稻殼灰改性瀝青及瀝青混合料性能研究

姬 楓

（洛陽璟信公路工程科技發(fā)展有限公司，河南洛陽471000）

隨著我國公路工程建設(shè)的快速發(fā)展，截止2019年底全國高速公路通車?yán)锍桃堰_(dá)14.26萬公里?，F(xiàn)階段我國高速公路一般采用瀝青路面結(jié)構(gòu)，其具有行車舒適、養(yǎng)護(hù)維修簡便等優(yōu)點，但瀝青屬于高分子有機(jī)材料，在受到汽車荷載和氣候環(huán)境的綜合作用下時瀝青會發(fā)生老化，致使性能降低，從而使得瀝青路面出現(xiàn)坑槽和開裂等病害，嚴(yán)重影響行車安全和路面使用壽命[1-3]，因此如何提高瀝青路面使用性能一直是當(dāng)前學(xué)者們研究的重點課題。

采用瀝青改性技術(shù)一直是提高瀝青路面使用性能的重要手段，如目前采用的SBS、SBR、PE和RUBBER等改性瀝青，均在實際工程中取得了一定應(yīng)用效果[4-7]。隨著國家資源可持續(xù)戰(zhàn)略的提出，利用廢物改性瀝青近年來逐漸引起關(guān)注。稻殼灰是水稻秸稈燃燒后的廢物，產(chǎn)量十分巨大，稻殼灰中含有木質(zhì)素、纖維素和二氧化硅等物質(zhì)，具有較高的火山灰活性，目前一些研究者已發(fā)現(xiàn)利用稻殼灰可改善瀝青性能，但國內(nèi)關(guān)于稻殼灰應(yīng)用于瀝青改性的研究還處于初步階段[8-10]?；诖?，制備稻殼灰改性瀝青，對其高溫性能、低溫性能和存儲穩(wěn)定性進(jìn)行試驗研究，同時制備相應(yīng)瀝青混合料對其路用性能進(jìn)行分析，對利用廢舊資源和改善瀝青性能有積極意義。

1 試驗概況

1.1 原材料

（1）瀝青

采用AH-70號道路石油瀝青為基質(zhì)瀝青進(jìn)行試驗分析，其各項指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）要求，見表1。

表1 AH-70號基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indexes of AH-70 base asphalt

（2）稻殼灰

將廢舊稻秸稈置于600℃馬沸爐中焚燒120min，冷卻后移入立式方形行星球磨機(jī)研磨30min，進(jìn)而烘干過0.075mm篩即可作為瀝青改性用稻殼灰。

（3）集料級配

粗細(xì)集料均采用質(zhì)地堅硬的玄武巖，礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)而得，采用細(xì)粒式瀝青混凝土集料級配AC-13，其各篩孔通過率見表2。

表2 AC-13集料級配Table 2 Aggregate grading of AC-13

1.2 稻殼灰改性瀝青制備方法

將基質(zhì)瀝青加熱至160℃后按比例摻入置于120℃烘箱中烘干的稻殼灰，用玻璃棒攪勻后采用高速剪切機(jī)以5000r/min速率剪切30min后置于135℃烘箱中發(fā)育60min，即可制得稻殼灰改性瀝青。

2 稻殼灰改性瀝青性能研究

為掌握稻殼灰對瀝青高溫性能、低溫性能和存儲穩(wěn)定性的影響，分別制備稻殼灰摻量為0%、5%、10%、15%和20%的改性瀝青進(jìn)行DSR試驗、BBR試驗和離析試驗分析。

2.1 高溫性能

2.1.1 高溫性能分析

采用DSR試驗對稻殼灰改性瀝青高溫性能進(jìn)行評價，可測得瀝青復(fù)數(shù)模量和相位角兩個指標(biāo)，復(fù)數(shù)模量表征瀝青高溫抗變形能力，值越大瀝青高溫抗變形能力越強(qiáng)，相位角表征瀝青高溫粘彈比例，值越大瀝青中粘性成分越多，高溫變形彈性恢復(fù)能力越弱。試驗采用應(yīng)力控制模式，溫度分別為58℃、64℃、70℃和76℃，頻率10rad/s，結(jié)果如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可知：隨著溫度升高，稻殼灰改性瀝青復(fù)數(shù)模量逐漸降低，相位角逐漸提高，表明其高溫性能逐漸變差，其中溫度由58℃升高至76℃時，5個稻殼灰摻量下的瀝青復(fù)數(shù)模量分別下降83.0%、79.2%、78.2%、77.5%和78.0%，此時瀝青高溫抗變形能力下降，相位角則分提高6.7%、8.5%、11.2%、11.5%和14.0%，此時瀝青中粘性成分比例增加，高溫變形恢復(fù)能力下降。

圖1 稻殼灰摻量對瀝青復(fù)數(shù)模量的影響Fig.1 Effect of rice husk ash content on asphalt complex modulus

圖2 稻殼灰摻量對瀝青相位角的影響Fig.2 Effect of rice husk ash content on asphalt phase angle

稻殼灰可有效改善瀝青高溫性能，且隨摻量的增加改善效果逐漸變好。在瀝青中在摻入稻殼灰后，瀝青復(fù)數(shù)模量逐漸提高，相位角逐漸降低，其中稻殼灰摻量由0%增加至20%時，4個試驗溫度下瀝青復(fù)數(shù)模量分別增加0.8倍、1.0倍、1.1倍和1.3倍，相位角則分別下降16.1%、14.7%、11.6%和10.4%，這可能是因為稻殼灰中高活性的SiO2與瀝青結(jié)合料發(fā)生反應(yīng)，形成有效的填充結(jié)構(gòu)，使瀝青稠度增加，故高溫性能增強(qiáng)。

2.1.2 高溫性能溫度敏感性分析

采用復(fù)數(shù)模量指數(shù)（復(fù)數(shù)模量取兩次對數(shù)后隨溫度取一次對數(shù)變化曲線斜率，其絕對值越小，瀝青高溫性能溫度敏感性越低）評價稻殼灰改性瀝青高溫性能溫度敏感性，其計算方法見公式(1)：

式（1）中：GTS為復(fù)數(shù)模量指數(shù)；G*為復(fù)數(shù)模量（Pa）；T為試驗溫度（K）。

各個稻殼灰摻量下瀝青高溫性能溫度敏感性分析結(jié)果見表3。

表3 稻殼灰改性瀝青高溫性能溫度敏感性分析結(jié)果Table 3 Temperature sensitivity analysis results of high temperature performance of rice husk ash modified asphalt

由表3可知：復(fù)數(shù)模量與溫度相關(guān)性較好，各個稻殼灰摻量下的瀝青R2值均大于0.96；隨著稻殼灰摻量增加，GTS絕對值逐漸降低，表明瀝青復(fù)數(shù)模量隨溫度變化曲線的斜率降低，溫度敏感性變好，其中稻殼灰摻量由0%分別增加至5%、10%、15%和20%時，GTS絕對值分別下降14.9%、17.2%、20.1%和21.2%，顯然隨著稻殼灰摻量增加，其對瀝青高溫性能溫度敏感性的改善幅度逐漸降低。

2.2 低溫性能

采用BBR試驗對稻殼灰改性瀝青低溫性能進(jìn)行評價，其可測得瀝青蠕變勁度模量和蠕變速率兩個指標(biāo)，勁度模量表征瀝青低溫變形能力大小，值越大瀝青低溫變形能力越差，硬脆特征越明顯，蠕變速率表征瀝青低溫應(yīng)力松弛能力，值越大瀝青因低溫產(chǎn)生的應(yīng)力累積消散速率越快，低溫性能越好。試驗溫度為-12℃，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 稻殼灰摻量對瀝青勁度模量的影響Fig.3 Effect of rice husk ash content on asphalt stiffness modulus

圖4 稻殼灰摻量對瀝青蠕變速率的影響Fig.4 Effect of rice husk ash content on creep rate of asphalt

由圖3和圖4可知，稻殼灰會造成瀝青低溫性能下降，且隨著摻量的增加下降程度逐漸增大。稻殼灰摻量由0%分別增加至5%、10%、15%和20%時，瀝青勁度模量分別升高7.5%、13.2%、19.2%和29.1%，蠕變速率分別下降3.5%、8.9%、12.8%和15.9%，表明摻入稻殼灰會降低瀝青低溫變形能力，且應(yīng)力松弛能力變差，分析原因為稻殼灰的填充作用使瀝青稠度增加所致。

2.3 存儲穩(wěn)定性

將稻殼灰改性瀝青加熱至160℃注入鋁管后垂直置于163℃烘箱中保溫48h，取出冷卻至室溫后移入冷柜冷凍4h，取鋁管上下1/3高度部分瀝青進(jìn)行軟化點試驗，計算兩者軟化點差作為瀝青存儲穩(wěn)定性評價指標(biāo)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 稻殼灰摻量對瀝青存儲穩(wěn)定性的影響Fig.5 Effect of rice husk ash content on asphalt storage stability

由圖5可知：稻殼灰會造成瀝青存儲穩(wěn)定性下降，且隨著摻量的增加下降程度逐漸增大，其中稻殼灰摻量由0%分別增加至5%、10%、15%和20%時，瀝青軟化點差分別升高0.3℃、1.1℃、1.5℃和1.9℃，這是由于高溫下稻殼灰在瀝青中因重力下沉的緣故；稻殼灰改性瀝青軟化點差與其摻量呈明顯的線性相關(guān)關(guān)系，R2值達(dá)0.9796，故根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）對改性瀝青軟化點差不大于2.5℃的要求可得出滿足存儲穩(wěn)定性時稻殼灰摻量應(yīng)不大于23.6%。

3 稻殼灰改性瀝青混合料性能研究

為了掌握稻殼灰對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性的影響，分別制備稻殼灰摻量為0%、5%、10%、15%和20%的改性瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗和凍融劈裂試驗進(jìn)行分析。

3.1 高溫穩(wěn)定性

采用輪碾法制備300mm×300mm×50mm稻殼灰改性瀝青混合料試件進(jìn)行車轍試驗，試驗溫度分別為60℃和70℃，輪壓0.7MPa，結(jié)果如圖6所示。

圖6 稻殼灰摻量對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響Fig.6 Effect of rice husk ash content on high temperature stability of asphalt mixture

由圖6可知：摻入稻殼灰可有效改善瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，且摻量越高，改善效果越好。稻殼灰摻量由0%分別增加至5%、10%、15%和20%時，60℃下瀝青混合料動穩(wěn)定度分別增加0.5倍、1.4倍、2.0倍和2.3倍，70℃下則分別增加0.6倍、1.8倍、2.9倍和3.4倍。同時，動穩(wěn)定度隨稻殼灰摻量呈明顯的線性相關(guān)關(guān)系，60℃和70℃下R2值分別達(dá)到0.9684和0.9813，故根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）對改性瀝青混合料不同溫區(qū)動穩(wěn)定度的要求可得出滿足高溫穩(wěn)定性時稻殼灰摻量應(yīng)滿足表4要求。

表4 滿足高溫穩(wěn)定性要求時不同溫區(qū)稻殼灰摻量范圍Table 4 Range of rice husk ash content in different temperature regions when the requirements of high temperature stability are met

摻入稻殼灰可改善瀝青混合料高溫性能溫度敏感性，且摻量越高改善效果越好。試驗溫度由60℃升高至70℃時，0%、5%、10%、15%和20%共5個稻殼灰摻量下的瀝青混合料動穩(wěn)定度分別降低53.3%、50.3%、46.0%、39.8%和36.8%，顯然稻殼灰摻量越高，提高試驗溫度對其動穩(wěn)定度造成的下降程度越小，溫度敏感性變好。

3.2 低溫抗裂性

成型稻殼灰改性瀝青混合料車轍試件后切割為250mm×30mm×35mm小梁進(jìn)行低溫彎曲試驗，溫度-10℃，加載速率50mm/min，結(jié)果如圖7所示。

圖7 稻殼灰摻量對瀝青混合料低溫抗裂性的影響Fig.7 Effect of rice husk ash content on low temperature crack resistance of asphalt mixture

由圖7可知：稻殼灰會造成瀝青混合料低溫性能下降，且隨摻量的增加下降程度逐漸增大。稻殼灰摻量由0%分別增加至5%、10%、15%和20%時，瀝青混合料低溫最大彎拉破壞應(yīng)變分別下降2.5%、6.9%、14.7%和22.0%；稻殼灰改性瀝青混合料低溫最大彎拉破壞應(yīng)變隨稻殼灰摻量呈明顯的線性相關(guān)關(guān)系，回歸分析中R2值達(dá)0.9609，故根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）對不同溫區(qū)改性瀝青混合料最大彎拉破壞應(yīng)變要求可知，稻殼灰改性瀝青混合料不滿足冬嚴(yán)寒區(qū)和冬寒區(qū)低溫性能使用要求，應(yīng)用于冬冷區(qū)或冬溫區(qū)時稻殼灰摻量應(yīng)小于9.0%。

3.3 水穩(wěn)定性

制備稻殼改性瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行凍融劈裂試驗，結(jié)果如圖8所示。

圖8 稻殼灰摻量對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響Fig.8 Effect of rice husk ash content on water stability of asphalt mixture

由圖8可知，摻入稻殼灰可改善瀝青混合料水穩(wěn)定性，且摻量越高，改善效果越好。稻殼灰摻量由0%分別增加至5%、10%、15%和20%時，瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比分別增加1.7%、2.8%、4.4%和4.9%，且各個摻量下的試驗結(jié)果均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）對潮濕區(qū)改性瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比不小于80%的要求。原因是摻入稻殼灰后瀝青粘度增加，與集料粘附性增強(qiáng)的緣故。

4 結(jié)論

（1）稻殼灰可改善瀝青及瀝青混合料高溫性能和高溫性能溫度敏感性，同時可改善瀝青混合料水穩(wěn)定性，且摻量越高改善效果越好。

（2）稻殼灰摻量達(dá)到一定范圍時其高溫穩(wěn)定性可滿足各個溫區(qū)使用要求，故其可作為抗車轍劑使用；各個摻量下稻殼灰改性瀝青混合料水穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

（3）稻殼灰對瀝青低溫性能和存儲穩(wěn)定性及瀝青混合料低溫抗裂性有不利影響，且摻量越高表現(xiàn)越明顯；稻殼灰改性瀝青混合料不滿足冬嚴(yán)寒區(qū)和冬寒區(qū)低溫性能使用要求，應(yīng)用于冬冷區(qū)或冬溫區(qū)時稻殼灰摻量應(yīng)小于9.0%。