湖瀝青改性瀝青混合料路用性能研究

戚云生， 李志勇, 杜 闖

(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)

湖瀝青技術(shù)的應(yīng)用最早起始于1880年的美國Washington特區(qū)，當(dāng)時(shí)市區(qū)內(nèi)的幾條重點(diǎn)城市道路率先采用了這種技術(shù)，并且取得了很好的路用效果。

1944年，在特立尼達(dá)和多巴哥修建丘吉爾·羅斯福公路時(shí)，上面層采用湖瀝青對(duì)普通瀝青進(jìn)行改性，并得到了良好的使用性能，其服務(wù)壽命長達(dá)30年，比預(yù)期多15年左右[1]。

日本對(duì)路面材料質(zhì)量要求較高，在很多年前就開始了對(duì)湖瀝青的研究和推廣應(yīng)用，比較代表性的工程是1988年4月建成使用的日本本州四國聯(lián)絡(luò)橋。

目前湖瀝青被廣泛應(yīng)用于世界上30多個(gè)國家的道路、橋梁、機(jī)場等工程中，充分說明了湖瀝青作為一種天然改性瀝青，其優(yōu)良的改性效果得到了國際社會(huì)的一致認(rèn)可[2]。

1999年，我國首次采用湖瀝青技術(shù)鋪筑的江陰長江大橋建成通車后，該技術(shù)在全國范圍開始推廣使用。2002年北京市一環(huán)路大修采用了湖瀝青和 SBS的雙重改性技術(shù)，很好地改善了瀝青混合料的路用性能，這種復(fù)合改性瀝青的成功應(yīng)用加快了湖瀝青在我國的發(fā)展進(jìn)程[3]。

隨后在諸如滄黃高速公路、佛山一環(huán)道路、烏魯木齊市七道灣道路整改等工程中也采用了湖瀝青改性技術(shù)。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，在我國道路建設(shè)和路面養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。

湖瀝青屬天然瀝青，具有與基質(zhì)瀝青較好的相容性、與集料較好的粘附性、改善混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性以及低溫抗裂性等特點(diǎn)[5]。將其按一定比例摻入基質(zhì)瀝青，即形成湖瀝青改性瀝青，由此形成的瀝青混合料即為湖瀝青改性瀝青混合料[6]。本文結(jié)合具體工程，重點(diǎn)研究湖瀝青改性瀝青及其混合料的路用性能。

1 湖瀝青組成成分及膠體結(jié)構(gòu)

研究發(fā)現(xiàn)，許多石油瀝青的組成和結(jié)構(gòu)存在著復(fù)雜性和不確定性，但是湖瀝青中的化學(xué)成分和物質(zhì)含量卻十分穩(wěn)定，湖瀝青的主要組成成分如表1所示。

表1 湖瀝青的組成成分

在微觀結(jié)構(gòu)上，湖瀝青呈膠體狀，以瀝青質(zhì)為中心，膠質(zhì)吸附在周圍形成膠團(tuán)作為分散相，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示[7]。

(a) 湖瀝青膠體狀結(jié)構(gòu)

(b) 湖瀝青凝膠型結(jié)構(gòu)

由表1可知，湖瀝青的主要成分為地瀝青和灰分，其中灰分的提取方法有2種：燃燒法和抽提法[8]。本文采用抽提法，即利用三氯乙稀作為溶劑，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。

經(jīng)現(xiàn)場取樣測試，本次試驗(yàn)所用湖瀝青灰分含量為36.4%。

2 湖瀝青改性瀝青技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)

為探明湖瀝青改性瀝青的技術(shù)特性，分別采用瀝青3大技術(shù)指標(biāo)、薄膜烘箱等試驗(yàn)手段，通過針入度、質(zhì)量損失等技術(shù)指標(biāo)來研究其特性。試驗(yàn)過程中，將基質(zhì)瀝青和湖瀝青分別加熱至150 ℃，然后按設(shè)定比例進(jìn)行混合，由于有灰分存在，制備過程中應(yīng)對(duì)混合后的瀝青進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，攪拌溫度控制?70 ℃左右。由于湖瀝青內(nèi)部含有37%左右的礦物質(zhì)，且密度較大，易沉淀離析，因此對(duì)制備好的改性瀝青試樣不宜存放時(shí)間過長，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)使用。同時(shí)需要注意的是對(duì)于普通基質(zhì)瀝青AH-70#也要采用與湖瀝青改性瀝青同樣的操作工藝、相同的試驗(yàn)溫度，得到對(duì)比試樣，以保證試驗(yàn)過程的誤差最小。

為了考察不同TLA摻配比例對(duì)AH-70#的改性效果，本文對(duì)TLA和SBS改性瀝青進(jìn)行了基本的性能檢測試驗(yàn)，并與未改性的普通基質(zhì)瀝青進(jìn)行指標(biāo)對(duì)比分析。其中湖瀝青摻入比例控制為20%、25%、33%、40%、50%五種摻量，SBS改性劑的摻量參考相關(guān)資料并結(jié)合工程所在地的實(shí)際情況定為5%，即按5種組合分別進(jìn)行改性瀝青的3大指標(biāo)試驗(yàn)、粘度試驗(yàn)和老化試驗(yàn)，分析不同摻量湖瀝青對(duì)普通基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)的影響[9]。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2試驗(yàn)結(jié)果可知：1) 隨著湖瀝青摻量的增加，瀝青膠結(jié)料高溫性能得到改善，其主要表現(xiàn)為針入度降低，軟化點(diǎn)、粘度、當(dāng)量軟化點(diǎn)升高；2) 瀝青材料溫度敏感性能降低，主要表現(xiàn)為針入度指數(shù)PI值隨著湖瀝青摻量增加而變大，普通瀝青的PI=-1.8，但當(dāng)湖瀝青摻量達(dá)到50%時(shí)，PI=-0.3左右；3) 瀝青材料低溫性能有所改善，表現(xiàn)為湖瀝青摻量增加當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2的絕對(duì)值和延度變小；4) 通過老化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻量增加，TFOT后瀝青質(zhì)量增加，針入度比和延度比降低。這在一定程度上說明，湖瀝青的摻入可以提高瀝青膠結(jié)料的抗老化性能。

表2 TLA改性瀝青指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

因此，在選取湖瀝青的摻量時(shí)，應(yīng)參考改性瀝青各指標(biāo)的變化程度合理選取，如果僅從湖瀝青改性瀝青的基本指標(biāo)試驗(yàn)分析，湖瀝青的摻量控制在20%～25%之內(nèi)改性效果最佳。

3 湖瀝青改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

本文依托安徽省泗許高速公路實(shí)體工程，試驗(yàn)段總瀝青用量130 t，礦質(zhì)混合料的選料為：上面層粗集料為玄武巖，細(xì)集料為機(jī)制砂，填料用礦粉；中面層粗集料為石灰?guī)r，細(xì)集料、填料材料和上面層選料相同。材料粒徑選擇如表3所示。

表3 礦質(zhì)混合料的選用規(guī)格

利用試算法對(duì)上面層AC-13C和中面層AC-20C進(jìn)行礦料配合比設(shè)計(jì)[10]，得到修正后的設(shè)計(jì)級(jí)配上面層為1#∶2#∶3#∶4#∶礦粉=27%∶32%∶7.5%∶31%∶2.5%，中面層為1#∶2#∶3#∶4#∶礦粉=37%∶26.5%∶9%∶25.5%∶2%。最佳油石比的計(jì)算公式如下：

OAC1=(a1+a2+a3+a4)/4

(1)

OAC2=(OACmax+OACmin)/2

(2)

OAC=(OAC1+OAC2)/2

(3)

式中：a1為穩(wěn)定度最大時(shí)的油石比；a2為毛體積密度最大時(shí)的油石比；a3為孔隙率中值時(shí)的油石比；a4為飽和度中值時(shí)的油石比；OAC1為第1個(gè)初始最佳油石比；OAC2為第2個(gè)初始最佳油石比；OACmin為各指標(biāo)均符合要求的最小油石比；OACmax為各指標(biāo)均符合要求的最大油石比。

AC-13C和AC-20C最佳油石比計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 計(jì)算最佳油石比結(jié)果

4 湖瀝青改性瀝青混合料路用性能

瀝青混合料的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮行車荷載及環(huán)境因素的作用，其應(yīng)具有良好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性等路用性能[11-12]。

4.1 高溫穩(wěn)定性

對(duì)不同類型混合料高溫穩(wěn)定性的研究擬采用車轍試驗(yàn)[13]，分別對(duì)上面層和中面層混合料在最佳油石比下成型的板塊狀標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)，結(jié)果如表5、表6所示。

表5 不同混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

表6 不同混合料相對(duì)變形試驗(yàn)結(jié)果

動(dòng)穩(wěn)定度表示標(biāo)準(zhǔn)試件每增加1 mm變形所需要行走的次數(shù)。動(dòng)穩(wěn)定度測試值越大，說明混合料抵抗高溫變形的能力越強(qiáng)，則混合料高溫穩(wěn)定性越好。如在相同碾壓次數(shù)條件下，相對(duì)變形量小，則車轍深度小，也說明瀝青混合料高溫穩(wěn)定性好。

從表5可知，與普通瀝青混合料相比，改性后瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均出現(xiàn)較大程度的提高，與5%SBS改性瀝青混合料相比，不同溫度下TLA改性瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度均有不同程度的提高，其中25%湖瀝青與5%SBS基本相近，而33%TLA要比前兩者提高很多，中面層測試的動(dòng)穩(wěn)定度在60 ℃時(shí)達(dá)到了5 000以上。

為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文同時(shí)開展了相對(duì)變形試驗(yàn)。表6結(jié)果表明，隨著湖瀝青的摻入，相對(duì)變形量變小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是湖瀝青自身內(nèi)部瀝青質(zhì)含量較大，瀝青稠度較高，軟化點(diǎn)與SBS相比也較高，所以其變形程度會(huì)有所降低，這也說明了湖瀝青可改善瀝青的高溫穩(wěn)定性。

從動(dòng)穩(wěn)定度和相對(duì)變形的相對(duì)關(guān)系來看，兩者在變化趨勢上具有一定的規(guī)律性，但相對(duì)變形的變化率比動(dòng)穩(wěn)定度的變化率要小，這也說明2種指標(biāo)在反映瀝青混合料高溫穩(wěn)定性方面存在一定差異，僅采用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)評(píng)價(jià)高溫穩(wěn)定性存在不能反映瀝青混合料整個(gè)使用過程中抗永久性變形方面的不足。因此在評(píng)價(jià)混合料高溫穩(wěn)定性時(shí)，建議將2種指標(biāo)結(jié)合起來進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

4.2 低溫抗裂性

為研究湖瀝青材料的低溫性能，采用小梁低溫彎曲試驗(yàn)來進(jìn)行，即利用彎曲試驗(yàn)壓力機(jī)對(duì)成型試件進(jìn)行彎曲破壞試驗(yàn)[14]，結(jié)果如表7所示。

表7 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

分析表7數(shù)據(jù)可知，改性后混合料試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度均有所提高，且隨著TLA摻量增加，抗彎拉強(qiáng)度也隨著變大，說明湖瀝青提升了試件的抗彎拉強(qiáng)度；當(dāng)湖瀝青摻量為25%和SBS改性劑為5%時(shí)，試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變均大于普通基質(zhì)瀝青混合料；但是當(dāng)湖瀝青摻量達(dá)到33%時(shí)，最大彎拉應(yīng)變有所降低，說明過大的湖瀝青摻量會(huì)對(duì)降低其抗彎拉應(yīng)變。

因此湖瀝青可改善混合料的高溫性能，但也會(huì)對(duì)其低溫性能有所影響，實(shí)際應(yīng)用中可通過控制湖瀝青的摻入量試驗(yàn)，確定其摻入量，確保湖瀝青改性混合料的高溫性能和低溫性能。根據(jù)本文試驗(yàn)，控制其摻入量在25%左右即可。

湖瀝青改性瀝青在低溫性能方面存在一些不足，是由湖瀝青的特性決定的，但考慮到它在高溫穩(wěn)定性及其他路用性能方面較SBS改性瀝青優(yōu)越，因此在安徽泗許高速公路建設(shè)時(shí)，采用了湖瀝青改性瀝青混合料鋪設(shè)路面。

4.3 水穩(wěn)定性

水損害是指在水滲入瀝青路面內(nèi)部，在行車荷載作用下形成動(dòng)水壓力，在動(dòng)水壓力的沖刷作用下致使瀝青材料與集料脫落，導(dǎo)致瀝青混合料發(fā)生松散、剝落，造成瀝青路面形成坑槽，對(duì)路面行車安全造成很大影響，致使路面加速破壞[15]。本文采用浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和二次凍融循環(huán)試驗(yàn)對(duì)混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)檢測。

1) 浸水馬歇爾試驗(yàn)

采用公式(4)計(jì)算分析混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

(4)

式中：MS0為浸水馬歇爾試驗(yàn)的殘留穩(wěn)定度，%；MS為試件浸水30 min～40 min后穩(wěn)定度，kN；MS1為試件浸水48 h后馬歇爾穩(wěn)定度，kN。

表8 不同改性瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果 %

由表8可知，無論是上面層還是中面層，改性后混合料的殘留穩(wěn)定度均比改性前大。當(dāng)SBS改性劑為5%時(shí)，與普通瀝青混合料相比，上面層AC-13C瀝青混合料殘留穩(wěn)定度提高了15.1%，中面層提高了13.6%；當(dāng)湖瀝青摻量為25%時(shí)，相同指標(biāo)上面層提高了16.3%，中面層提高了20.1%； 當(dāng)湖瀝青摻量為33%時(shí)，上面層和中面層分別提高了14%和16.1%。

綜上分析，3種改性后的混合料其殘留穩(wěn)定度相差不大，但同比條件下，摻入25%TLA的改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度增幅最大。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[9]，由于基本指標(biāo)很容易達(dá)到規(guī)范要求≥85%的最低下限要求，因此僅采用殘留穩(wěn)定度指標(biāo)評(píng)價(jià)混合料的水穩(wěn)定性不夠全面，為此還需結(jié)合凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2) 凍融劈裂試驗(yàn)

凍融循環(huán)試驗(yàn)主要是模擬瀝青-集料界面外力破壞作用，以評(píng)價(jià)界面的粘結(jié)程度。凍融循環(huán)是一種效果較好、實(shí)施簡便的評(píng)價(jià)混合料抗水損害的方法。

凍融試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比的計(jì)算公式如下所示，計(jì)算結(jié)果如表9所示。

(5)

式中：RTi為經(jīng)過凍融循環(huán)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度平均值，MPa，i=1為1次凍融循環(huán)，i=2為2次凍融循環(huán)；RT為未經(jīng)凍融循環(huán)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度平均值，MPa；TSRi為試件凍融劈裂殘留強(qiáng)度比，%。

表9 不同瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 %

表9中，TSR1和TSR2分別為凍融循環(huán)1次和2次后的劈裂強(qiáng)度殘留強(qiáng)度比。分析表9數(shù)據(jù)可知，較普通瀝青混合料，不管通過何種方式改性，混合料的殘留劈裂強(qiáng)度比均有所提高。其中1次凍融循環(huán)后，4種混合料的TSR1均滿足規(guī)范要求，其值相差不大且無明顯線性關(guān)系。當(dāng)TLA的摻量為33%時(shí)，TSR1達(dá)到最大值；經(jīng)2次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，TSR值較1次凍融循環(huán)均有所降低，其中普通瀝青混合料和5%SBS改性瀝青混合料的TSR2值均降至規(guī)范要求值以下，而25%和33%TLA改性瀝青混合料的TSR2值均能滿足規(guī)范不低于80%的要求。且不論上面層，還是中面層，湖瀝青改性瀝青混合料的殘留劈裂強(qiáng)度比均優(yōu)于SBS改性劑摻量為5%的瀝青混合料，說明在改善瀝青混合料水穩(wěn)定性方面，湖瀝青改性瀝青優(yōu)于SBS改性瀝青，可以更好地改善混合料內(nèi)部的粘結(jié)力。

5 結(jié)束語

本文依托工程，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)檢測湖瀝青各種指標(biāo)，依次從湖瀝青結(jié)構(gòu)成分、湖瀝青改性瀝青的技術(shù)特性、礦料配比及混合料路用性能展開研究，得出如下主要結(jié)論：

1) 針對(duì)湖瀝青改性瀝青的技術(shù)特性開展試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)湖瀝青改性瀝青有較好的高溫性能，可降低瀝青的溫度敏感性，也可提高瀝青的抗老化性能。

2) 通過試驗(yàn)，確定了湖瀝青改性瀝青混合料的礦料配合比及上面層混合料AC-13C和中面層混合料AC-20C的最佳油石比。

3) 通過車轍試驗(yàn)、小梁低溫彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗(yàn)，研究了湖瀝青改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性。結(jié)果表明：湖瀝青改性瀝青混合料有非常好的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性；若湖瀝青添加比例合適，對(duì)其低溫抗裂性也有所改善。

4) 通過對(duì)試驗(yàn)確定的最佳油石比配比條件下的瀝青混合料路用性能進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)摻配25%湖瀝青改性瀝青混合料水穩(wěn)定性較好，且高溫穩(wěn)定性也得到改善，沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)改性瀝青低溫抗裂性降低的缺陷。同時(shí)考慮到安徽泗許高速氣候特點(diǎn)以及重載交通條件，為了提高路面的抗車轍、抗水損害和抗裂縫能力，通過不同摻配比例的湖瀝青改性瀝青性能對(duì)比試驗(yàn)，確定了最佳的湖瀝青摻量為25%。