

3 路用性能

3.1 混合料配合比設(shè)計(jì)

采用ATB-25型瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料，馬歇爾試驗(yàn)方法確定的礦粉和礦粉+水泥兩種類(lèi)型混合料最佳瀝青用量為3.5%，礦粉+LQ瀝青混合料最佳瀝青用量為3.2%，設(shè)計(jì)級(jí)配見(jiàn)表6，最佳油石比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 ATB-25礦質(zhì)混合料級(jí)配Table 6 ATB-25 mineral mixture gradation

表7 最佳油石比試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Test results of optimum asphalt aggregate ratio

3.2 混合料高溫性能

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T 0719—2011 對(duì)瀝青混合料進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，不同混合料的車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8：

表8 不同瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Rutting test results of different asphalt mixtures

由表8可知：礦粉+LQ瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最大，礦粉+水泥瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度次之，純礦粉瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度最小，礦粉+LQ瀝青混合料穩(wěn)定度接近純礦粉瀝青混合料的1.5倍。從車(chē)轍深度來(lái)看，礦粉+LQ瀝青混合料的車(chē)轍深度最淺，純礦粉瀝青混合料的車(chē)轍深度最深，說(shuō)明干法摻入LQ可以提高瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料的高溫性能，LQ材料具有一定的增黏效果，增加了瀝青的黏度，因此LQ瀝青穩(wěn)定碎石基層高溫下抵抗變形的能力增加。

3.3 混合料水穩(wěn)定性

不同類(lèi)型混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2：

圖2 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Fig. 2 Water stability test results

由圖2可知：礦粉+水泥瀝青混合料的水穩(wěn)定性最優(yōu)，純礦粉混合料的殘留穩(wěn)定度最小，礦粉+LQ混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比最小，但符合道路工程瀝青路面施工規(guī)范中對(duì)于瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度的規(guī)定要求。LQ材料表面附著結(jié)構(gòu)豐富使瀝青膜的抗剝落能力增強(qiáng)，提高了混合料的浸水殘留穩(wěn)定度，其凍融劈裂強(qiáng)度變低的原因，是因?yàn)闉r青含量相對(duì)較少，瀝青混合料的空隙率高，在水的浸泡下內(nèi)部含水率高，凍融循環(huán)過(guò)程中由于水的作用試件更加容易遭受破壞。

3.4 低溫性能

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T 0715—2011 對(duì)瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表9：

表9 不同瀝青混合料低溫性能試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Low temperature performance test results ofdifferent asphalt mixtures

由表9可知：純礦粉瀝青混合料破壞時(shí)的應(yīng)變最大，礦粉+水泥瀝青混合料次之，礦粉+LQ混合料破壞時(shí)應(yīng)變最小，LQ混合料與另外兩種混合料相對(duì)比，其低溫抗裂性明顯變差，一個(gè)原因是LQ混合料中的瀝青含量相對(duì)較少，另一原因是LQ材料加入后使得瀝青混合料的脆性增加，導(dǎo)致低溫抗裂性變差。

3.5 瀝青穩(wěn)定碎石抗疲勞特性

采用MTS材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)溫度控制在15 ℃±0.5 ℃，應(yīng)力水平采用0.2、0.3、0.4、0.6四個(gè)應(yīng)力比，對(duì)3種填料形式的ATB-25瀝青混合料進(jìn)行疲勞試驗(yàn)[10]，4種應(yīng)力水平條件下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果及疲勞回歸方程見(jiàn)表10。

疲勞方程中k值是控制指標(biāo)，代表材料的抗疲勞能力，值越大材料抗疲勞能力越強(qiáng)；而n值表示應(yīng)力變化對(duì)材料疲勞壽命的影響，n值越大，應(yīng)力變化對(duì)疲勞壽命的影響越明顯。從疲勞試驗(yàn)回歸方程系數(shù)k和n的值來(lái)看，礦粉+LQ瀝青混合料的抗疲勞性能最好，摻加了水泥的混合料和純礦粉混合料的疲勞性能差別不大。LQ混合料與其他兩種混合料相比，其抗疲勞性能較為優(yōu)異， LQ摻入到瀝青混合料中，提高了瀝青膠漿的黏結(jié)能力，而一般疲勞產(chǎn)生的破壞都是從膠漿處產(chǎn)生，在行車(chē)荷載的反復(fù)作用下不斷發(fā)展，黏結(jié)能力較強(qiáng)的瀝青混合料能有效地延緩和阻礙疲勞破壞的發(fā)展，從而增加混合料的疲勞壽命。另外LQ瀝青混合料與另外兩種混合料相比，其疲勞方程的n值最大，表明荷載應(yīng)力水平對(duì)其抗疲勞性能有較大的影響。

表10 不同填料瀝青穩(wěn)定碎石疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 10 Fatigue test results of different packing asphalt stabilized gravel

從圖3中可以看出，應(yīng)力水平不斷增加，應(yīng)力比超過(guò)0.6，應(yīng)力值大于2 MPa的情況下，LQ混合料的疲勞回歸直線開(kāi)始低于另外兩種混合料，表明再此條件下LQ混合料的疲勞壽命小于另外兩種混合料，當(dāng)應(yīng)力值處于大于2 MPa的應(yīng)力條件下，LQ混合料的抗疲勞能力劣于另外兩種混合料。對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析得出，LQ瀝青混合料的油石比較低，添加的瀝青相對(duì)較少，導(dǎo)致空隙率大，在高應(yīng)力的作用下，試件易從空隙集中處發(fā)生斷裂，觀察試件經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)后產(chǎn)生的斷裂面，其中粒徑較大的集料沒(méi)有發(fā)生破壞，均比較完整，斷裂破壞從集料與瀝青黏結(jié)的部位產(chǎn)生，并且沿著集料的輪廓延伸發(fā)展，空隙越多，裂縫的發(fā)展越容易。當(dāng)應(yīng)力增加到超過(guò)瀝青混合料的最大抵抗變形應(yīng)力時(shí)，試件就產(chǎn)生破壞，由于LQ混合料中瀝青含量低，其抵抗變形能力不足以抵抗高應(yīng)力條件下的疲勞破壞，因此抗疲勞性能下降。在重載道路中，其基層底部的拉應(yīng)力較大[11]，使用干法摻入煤液化殘?jiān)旌狭闲拗鶎訒r(shí)，為了防止基層在高應(yīng)力條件下產(chǎn)生疲勞破壞，可以適當(dāng)增加基層厚度。

圖3 三種瀝青混合料疲勞雙對(duì)數(shù)回歸方程Fig. 3 Fatigue double logarithmic regression equation for three asphalt mixtures

4 結(jié) 論

1)LQ顆?？傮w比礦粉細(xì)，比表面積較大，其表面有豐富的附著結(jié)構(gòu)，有很好的吸附瀝青的能力，提高了瀝青膜的抗剝落能力。馬歇爾試驗(yàn)方法確定的礦粉和礦粉+水泥兩種類(lèi)型混合料最佳瀝青用量為3.5%，礦粉+LQ瀝青混合料最佳瀝青用量為3.2%，在瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層中，LQ材料可以降低一定程度的瀝青用量。

2)填料類(lèi)型為礦粉+LQ瀝青穩(wěn)定碎石混合料的動(dòng)穩(wěn)定最高，高溫抵抗變形的能力最好；相比于純礦粉瀝青混合料，LQ瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度提高，凍融殘留強(qiáng)度比降低，但仍滿足使用要求；礦粉+LQ瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變比礦粉+水泥和純礦粉瀝青混合料都小，低溫抗裂性能變差。

3)在應(yīng)力水平較低時(shí)(小于1.5 MPa)，LQ瀝青穩(wěn)定碎石抗疲勞性能比另外兩種混合料好，但應(yīng)力水平較高時(shí)，其抗疲勞性比另外兩種混合料差；摻加水泥填料與純礦粉混合料抗疲勞性能沒(méi)有明顯的差異。

4)在瀝青穩(wěn)定碎石基層中采用替代部分礦粉填料的干法外摻煤液化殘?jiān)强尚械?，并且能降低瀝青用量，降低瀝青穩(wěn)定碎石基層造價(jià)，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益，有利于柔性基層的推廣。