戚云生， 李志勇, 杜 闖

(1.安徽省交通控股集團有限公司， 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)，當時市區(qū)內(nèi)的幾條重點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，在特立尼達和多巴哥修建丘吉爾·羅斯福公路時，上面層采用湖瀝青對普通瀝青進行改性，并得到了良好的使用性能，其服務(wù)壽命長達30年，比預(yù)期多15年左右[1]。

日本對路面材料質(zhì)量要求較高，在很多年前就開始了對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多個國家的道路、橋梁、機場等工程中，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的一致認可[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[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)指標試驗

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、薄膜烘箱等試驗手段，通過針入度、質(zhì)量損失等技術(shù)指標來研究其特性。試驗過程中，將基質(zhì)瀝青和湖瀝青分別加熱至150 ℃，然后按設(shè)定比例進行混合，由于有灰分存在，制備過程中應(yīng)對混合后的瀝青進行充分攪拌，攪拌溫度控制在170 ℃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，因此對制備好的改性瀝青試樣不宜存放時間過長，應(yīng)及時進行試驗使用。同時需要注意的是對于普通基質(zhì)瀝青AH-70#也要采用與湖瀝青改性瀝青同樣的操作工藝、相同的試驗溫度，得到對比試樣，以保證試驗過程的誤差最小。

為了考察不同TLA摻配比例對AH-70#的改性效果，本文對TLA和SBS改性瀝青進行了基本的性能檢測試驗，并與未改性的普通基質(zhì)瀝青進行指標對比分析。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)合工程所在地的實際情況定為5%，即按5種組合分別進行改性瀝青的3大指標試驗、粘度試驗和老化試驗，分析不同摻量湖瀝青對普通基質(zhì)瀝青技術(shù)指標的影響[9]。試驗結(jié)果如表2所示。

由表2試驗結(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、粘度、當量軟化點升高；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，但當湖瀝青摻量達到50%時，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量脆點T1.2的絕對值和延度變??；4) 通過老化試驗發(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改性瀝青指標試驗結(jié)果

因此，在選取湖瀝青的摻量時，應(yīng)參考改性瀝青各指標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試驗分析，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

本文依托安徽省泗許高速公路實體工程，試驗段總瀝青用量130 t，礦質(zhì)混合料的選料為：上面層粗集料為玄武巖，細集料為機制砂，填料用礦粉；中面層粗集料為石灰?guī)r，細集料、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

利用試算法對上面層AC-13C和中面層AC-20C進行礦料配合比設(shè)計[10]，得到修正后的設(shè)計級配上面層為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)定度最大時的油石比；a2為毛體積密度最大時的油石比；a3為孔隙率中值時的油石比；a4為飽和度中值時的油石比；OAC1為第1個初始最佳油石比；OAC2為第2個初始最佳油石比；OACmin為各指標均符合要求的最小油石比；OACmax為各指標均符合要求的最大油石比。

AC-13C和AC-20C最佳油石比計算結(jié)果如表4所示。

表4 計算最佳油石比結(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

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

表5 不同混合料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果

表6 不同混合料相對變形試驗結(jié)果

動穩(wěn)定度表示標準試件每增加1 mm變形所需要行走的次數(shù)。動穩(wěn)定度測試值越大，說明混合料抵抗高溫變形的能力越強，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，中面層測試的動穩(wěn)定度在60 ℃時達到了5 000以上。

為保證測試結(jié)果的準確性，本文同時開展了相對變形試驗。表6結(jié)果表明，隨著湖瀝青的摻入，相對變形量變小，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，軟化點與SBS相比也較高，所以其變形程度會有所降低，這也說明了湖瀝青可改善瀝青的高溫穩(wěn)定性。

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

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來進行，即利用彎曲試驗壓力機對成型試件進行彎曲破壞試驗[14]，結(jié)果如表7所示。

表7 小梁彎曲試驗結(jié)果

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

因此湖瀝青可改善混合料的高溫性能，但也會對其低溫性能有所影響，實際應(yīng)用中可通過控制湖瀝青的摻入量試驗，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，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，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水壓力，在動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、凍融劈裂試驗和二次凍融循環(huán)試驗對混合料的水穩(wěn)定性進行室內(nèi)試驗檢測。

1) 浸水馬歇爾試驗

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

(4)

式中：MS0為浸水馬歇爾試驗的殘留穩(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SBS改性劑為5%時，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%；當湖瀝青摻量為25%時，相同指標上面層提高了16.3%，中面層提高了20.1%； 當湖瀝青摻量為33%時，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[9]，由于基本指標很容易達到規(guī)范要求≥85%的最低下限要求，因此僅采用殘留穩(wěn)定度指標評價混合料的水穩(wěn)定性不夠全面，為此還需結(jié)合凍融劈裂試驗對混合料的水穩(wěn)定性進行評價。

2) 凍融劈裂試驗

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

凍融試驗殘留強度比的計算公式如下所示，計算結(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)試件的劈裂抗拉強度平均值，MPa；TSRi為試件凍融劈裂殘留強度比，%。

表9 不同瀝青混合料凍融劈裂強度試驗結(jié)果 %

表9中，TSR1和TSR2分別為凍融循環(huán)1次和2次后的劈裂強度殘留強度比。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TLA的摻量為33%時，TSR1達到最大值；經(jīng)2次凍融循環(huán)試驗后，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)合實驗室室內(nèi)檢測湖瀝青各種指標，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) 針對湖瀝青改性瀝青的技術(shù)特性開展試驗研究，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，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、小梁低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗，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，對其低溫抗裂性也有所改善。

4) 通過對試驗確定的最佳油石比配比條件下的瀝青混合料路用性能進行檢測，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。同時考慮到安徽泗許高速氣候特點以及重載交通條件，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比試驗，確定了最佳的湖瀝青摻量為25%。