灰分对湖沥青改性沥青及其混合料技术性能的影响研究

夏柱林， 李志勇， 聂晨光

(1.安徽省交通控股集团有限公司， 合肥 230088； 2.重庆交通大学 土木学院， 重庆 400074)

湖沥青属天然沥青，与基质沥青的相容性很好，亦可以达到对基质沥青进行改性的目的。特立尼达湖沥青(TLA)便是一种自然状态下未经加工的湖沥青，主要产自于南美洲大陆的特立尼达高原[1]。

TLA经历了上千万年的环境改造而成，其配制而成的改性沥青所铺筑的路面具有路用性能优良、使用年限长、养护维护费用低等优点。据研究表明[2]：湖沥青中灰分含量较为固定，大约为35%～37%，其余53%～55%为地沥青组织。这些灰分颗粒非常细小，全部小于2.36 mm，其中90%小于0.075 mm，44%小于0.01 mm。灰分长期浸润于沥青中，对湖沥青的技术指标有较为显著的影响。

早在19世纪末期，TLA改性沥青就已在国外进行应用[3-4]。最早应用的是美国华盛顿特区的几条城市街道路面；伦敦的主要街道和高速公路都铺设了TLA改性沥青[5]。随后发明的TLA改性沥青玛蹄脂，在桥面铺装应用上也取得了成功。国外对湖沥青的研究较早，制定了相应的标准，但专门针对灰分的研究不多，国外研究更多专注于湖沥青的掺加比例等方面。

目前，我国采用湖沥青的工程有江阴长江大桥、北京一环路等[6]，同时也取得了一定的科研成果。研究发现：灰分主要成分为硅酸盐火山灰，其粒径小而均匀，表面粗糙，形状不规则，比表面积大于矿粉[7]；灰分含量的增加能够改善TLA改性沥青的高温性能和抗变形能力[8]；灰分的密度要大于地沥青的密度，因此，施工时应对湖沥青改性沥青进行充分搅拌[9]。

总体上看，灰分的存在对混合料级配及油石比都产生了一定的影响。本文的研究目的在于研究灰分对湖沥青改性沥青及其混合料的技术性能的影响，以期对湖沥青改性沥青有更为全面的了解。

1 试验研究方案

1.1 灰分提取

为了研究灰分特性，需要将灰分从TLA中提取出来，然后进行相关试验。灰分的提取方法有2种：燃烧法和抽提法[10]。本文采用抽提法，即用三氯乙稀为溶剂，将湖沥青中的地沥青完全溶解，再用离心沉淀机抽提。该方法为物理过程，提取的灰分在成分组成上几乎不变。

1.2 灰分对湖沥青改性沥青性能的影响研究

为了考察灰分对基质沥青的改性效果，将灰分以不同掺配比例添加到基质沥青中，其中基质沥青为中海油70#沥青，湖沥青添加比例分别采用8.9%、10.7%、11.7%、14.2%和17.8%的比例，随后进行改性沥青的基本性能检测试验，并将此改性沥青与基质沥青进行技术指标对比研究。所用技术指标为沥青的3大指标试验、粘度试验和老化试验等[11]。

1.3 灰分对湖沥青改性沥青混合料性能影响研究

在进行混合料配合比设计时，填料采用湖沥青中的灰分和一般矿粉，即完全以灰分替代矿粉；为研究灰分对不同类型混合料性能的影响，拟采用3个级配，即级配1、级配2和级配3，试验所用级配如表1所示。对成型沥青混合料分别进行浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和车辙试验，目的在于验证灰分对沥青混合料的高温稳定性和水稳定性的影响[12]。

根据实验室确定的沥青混合料最佳沥青用量为4.2%，按照正常配合比设计确定填料含量。当采用灰分替代矿粉作为填料时，沥青用量分别采用4.2%和4.4%，其中4.4%的沥青含量设计主要是考虑灰分颗粒细小，比表面积较大，故混合料最佳沥

表1 试验所用级配各档集料组成比例

注：试验所用集料及矿粉等材料均来自于依托工程现场。

青用量应略有增加。由于冻融劈裂试验对试验条件和混合料的状态更为敏感。因此，在沥青用量为4.4%的研究中，仅采用冻融劈裂试验验证混合料的水稳定性。

2 试验结果分析

2.1 灰分技术指标

以三氯乙稀为溶剂，采用抽提法提取灰分，经测试，其技术指标如表2所示。

表2 灰分技术指标

2.2 灰分对湖沥青改性沥青技术指标影响

1) 针入度指标

针入度试验结果如图1所示。3种温度条件下，针入度均随着灰分掺加比例的增加而降低，说明灰分对基质沥青的吸附作用变大，使针入度有所降低，沥青的温度敏感性得到改善；同时在灰分比例相同的情况下，温度越高，针入度越大。

图1 不同温度条件下针入度变化曲线

2) 软化点及当量软化点

软化点及当量软化点的测试结果如图2、图3所示。由图2可知，随着灰分掺量的增加，基质沥青的高温性能得到一定程度的改善；灰分掺配比例由0%增加到17.8%，软化点由47.6 ℃提高到61.2 ℃，增幅为28.57%；当灰分掺量在11.7%时，软化点变化幅度最明显。由图3可知，随着灰分掺量的增大，改性沥青的当量软化点也相应提高，这说明改性后的基质沥青的高温稳定性有所提高。另外，相同灰分掺量的当量软化点数值均小于实测软化点，这是由于灰分的比表面积较大，对基质沥青产生了吸附作用，同时基质沥青含有蜡成分，在达到软化点之前，蜡成分吸收了部分热量，使实测沥青的软化点偏大。

图2 不同灰分掺量对软化点影响

图3 不同灰分掺量对当量软化点和实测软化点影响

3) 延度及当量脆点

延度及当量脆点的测试结果如图4、图5所示。由图4、图5可知，掺入灰分后，25 ℃延度和当量脆点(绝对值)都随着掺配比例的增加逐渐变小；当灰分的掺量大于11.7%时，降幅明显增大，说明随着灰分的加入，湖沥青改性沥青的低温性能变差，但是延度及当量脆点的减小并不完全代表着沥青低温抗裂性能降低，也可能是由于灰分和一些挥发性成分会对结果引起偏差。

图4 不同灰分掺量对25 ℃延度的影响

图5 不同灰分掺量对当量脆点的影响

4) 老化试验

老化后的残留针入度变化及延度的测试结果如图6、图7所示。由图6、图7可知，随着灰分掺量的增加，沥青老化后的残留针入度比、25 ℃延度比均降低；当掺量在11.7%左右时，降低的幅度增大，这说明灰分的加入在一定程度上可以改善基质沥青的抗老化性能。

图6 TFOT后沥青残留针入度比变化

图7 TFOT前后沥青25 ℃延度变化

由以上试验结果可知，灰分的存在可改善沥青的高温性能、温度敏感性及老化性能，但低温性能略有下降。由于沥青成分较为复杂，各种挥发性的成分和灰分的存在都会对试验结果造成影响，还应通过对其改性混合料进行试验，以期对湖沥青改性沥青有全面了解[13]。

2.3 灰分对湖沥青改性沥青混合料性能影响的试验研究

依据工程现场实际情况，对湖沥青改性沥青混合料性能的研究主要包括其高温稳定性及水稳定性。通过采用车辙试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，研究所对应的动稳定度DS、残留稳定度和冻融劈裂残留强度比TSR等技术指标来反映灰分对湖沥青改性沥青混合料性能的影响[14-15]。

1) 水稳定性

(1) 浸水马歇尔试验

浸水马歇尔试验是通过检测沥青混合料在浸水前后其力学指标和物理指标的变化程度来评价沥青混合料抗水损害能力的试验。灰分填料和矿粉填料2种情况下沥青混合料浸水马歇尔试验残留稳定度的变化情况如图8所示。

图8 不同条件下沥青混合料动稳定度对比

由图8可以看出，对于基质沥青混合料，无论是灰分、还是一般石灰岩矿粉作为填料，其浸水马歇尔残留稳定度均满足规范要求，即不低于80%的最低指标要求。试验结果表明：残留稳定度最小值94%，最大值109%，且不同级配条件下残留稳定度相差不是很大。根据相关文献，发现残留稳定度指标对混合料水稳定性的评价不是很全面，还需结合其他试验对混合料水稳定性进行有效评价。原因如下：在实验室条件下，标准马歇尔试件在浸水后其内部的水基本上处于静止状态，这与行车荷载作用在路面上的受力情况有很大差别。在行车轮压下，混合料内部水会对沥青膜产生机械冲刷和反复吸压作用，水压力是造成路面水损害的重要因素之一，而试验用马歇尔试件的孔隙率较实际沥青路面偏大，造成在浸水马歇尔试验过程中，浸入60 ℃恒温水浴中一段时间后，进入其内部的水分很少，这对沥青膜的冲刷作用很小，加上其内部的水分进一步阻止外界水分的进入，与实际行车状态有较大差别。因此，可以结合冻融劈裂试验测得的冻融劈裂残留来综合分析混合料的水稳定性。

(2) 冻融劈裂试验

冻融劈裂试验是在规范要求的情况下对沥青混合料进行冻融循环破坏试验，测出试件在试验前后的冻融劈裂残留强度比TSR。这种方法与浸水马歇尔试验的不同之处在于它可以尽可能地符合混合料实际受力情况，在劈裂条件下，马歇尔试件内部处于受拉状态，当标准马歇尔试件内部的粘结力不足以抵抗外加荷载时就会发生破坏，可以较好地体现出水对沥青的软化和对沥青膜的剥落作用，以便更好地评价混合料的水稳定性。

不同沥青用量、不同级配、不同填料冻融劈裂残留强度比的变化对比关系如图9、图10所示。

图9 沥青用量4.2%时灰分和矿粉残留强度比对比

图10 增加沥青用量时灰分和矿粉残留强度比对比

由图9可知，在最佳沥青用量条件下，若采用灰分作为填料，对于级配1，沥青混合料冻融劈裂的残留强度比TSR差别不大，对于级配2和级配3，其TSR值明显小于矿粉作填料的沥青混合料；对于级配2，灰分作填料时，混合料的TSR值相当于矿粉作为填料时相应指标的85%；对于级配3，灰分作填料时，混合料的TSR值仅相当于矿粉作填料时混合料TSR值的77%。

由图10可以看出，灰分作填料且当沥青混合料的沥青用量增加至4.4%时，其TSR值明显提高，即在增加沥青用量后，灰分作为填料的沥青混合料其冻融劈裂残留强度比显著大于矿粉的冻融劈裂残留强度比，主要原因是由于灰分的颗粒粒径较小，比表面积较大，需要有相对较多的沥青裹敷。

综上所述，灰分对水稳定性的影响和混合料级配有一定关系，灰分含量提高，应适当增加沥青用量，且级配2和级配3效果较好。

2) 高温稳定性

根据沥青混合料车辙试验结果，可以得出在3种级配条件下，采用灰分和矿粉作为填料时，沥青混合料动稳定度的对比如图11、图12所示。

图11 不同条件下沥青混合料动稳定度对比

图12 灰分相对于矿粉动稳定度提高量对比

由图11、图12可以看出：

(1) 当沥青含量为4.2%时，在不同级配条件下，采用灰分作为填料，沥青混合料车辙试验的动稳定度均大于一般矿粉作为填料时沥青混合料的动稳定度。

(2) 采用灰分作为填料时，混合料动稳定度的提高值在40%～70%之间，均值约为52%。这充分说明灰分作为填料可以较好地提高普通基质沥青混合料的高温稳定性，同时也说明了湖沥青改性沥青混合料具有较高的高温稳定性，灰分在其中发挥了很好的作用。

(3) 级配2的动稳定度增加幅度最大，从水稳定性及高温稳定性综合考虑，湖沥青改性沥青混合料应适当增加粗集料用量，以获得最佳改性效果。

通过以上试验结果可知，沥青用量增加后，灰分作填料时，沥青混合料的冻融劈裂残留强度比TSR显著大于矿粉的冻融劈裂残留强度比，说明灰分作为填料时，沥青混合料在合适的沥青用量条件下，可以提高混合料的水稳定性；同时，灰分还能改善沥青混合料的高温稳定性。

在关注到灰分对沥青混合料性能改善的同时，还需要注意的是，灰分存在于湖沥青中与灰分单独提取再添加于基质沥青中有一定区别：湖沥青中的灰分是充分浸润、吸附了沥青，在进行湖沥青混合料生产的过程中，其无需再吸附外加的基质沥青；灰分从湖沥青中被提取后，因其具有较小的粒径和较大的比表面积，所以，在拌和沥青混合料时，应适当增加沥青用量，才能使混合料具有较好的路用性能，这一点在混合料的水稳定性上尤为明显。

在湖沥青改性沥青混合料的配合比设计过程中，灰分的处理一直是较为关注的问题。根据本项目的研究认为，在湖沥青改性沥青混合料中，灰分的存在有利于改善沥青混合料的高温稳定性、水稳定性。因此，不应简单的将灰分看作填料，在TLA改性沥青混合料中，由于不考虑灰分对混合料级配的影响，混合料设计中将其仅作为一种外加剂考虑，从而导致灰分的存在对沥青混合料的油石比产生了一定影响。

3 油石比换算

湖沥青改性沥青的制备是将一定比例的湖沥青掺入基质沥青中，它和普通改性沥青存在明显的差异，即TLA改性沥青用量与沥青混合料中的实际沥青用量存在一定的差异，这个差异主要是由TLA中含有37%左右的灰分引起的。正是由于该灰分的存在，使得在TLA的设计、施工过程中出现了2个沥青用量：TLA改性沥青用量、实际沥青用量。虽然从以上结论可知，不考虑灰分对混合料级配的影响，但灰分的存在恰恰是湖沥青和其他沥青较为明显的区别，因此，在进行混合料配合比设计时，可以对油石比进行换算，以便掌握混合料中真实的油石比。

1) 参数定义

在进行2个油石比的关系分析前，需首先定义相关的几个参数：

TLA灰分含量A%、TLA掺量B%(改性沥青中湖沥青质量百分比)、改性沥青油石比CTLA(按正常配合比设计得到的湖沥青改性沥青的油石比)、实际油石比Ca(湖沥青改性沥青混合料的实际油石比)。

2) 参数换算

根据上述参数的定义可知，各参数之间存在关系如下：

Ca=CTLA(1-B×A)

4 结论

本文采用试验方法，研究了灰分对湖沥青改性沥青及其混合料技术性能的影响，主要认识如下：

1) 灰分的存在既可增加沥青粘度和抗老化性能，也可提高湖沥青改性沥青的高温稳定性和水稳定性。

2) 在湖沥青改性沥青混合料配合比设计时，不能仅仅将灰分视为填料，应将其视为改性剂的一部分。

3) 灰分的存在会引起改性沥青油石比和实际油石比关系的改变，文中给出了相应的换算公式，可用于计算湖沥青改性沥青的实际油石比。